基于Ansys Workbench對某軍用越野車架剛度的分析研究

王 磊

基于Ansys Workbench對某軍用越野車架剛度的分析研究

王 磊

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710020）

文章構(gòu)建了帶副梁槽形截面車架和矩形截面車架兩種車架模型，并運(yùn)用有限元對兩種車架進(jìn)行了剛度分析，并以分析結(jié)果為依據(jù)，為整車設(shè)計(jì)中車架設(shè)計(jì)與選型給予指導(dǎo)性建議。

有限元；車架；扭轉(zhuǎn)剛度

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-72-02

1 概述

在車輛行駛于不平路面時(shí)，不同結(jié)構(gòu)及截面形狀的車架，會(huì)對車載裝備的扭轉(zhuǎn)負(fù)載產(chǎn)生顯著影響。本文依據(jù)某軍用越野車底盤車架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用有限元法獲得不同車架的扭轉(zhuǎn)剛度，對比兩種截面形式車架的扭轉(zhuǎn)剛度，為車架的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)性建議。

2 車架模型建立與簡化

2.1 車架的模型參數(shù)

帶副車架槽形車架如圖1，在槽形車架上方通過側(cè)連接板及2條U型螺栓加裝副車架，在縱梁內(nèi)側(cè)有6mm內(nèi)腹板加強(qiáng)，從而提高車架扭轉(zhuǎn)剛度；橫梁兩端分別貼合于車架內(nèi)腹面。矩形車架如圖2，與槽形車架相比，剛性車架中段由兩根管梁代替第二拱形橫梁貫穿車架，最后端加裝槽形橫梁。

車架所用材料為510L，密度，彈性模量E=207GPa，泊松比μ=0.3，強(qiáng)度極限為510MPa，屈服極限為355MPa。車架參數(shù)如表1所示：

表1 車架參數(shù)表

圖1 帶副車架槽形車架結(jié)構(gòu)及其截面

圖2 矩形車架結(jié)構(gòu)及其截面

2.2 車架的簡化與離散化

為便于對模型分析，將模型簡化，忽略次要因素的影響，特作如下假設(shè)：

（1）車架力學(xué)模型中的縱梁和橫梁在扭轉(zhuǎn)前后始終保持直線狀態(tài)；

（2）車架與橫梁之間的連接為焊接與螺栓連接，所以車架與橫梁之間，以及車架上各連接件之間，都采用綁定接觸連接；

（3）略去為滿足構(gòu)造或使用要求而設(shè)置的次要桿件，僅保留車架的縱梁、橫梁及對剛度影響明顯的連接件；

（4）對于結(jié)構(gòu)上的臺(tái)肩、凹槽、開孔等對截面特性影響不大的特征予以忽略。

對簡化后的車架縱梁及連接橫梁采用板殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，將其中的鑄件采用實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，從而獲得離散化后的車架模型如圖3，4所示。

圖3 帶副車架槽形車架網(wǎng)格圖

圖4 矩形車架網(wǎng)格圖

3 車架扭轉(zhuǎn)剛度的對比

3.1 車架扭轉(zhuǎn)剛度理論

車架扭轉(zhuǎn)分析示意圖如圖5，F(xiàn)作用在車架前懸架支撐處以形成力偶，h為力偶作用下車架加載點(diǎn)的繞度，L 為作用力加載點(diǎn)與懸架限制點(diǎn)之間的距離，θ為扭轉(zhuǎn)載荷作用下形成的扭轉(zhuǎn)角。

圖5 車架扭轉(zhuǎn)分析示意圖

常用計(jì)算車架扭轉(zhuǎn)剛度的方法是不考慮車架軸距L計(jì)算的車架扭轉(zhuǎn)剛度Cp，并將前懸架支撐處的扭轉(zhuǎn)剛度作為車架的扭轉(zhuǎn)剛度。

式中Cp為扭轉(zhuǎn)剛度，Nm/o；θ為扭轉(zhuǎn)角度；h為繞度，m；T為扭矩，Nm；F為載荷，N；b為力臂，m。

3.2 扭轉(zhuǎn)工況邊界條件的設(shè)置

計(jì)算扭轉(zhuǎn)剛度，右前懸架位置限制Z方向和X方向的平移，限制繞Y和繞Z軸的旋轉(zhuǎn)；左后懸架位置限制Y方向和Z方向的平移，限制繞Y和繞Z軸的旋轉(zhuǎn)；在左前懸架位置延Z軸分別施加垂直向下的力F=20000N和F=10000N。

3.3 扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算

圖5 帶副車架槽形車架2T和1T載荷變形云圖

帶副車架槽形車架在20000N作用力下加載點(diǎn)變形量為13.015mm，力臂b=770mm，帶入式(1)得到柔性車架扭轉(zhuǎn)剛度為1.590×104；10000N下變形量為6.344mm，扭轉(zhuǎn)剛度為1.631×104。車架的變形量與載荷可視為線性關(guān)系，剛度采用均值1.611×104。

圖6 矩形車架2T和1T載荷變形云圖

剛性車架在20000N作用力下加載點(diǎn)變形量為5.267mm，帶入式(1)得到剛性車架扭轉(zhuǎn)剛度為3.929×104；10000N下變形量為2.651mm，扭轉(zhuǎn)剛度為3.903×104。車架變形量與載荷為線性關(guān)系，剛度采用3.916×104。矩形車架扭轉(zhuǎn)剛度是槽形車架的2.43倍，抗扭性能明顯提高。矩形斷面縱梁車架與傳統(tǒng)槽形斷面縱梁車架相比，具有更大的抗扭剛度。

4 結(jié)論

在通過不平路面時(shí)，相對帶副車架的槽形車架，采用矩形車架整車性能在以下幾個(gè)方面得到顯著改善：

a.能提高車架扭轉(zhuǎn)剛度，明顯降低車載裝備或系統(tǒng)承受的扭轉(zhuǎn)負(fù)載和扭轉(zhuǎn)變形量，降低對車載裝備或承載系統(tǒng)抗扭轉(zhuǎn)能力的要求；

b.能降低整車的重心高度，改善整車的側(cè)傾穩(wěn)定性；

c.改善整車性能的同時(shí)降低整車自重。

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A Study and Analysis for Stiffness of the Military off-road Vehicle Frame Based on Ansys Workbench

Wang Lei
( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi’an 710020 )

This paper constructs two frame model with vice beam for the channel section and the rectangular section. Based on the finite element, the stiffness about the two frame are analyzed, and according to the resulets of analysis, the guidance will be given for the choice and design of the frame.

finite element; frame; torsional stiffness

U467

A

1671-7988 (2017)16-72-02

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.026

王磊，就職于陜西重型汽車有限公司，汽車工程研究院，軍品研究所。