基於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，運輸車中多數零部件如：駕駛室，發動機，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生的各種力與力矩的影響，承載情況的複雜性要求車架必須有足夠的剛度和強度來避免其主體發生變形或者斷裂的現象，以保證其安全可靠性及使用壽命。但是，在以往的設計過程中，設計人員大多采用經驗公式進行計算，這種方法並不能精準的計算出車架各部件應力和形變。本文采用HyperWorks軟件對車架結構進行有限元分析，運用Radioss及OptiStuct求解器分析了車架的應力和位移形變分佈狀態及自由模態分析，利用分析結果驗證該車架設計的合理性，對後續的結構優化提供理論依據。

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，前後等寬，縱梁最大斷面尺寸為360mm×140mm×20mm，橫樑最大斷面尺寸為300mm×140mm×20mm，前後端橫樑為Π型槽鋼，中間橫樑為矩形截面型鋼，橫樑的長度為920mm。

實際中，車架的形狀結構複雜，支撐裝置和固定裝置多種多樣，除幾何形體不規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，就會導致網格的密度很大，單元尺寸極小，節點方程的數量龐大，因而增加求解時間，同時局部的網格質量無法保證，容易導致求解失真。因此，有必要對車架的結構進行合理的簡化，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後的車架結構進行實體建模，為了避免部分零件出現幾何缺陷或數據丟失的情況，我們通常將Pro/E中建立的模型保存為格式文件，把該格式文件直接導入HyperMesh中進行後續的網格劃分。

對實體模型進行網格劃分首先需要對網格單元定義屬性，其次定義網格的生成控制，最後劃分網格。其中網格的單元屬性包括網格單元類型，實常數以及材料特性。本文車架的材質選用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中的自動網格劃分功能對已建好的實體模型進行單元網格劃分，最後得到了車架有限元模型(如圖1所示)。使用HyperMesh中的count功能，可以得出其單元網格個數106472，節點個數53268。

2 車架靜態工況分析

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、操縱穩定性及某些基件的可靠性下降，然而其扭轉剛度不易過大，否則汽車的通過性變差。

運輸車在行駛過程中，在所有輪胎都着地情況下，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建約束點。對於本文中的車型，動力總成及滿載時的總質量為16t，將這部分總質量的以均勻分佈的方式加載到0～7000mm範圍內;駕駛室及乘員的總質量為1.3t，同樣以均勻分佈的方式將該部分總質量加載到7560mm～9440mm範圍內，這樣就對整個車架進行了全部加載。

3 車架模態分析

所謂模態分析，就是確定設計結構或機械零部件的振動特性，得到結構固有頻率和振型的過程，它是動態設計的核心。研究的是結構模態即自由模態，是結構本身的特性與材料特性所決定的，與外載條件等無關(即無需加任何載荷和約束)，而結構在任意初始條件及外載作用下的強迫振動都可以由結構按這些基本特性的強迫振動的線性組合構成。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分析。

4 結論

本文應用有限元分析法對運輸車車架進行了靜態應力和模態分析，通過靜態應力分析可知，在給予車架彎曲工況與扭轉工況的情況下，車架的最大應力值始終都小於車架的屈服應力值，説明該車架是符合設計要求的。但是由於扭轉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。由模態分析可知，車架的各低階模態的頻率值在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計提供重要的參數，為改進結構設計提供了理論依據，同時也為深入研究相關問題奠定基礎。