基于HyperMesh的運輸車車架有限元分析論文
0 引言
車架作為車輛重要的承載部分，運輸車中多數(shù)零部件如：駕駛室，發(fā)動機，變速箱，車橋等通常都直接與車架相連接。在運動過程中，車架還承受各零部件產(chǎn)生的各種力與力矩的影響，承載情況的復雜性要求車架必須有足夠的剛度和強度來避免其主體發(fā)生變形或者斷裂的現(xiàn)象，以保證其安全可靠性及使用壽命。但是，在以往的設(shè)計過程中，設(shè)計人員大多采用經(jīng)驗公式進行計算，這種方法并不能精準的計算出車架各部件應力和形變。本文采用HyperWorks軟件對車架結(jié)構(gòu)進行有限元分析，運用Radioss及OptiStuct求解器分析了車架的應力和位移形變分布狀態(tài)及自由模態(tài)分析，利用分析結(jié)果驗證該車架設(shè)計的合理性，對后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。
1 車架的幾何模型及有限元模型
本文以某造船廠運輸車車架為研究對象，該車架由型鋼焊接而成，兩根縱梁為矩形截面型鋼，總長9440mm，大梁式，前后等寬，縱梁最大斷面尺寸為360mm×140mm×20mm，橫梁最大斷面尺寸為300mm×140mm×20mm，前后端橫梁為Π型槽鋼，中間橫梁為矩形截面型鋼，橫梁的長度為920mm。
實際中，車架的形狀結(jié)構(gòu)復雜，支撐裝置和固定裝置多種多樣，除幾何形體不規(guī)則外還存在許多倒圓角和圓孔，如果在建模的過程中將這些細微之處全部考慮在內(nèi)，就會導致網(wǎng)格的密度很大，單元尺寸極小，節(jié)點方程的數(shù)量龐大，因而增加求解時間，同時局部的網(wǎng)格質(zhì)量無法保證，容易導致求解失真。因此，有必要對車架的結(jié)構(gòu)進行合理的簡化，建立合理有效的模型，從而減少分析過程中的計算量，提高計算效率。
運用Pro/E三維建模軟件對簡化處理后的車架結(jié)構(gòu)進行實體建模，為了避免部分零件出現(xiàn)幾何缺陷或數(shù)據(jù)丟失的情況，我們通常將Pro/E中建立的模型保存為.iges格式文件，把該格式文件直接導入HyperMesh中進行后續(xù)的網(wǎng)格劃分。
對實體模型進行網(wǎng)格劃分首先需要對網(wǎng)格單元定義屬性，其次定義網(wǎng)格的生成控制，最后劃分網(wǎng)格。其中網(wǎng)格的單元屬性包括網(wǎng)格單元類型，實常數(shù)以及材料特性。本文車架的材質(zhì)選用16Mn，其楊氏模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.28，材料密度為7800kg/m3，屈服應力為345MPa。本文采用HyperMesh中的自動網(wǎng)格劃分功能對已建好的實體模型進行單元網(wǎng)格劃分，最后得到了車架有限元模型(如圖1所示)。使用HyperMesh中的count功能，可以得出其單元網(wǎng)格個數(shù)106472，節(jié)點個數(shù)53268。
2 車架靜態(tài)工況分析
車架作為重要的承載部分，這就要求其既要有足夠的強度，也要有足夠的剛度。足夠的彎曲剛度，可使車架上的部件在行駛過程中相對位置不發(fā)生改變。車架剛度不足，會引起振動和噪聲，也會使汽車的乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性及某些基件的可靠性下降，然而其扭轉(zhuǎn)剛度不易過大，否則汽車的通過性變差。
運輸車在行駛過程中，在所有輪胎都著地情況下，地面對整車的作用力依次通過輪胎、車橋、板簧、吊耳銷最終傳至車架上，因此，我們可以在吊耳銷處創(chuàng)建約束點。對于本文中的車型，動力總成及滿載時的總質(zhì)量為16t，將這部分總質(zhì)量的以均勻分布的方式加載到0～7000mm范圍內(nèi);駕駛室及乘員的總質(zhì)量為1.3t，同樣以均勻分布的`方式將該部分總質(zhì)量加載到7560mm～9440mm范圍內(nèi)，這樣就對整個車架進行了全部加載。
3 車架模態(tài)分析
所謂模態(tài)分析，就是確定設(shè)計結(jié)構(gòu)或機械零部件的振動特性，得到結(jié)構(gòu)固有頻率和振型的過程，它是動態(tài)設(shè)計的核心。研究的是結(jié)構(gòu)模態(tài)即自由模態(tài)，是結(jié)構(gòu)本身的特性與材料特性所決定的，與外載條件等無關(guān)(即無需加任何載荷和約束)，而結(jié)構(gòu)在任意初始條件及外載作用下的強迫振動都可以由結(jié)構(gòu)按這些基本特性的強迫振動的線性組合構(gòu)成。本文通過不施加載荷與約束，對車架的有限元模型進行自由模態(tài)分析。
4 結(jié)論
本文應用有限元分析法對運輸車車架進行了靜態(tài)應力和模態(tài)分析，通過靜態(tài)應力分析可知，在給予車架彎曲工況與扭轉(zhuǎn)工況的情況下，車架的最大應力值始終都小于車架的屈服應力值，說明該車架是符合設(shè)計要求的。但是由于扭轉(zhuǎn)工況下的最大應力值較彎曲工況下的最大應力值大很多，這一點還有待我們進一步優(yōu)化解決。車架的固有頻率一般為10Hz～15Hz，目前在高速公路和較好城市路面不平引起的激勵頻率一般為1Hz～20Hz的垂直振動。由模態(tài)分析可知，車架的各低階模態(tài)的頻率值在22.04Hz左右，避免了各種激勵頻率與車架形成共振的影響，保證了運輸車行駛的穩(wěn)定性與安全性。
綜合而言，通過對車架進行有限元分析，為我們在對該類車架設(shè)計提供重要的參數(shù)，為改進結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)，同時也為深入研究相關(guān)問題奠定基礎(chǔ)。
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