文档介绍：重型半挂车车架有限元分析
作者:北京理工大学林程陈思忠吴志成
摘要:本文采用了参数化建模方法建立了60t 重型半挂车车架有限元模型,采用了曲棱四面体等参单元,比传统方法提高了建模效率和可修改性以及计算精度。文中介绍了车架有限元模型的简化方法和不同工况下的力学模型抽象方法,根据计算结果,改进了结构并进行了验算,最后对有限元计算误差产生的可能原因进行了论述。
关键词:车架半挂车有限元方法参数化建模
1 前言
泰安专用汽车制造厂开发研制的重型半挂车将承担60t 坦克的运输任务,为了全面了解该半挂车车架在不同工况下的强度和刚度状况,确定应力危险点、进行优化分析等,对其进行了有限元分析。
分析计算利用Pro/Engineer 软件对车架进行了三维实体参数化建模,并将模型导入Ansys 软件中进行边界条件设定、加载、网格划分、计算及后处理。该方法的优势在于充分发挥了这两种的优势,Pro/Engineer软件是功能强大的参数化建模软件,可轻易实现三维实体模型的建立和修改;而Ansys 软件是著名的工程分析软件,但在建立象半挂车车架这样复杂的实体模型方面,明显能力不足。现通过接口程序实现模型传递,将两种软件有机结合起来,取得了很好的效果,具体流程参见图1。
图1 有限元计算流程
2 车架参数化建模
车架结构特点分析
半挂车车架包括两根纵梁和若干根横梁,皆为厚板和型材组焊而成。车架前部可通过牵引销连接牵引车,中前部可停放坦克,左右侧分别装有工具箱和备胎等附件,尾部可连接渡板。表面铺有压花铝板和若干防滑条,下部通过相互串通的空气弹簧连接五个车桥。车架为对称结构,但受力不对称。

表1 计算中采用的主要半挂车参数
结构简化
根据车架的结构与工作特点,在有限元分析计算前将对车架划分实体单元,因此需进行实体建模。但在实体建模时应充分考虑未来划分单元的密度和质量,必须尽量在不影响精度的前提下对模型进行简化。
简化工作主要包括:
(1) 忽略了刚性较差的4mm 压花铝板(平板)
(2) 忽略了细长的防滑条进行
(3) 对结构中细小的结构(如细小的倒角等)进行简化和忽略在Pro/Engineer 软件中对挂车车架进行参数化建模,装配模型如图2 所示。
图2 车架参数化建模
3 单元类型选择与网格剖分
车架的形状复杂,尺寸变化大,纵梁的板厚达到36mm,而宽度只有160mm。一般传统采用板壳单元对车架进行网格划分,但很明显,本车架不满足采用板壳单元形态要求,如果采用板壳单元计算精度会受到影响,但如果采用八面体单元或其它精度较高的实体单元,计算开销太大,这些单元也无法适应本模型的复杂程度。为此采用了能较好适应不规则形状而且能满足一定精度要求的曲棱四面体等参单元(solid92),如图3 所示。该单元是十节点二阶单元,每个节点具有x,y,z 三个方向的自由度。
图3 曲棱四面体等参单元
单元尺寸的确定综合考虑了计算精度和计算开销等因素,对于纵梁和牵引座等厚大件采用了较大的单元尺寸,而对横梁和其他较薄的零件采用了较小的单元尺寸,自动网格划分后手工对过渡区域进行处理。划分后车架的单元数量为365487,PIII/256M 以上微机在三个小时内可以完成一个工况的解算工作。
图4 车架单元划分(局部)
4 各工况有限元计算分