基于HyperMesh的運(yùn)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(yùn)輸車中多數(shù)零部件如：駕駛室，發(fā)動(dòng)機(jī)，變速箱，車橋等通常都直接與車架相連接。在運(yùn)動(dòng)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(fù)雜性要求車架必須有足夠的剛度和強(qiáng)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(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員大多采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，這種方法并不能精準(zhǔn)的計(jì)算出車架各部件應(yīng)力和形變。本文采用HyperWorks軟件對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，運(yùn)用Radioss及OptiStuct求解器分析了車架的應(yīng)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(yàn)證該車架設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)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(yùn)輸車車架為研究對(duì)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(shí)際中，車架的形狀結(jié)構(gòu)復(fù)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(xì)微之處全部考慮在內(nèi)，就會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格的密度很大，單元尺寸極小，節(jié)點(diǎn)方程的數(shù)量龐大，因而增加求解時(shí)間，同時(shí)局部的網(wǎng)格質(zhì)量無法保證，容易導(dǎo)致求解失真。因此，有必要對(duì)車架的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jì)算量，提高計(jì)算效率。
運(yùn)用Pro/E三維建模軟件對(duì)簡化處理后的車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)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(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)行后續(xù)的網(wǎng)格劃分。
對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分首先需要對(duì)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(shí)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(yīng)力為345MPa。本文采用HyperMesh中的自動(dòng)網(wǎng)格劃分功能對(duì)已建好的實(shí)體模型進(jìn)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(gè)數(shù)106472，節(jié)點(diǎn)個(gè)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(qiáng)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(duì)位置不發(fā)生改變。車架剛度不足，會(huì)引起振動(dòng)和噪聲，也會(huì)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(yùn)輸車在行駛過程中，在所有輪胎都著地情況下，地面對(duì)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(diǎn)。對(duì)于本文中的車型，動(dòng)力總成及滿載時(shí)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(duì)整個(gè)車架進(jìn)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(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)械零部件的振動(dòng)特性，得到結(jié)構(gòu)固有頻率和振型的過程，它是動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)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(qiáng)迫振動(dòng)都可以由結(jié)構(gòu)按這些基本特性的強(qiáng)迫振動(dòng)的線性組合構(gòu)成。本文通過不施加載荷與約束，對(duì)車架的有限元模型進(jìn)行自由模態(tài)分析。
4 結(jié)論
本文應(yīng)用有限元分析法對(duì)運(yùn)輸車車架進(jìn)行了靜態(tài)應(yīng)力和模態(tài)分析，通過靜態(tài)應(yīng)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(yīng)力值始終都小于車架的屈服應(yīng)力值，說明該車架是符合設(shè)計(jì)要求的。但是由于扭轉(zhuǎn)工況下的最大應(yīng)力值較彎曲工況下的最大應(yīng)力值大很多，這一點(diǎn)還有待我們進(jìn)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(lì)頻率一般為1Hz～20Hz的垂直振動(dòng)。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(lì)頻率與車架形成共振的影響，保證了運(yùn)輸車行駛的穩(wěn)定性與安全性。
綜合而言，通過對(duì)車架進(jìn)行有限元分析，為我們?cè)趯?duì)該類車架設(shè)計(jì)提供重要的參數(shù)，為改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，同時(shí)也為深入研究相關(guān)問題奠定基礎(chǔ)。
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