作者：蘇峰，王永飛，陳建強 

（中國包頭北奔重型汽車有限公司，包頭 041032）

摘  要：本文以現有北奔重型自卸車車架為基礎上，通過更改車架上的局部結構，對更改后的局部結構及車架建立了有限元模型，利用NASTRAN軟件進行求解計算。根據此類車型實際使用情況，對車架的彎曲、扭轉及急轉彎等工況進行了車架的強度分析，得到新設計結構改進前后相應工況下應力分布云圖。

關鍵詞：車架；整體結構橫梁；NASTRAN；有限元分析

 

引言

北奔6X4某類型自卸車經常在礦區使用，平衡懸掛處的背靠背橫梁經常發生斷裂，嚴重影響客戶的使用，為了滿足此地區的客戶要求，北奔設計人員針對此類問題，將原來的鍛件橫梁改為整體鑄造橫梁。

針對這種新結構，在試驗過程中，發生了整體鑄造橫梁斷裂現象，如下圖1.1所示。針對斷裂現象，北奔設計人員提出了很多解決方案，例如加大斷裂處的鑄造圓角，移動鑄造橫梁附件的橫梁，在鑄造橫梁附近添加橫梁等方案，通過仿真計算，發現這幾種方案對于整體鑄造橫梁的受力幾乎沒有影響。最終北奔設計人員將整體鑄造橫梁重新做了設計。改進后的新結構橫梁，仿真計算時都能滿足設計指標，而且在實際路試中沒有再出現斷裂現象。圖1.2為新設計的結構改進后的結構示意圖。

圖1.1 新設計整體鑄造橫梁斷裂圖

（a）改進前新結

（b）改進后新結

圖1.2 整體鑄造橫梁新結構改進前后示意圖

2.車架有限元模型

 

圖2計算時的有限元模型

車架的有限元模型包括：車架總成，副車架總成，簡化的懸架、橋、輪胎。車架總成主要是由縱梁、襯梁、橫梁總成、整體鑄造橫梁等零部件構成。車架縱梁、襯梁、橫梁，筋板等鈑金件都是等壁厚的，采用殼單元對這些部件劃分，整體鑄造橫梁采用詳細的四面體十節點實體單元劃分。副車架總成為焊接車架模型，副車架里模型主要是鈑金件及型材，所以全部采用殼單元模擬，焊接部位采用相應的殼單元來模擬。懸架主要包括：前后鋼板彈簧支座、平衡軸、鋼板彈簧、橫向穩定桿。前后鋼板彈簧支座、平衡軸等都是鑄件，采用四面體十節點實體單元模擬，穩定桿采用桿單元模擬。 橋、輪胎采用簡化的梁單元模擬，橋與橫向穩定桿、橋與板簧的連接采用簡化的梁單元模擬。計算時根據板簧和穩定桿的工作原理，釋放前后板簧及橫向穩定桿的相應自由度。

2.1 主要參數及材料常數

前橋懸架鋼板彈簧滿載垂向剛度為372N/mm，中后橋平衡懸架鋼板彈簧滿載垂向剛度為2174N/mm，鈑金件的彈性模型為2.02x10⁵,泊松比0.3；鑄件的彈性模量1.74x10⁵，泊松比0.3。

2.2 邊界條件處理

2.2.1 鋼板彈簧的模擬

采用等效剛度的等截面直梁模擬前后鋼板彈簧，等效剛度的等截面直梁長度、截面參數及彈性模量等物理特性根據材料力學相關理論進行確定：當直梁的截面寬度和高度滿足H³B=KL3/4E時，等截面的直梁滿足在其兩端約束情況下中點處的等效剛度為K。式中H為梁截面高度，B為截面寬度，E為等效梁的彈性模量，L為等效梁的長度，K為鋼板彈簧的等效剛度。

2.2.2 連接處理

根據緊固件的幾何和物理參數，采用梁單元模擬主縱梁、襯梁、橫梁總成、平衡軸等部件的連接關系。

2.2.3 副車架與主車架接觸處理

副車架與主車架在接觸部分采用桿單元模擬。

2.2.4 約束位置

約束施加在簡化的輪胎模擬處。

2.2.5 載荷條件

載荷的施加，根據自卸車的使用條件，載荷按55噸計算，按著實際使用條件，分布到副車架上。根據實際使用條件，模擬了三種工況：彎曲工況，扭轉工況，轉彎工況。計算時，由于動力總成、駕駛室、油箱，電瓶等相對于載荷質量較小，且考察的主要指標是整體鑄造橫梁，它們質量對整體橫梁影響很小，所以計算時忽略了這幾處的質量。

2.2.6 單元質量檢查

在單元劃分時，殼單元主要控制了斜度（skewness）、錐度(taper)、雅可比（jacobian）、及長寬比（aspect ratio）。實體單元主要控制了棱長比（aspect ratio）、面翹曲（warping）及雅可比（jacobian）。

 

3 車架的有限元分析結果

 

圖3.1 各個評價點示意圖

3.1彎曲工況計算結果

圖3.2 彎曲工況等效應力示意圖

表3.1 彎曲工況新結構改進前后最大等效應力對比表

評價點	A1	A2	A3	A4	A5	A6	A7	A8
原結構/MPa	613.7	645	1166	1050	810.4	1079	1020	599.7
新結構/MPa	288.5	344	517.3	440.7	499.7	451	418.3	511.7

經過計算得到應力云圖3.2所示，在彎曲工況下，新結構改進前后的最大等效應力分析結果見表3.1所示。新結構改進前的最大等效應力為1166MPa；改進后的新結構最大等效應力為517.3MPa，小于材料的屈服極限600MPa（材料GGG60）。

3.2 扭轉工況計算結果

 

 

 

圖3.3 扭轉工況等效應力示意圖

表3.2 扭轉工況新結構改進前后最大等效應力對比表

評價點	A1	A2	A3	A4	A5	A6	A7	A8
改進前/MPa	123	277.6	643.1	222.1	320	421	426.3	340.5
改進后/MPa	33.8	168.4	269.4	152.2	210	270.9	236.3	89.3

經過計算得到應力如圖3.3所示，扭轉工況下，新結構改進前后的最大等效應力分析結果見表3.2所示。新結構改進前的最大等效應力為643.1MPa；改進后的新結構最大等效應力為270.9MPa，小于材料的屈服極限600MPa（材料GGG60）。

3.3 轉彎工況

 

  

圖3.4 轉彎工況等效應力示意圖

 

表3.3 轉彎工況新結構改進前后最大等效應力對比表

評價點	A1	A2	A3	A4	A5	A6	A7	A8
改進前/MPa	345.9	96	95.7	1175	402.5	556	491	341.7
改進后/MPa	370	194.9	140.5	506.2	535.5	540.1	541.2	224.4

經過計算得到轉彎工況下最大等效應力云圖如圖3.4所示，新結構改進前后的最大等效應力分析結果見表3.3所示。新結構改進前的最大等效應力為1175MPa；改進后的新結構最大等效應力為541.2MPa，小于材料的屈服極限600MPa（材料GGG60）。

 

4.結果分析

本文主要針對新設計的鑄造橫梁進行分析計算，計算時，將鑄造橫梁放入到整個車架里，避免了單個橫梁計算時的工況模擬失真的情況，切實解決了新結構的斷裂問題。由于使用路況復雜，我們只模擬了最常用的三種工況，彎曲工況，扭轉工況，轉彎工況。

 

參考文獻：

[1] 李軍毅 大型通用有限元程序系統MSC.NASTRAN基礎培訓教程. 1999

[2] 余志生  汽車底盤設計.北京清華大學出版社，2010

 

作者簡介：

蘇峰（1980-），男，內蒙古鄂爾多斯，碩士，現包頭北奔重型汽車有限公司研發中心工作，工程師，主要研究方向：結構靜力學及疲勞分析。

來源：數字仿真聯盟