文档介绍：第34卷?第2期? 2012-02(上)?【103】某车架有限元建模及仿真研究 Study on finite element modeling and simulation of a frame 曾发林, 李德华, 范嫦娥 Z E N G F a - l i n , L I D e - h u a , F A N C h a n g - e ( 江苏大学汽车与交通工程学院, 镇江 2 1 2 0 1 3 ) 摘要:本文根据有限元方法建立了某半挂车车架结构的有限元模型,并确定其载荷的简化和施加方法, 在此基础上分别探讨了该车架的静态强度和动态特性,并对该车架的动态特性进行了分析研究。结果表明该车架能够满足各种性能要求,在额定载荷作用下,车架的局部应力接近材料的屈服应力,但是车架结构整体应力较小,为后续车架的优化设及其轻量化研究计提供了重要的理论依据。关键词:车架;有限元;静态分析;动态分析中图分类号:TH122 文献标识码: A 文章编号: 1009-0134(2012)02(上)-0103-03 Doi: .1009- (上) .36 0 引言车架作为汽车整个车辆的核心总成, 承受着来自道路和装载的各种复杂载荷的作用, 特别是重型载重汽车的使用条件十分恶劣, 受力状况非常复杂, 半挂车车架是整个半挂车的关键部位, 它承受着半挂车内外的各种载荷, 因此, 对车架的强度和刚度进行评价计算及分析校核是现代汽车设计过程中必不可少的一步。随着电子计算机的发展和有限元法的广泛应用, 对汽车结构的动态特性研究己取得了很大的进展。本文对某半挂车的车架建立有限元模型, 进行静态强度及模态分析, 分析的结果为进一步车架结构优化设计及其轻量化设计打下基础。 1 车架有限元模型的建立该半挂车车架是边梁式车架, 车架有 2 根主纵梁, 1 0 根横梁和 2 根边梁, 通过焊接而成。主要采用槽钢和 Z 型钢, 半挂车车架的主要技术参数如表 1 。此半挂车的车架大都是薄壁结构, 其长度和宽度远远大于厚度, 非常适合使用壳单元进行建模, 所以车架采用精度较高的壳单元 s h e l l 1 8 1 单元进行建模, 在建立模型过程中, 对于焊接和铆接的处理采用了节点合并技术, 最终将整个车架结构离散化为 1 7 3 8 9 4 个壳单元, 用 7 组断面参数分别描述结构中的不同构件。其中, 悬架结构也用 8 个空间梁单元加以模拟。经过离散化处理后形成的有限元模型如图 1 所示。 2 边界条件的模拟 2 . 1 受力情况的模拟车架的自身的重量简化为均布载荷, 车架质量按体积分布计算, 货物按均布载荷加载, 油箱工具箱等按照其位置分配, 并按照集中载荷方式处理。图 1 车架有限元模型 2 . 2 边界条件的模拟对该车架进行分析时, 为了使数值解存在且唯一, 系统要求必须消除结构的刚体位移, 以保证结构总体刚度矩阵非奇异, 因而必须考虑车架的约束情况, 从而消除车架的刚体位移[ 1 , 2 ] 。另外采用刚性单元 R B E 2 来模拟横梁与纵梁以及牵引销与纵梁连接处的焊点。该车架采用空气弹簧悬架, 为简化计算, 认为空气弹簧是线性的, 弹簧刚度是常数, 并且每个空气弹簧用 8 个 S p r i n g - d a m p e r l 4 单元来模拟[ 3 ] 。收稿日期:2011-07-19 作者简介: 曾发林( 1 9 6 5 - ) , 男, 副教授, 工学硕士, 研究方向为车辆噪声振动分析与控制、工程车辆设计及节能控制、电动汽车驱动系统动力学。自动化2012年第2期(上).indd 103 2012-1-16 14:40:36 【104】?第34卷?第2期? 2012-02(上) 3 静态分析在强度计算过程中, 前后空气弹簧的弹性模拟通过约束弹簧下节点的所有的自由度和约束上节点的除垂直方向的自由度的 5 个自由度获得, 这样完全消除结构的刚体运动的可能性, 从而求得在载荷作用下结构变形的精确解[ 4 ] 。 3 . 1 非对称垂直动载荷工当进行有限元模拟时, 路面不平度高度 h n , 根据相关资料[ 5 ] , 取 h n = 1 0 0 m m , 具体分析时, 将车架的自身的重量附件及载货重量乘以动载荷系数施加到相应的节点上, 在复杂的工况下, 车速不宜过高, 因此取动载系数 K = 1 . 5 . 施加约束时, 在约束车架前后悬架支撑点的同时, 将前左悬架支撑点的 Z 方向的自由度值改+ 1 0 0 m m , 这样便可以达到模拟实际不平路面的目的, 经处理得到车架在该工况下的整体应力和整体位移分布云图, 如图 2 和图 3 所示。 3 . 2 对称垂直动载荷工况在实际加载过程中,