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重型載貨車在公路運(yùn)輸中占有很大的份額，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的長(zhǎng)途貨運(yùn)幾乎都是由重型載貨車來(lái)完成的。重型載貨車的車架不僅承擔(dān)發(fā)動(dòng)機(jī)，底盤和掛車以及載貨的質(zhì)量，而且還要承受汽車行駛過(guò)程中所產(chǎn)生的各種力和力矩，因此，其可靠性不僅關(guān)系到整車能否正常行駛，而且還關(guān)系到整車的安全性。隨著現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)要求的日益提高，將有限元分析運(yùn)用于車架設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一種必然的趨勢(shì)。本研究以某重型載貨車車架為研究對(duì)象，在有限元分析理論基礎(chǔ)上，運(yùn)用有限元分析軟件MSC.Nastran，分析了不同狀態(tài)下車架結(jié)構(gòu)的靜彎強(qiáng)度和剛度特性，同時(shí)分析了車架的模態(tài)特性。
某重型載貨車車架邊梁式結(jié)構(gòu)幾何模型，主要由2根主縱梁和9根橫梁組成，橫梁與縱梁采用鉚釘連接。該車采用8X4結(jié)構(gòu)型式，雙前橋轉(zhuǎn)向，雙后橋驅(qū)動(dòng)。前橋通過(guò)普通鋼板彈簧與車架相連，后橋通過(guò)平衡懸架與車架相連，平衡懸架2個(gè)推力桿支座為整體式支撐方式。該車架前懸1412mm，軸距(1900+4425+1350)mm，后懸2310mm，采用的是雙層板，厚度為(8+5)mm。該重型載貨車車架的主縱梁和副縱梁的材料是355鋼材，材料的物理性能為：彈性模量為210GPa，泊松比為0.31，伸長(zhǎng)率為6%，斷面收縮率為40%沖擊功為39J；材料的機(jī)械性能為：屈服強(qiáng)度355MPa，抗拉強(qiáng)度500MPa，最大抗拉強(qiáng)度600Mpa。鋼板彈簧的剛度系數(shù)為：前鋼板彈簧的垂直剛度系數(shù)kf=268N/mm，后鋼板彈簧的垂直剛度系數(shù)kt=1780N/mm。在對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜彎強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，主要分為三種形式：光車架、裝前懸架、裝前、后懸架。
對(duì)于車架載荷，在計(jì)算過(guò)程中，中部加載質(zhì)量(光車架3342kg，裝前懸架3321kg，裝后懸架1861kg)平均分配到加載處的各單元上。車架邊界條件和網(wǎng)格劃分，圖為光車架應(yīng)力應(yīng)變分布圖分別為車架縱梁上翼面和下翼面關(guān)鍵點(diǎn)位應(yīng)力計(jì)算值及與試驗(yàn)值的誤差。由圖可以看出，車架縱梁上翼面和下翼面關(guān)鍵點(diǎn)位應(yīng)力計(jì)算值除個(gè)別點(diǎn)位(4140和3770點(diǎn))超差之外均符合要求。由圖可以看出，車架縱梁翼面和下翼面關(guān)鍵點(diǎn)位值除個(gè)別點(diǎn)位(拉翼面738x，下冀面865和1655點(diǎn))超差之外均符合要求。
車架縱梁上翼面和下翼面關(guān)鍵點(diǎn)位應(yīng)力計(jì)算值均符合要求。有限元計(jì)算應(yīng)力值及與試驗(yàn)值對(duì)比分析表明，有限元分析模型是正確的，可以用于后續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)分析。對(duì)車架進(jìn)行靜彎剛度分析時(shí)，主要分析了車架縱梁上各點(diǎn)的位移，以及加載點(diǎn)不同時(shí)的光車架剛度。
本研究分析車架的自由模態(tài)，即沒有約束條件的自由狀態(tài)下的模態(tài)特性分析，所以采取去除先前模型中模擬懸架的彈簧單元和剛性連接單元，只保留車架的總成并不加約束。在進(jìn)行模態(tài)分析之前，對(duì)模型作如下修正：(1)調(diào)整有限元模型中的網(wǎng)格劃分。對(duì)誤差較大的部件，將其網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，從而提高計(jì)算精度。(2)檢查螺栓或鉚釘?shù)倪B接處是否存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于本研究采用了剛性連接模擬螺栓和鉚釘?shù)倪B接，忽略了螺母的預(yù)緊力和鉚釘?shù)倪^(guò)盈配合等因素。因此若出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)在螺栓孔的周圍適當(dāng)添加一些剛性連接。(3)分析模型中的最大應(yīng)力是否合理。若最大應(yīng)力出現(xiàn)在載荷的加載處，應(yīng)將載荷分散加載，避免載荷加在某一個(gè)單元或很少的幾個(gè)單元上。若最大應(yīng)力出現(xiàn)在零部件的連接和裝配處，應(yīng)檢查是否有漏連和錯(cuò)連的現(xiàn)象。運(yùn)動(dòng)方程包含了質(zhì)量、剛度、阻尼幾個(gè)部分。以往進(jìn)行有限元模態(tài)分析時(shí)因計(jì)算機(jī)計(jì)算能力限制，一般把車架的質(zhì)量以及附件的質(zhì)量都以載荷的形式平均到節(jié)點(diǎn)上來(lái)模擬，這種假設(shè)對(duì)于求靜態(tài)強(qiáng)度還是可以的，但對(duì)于求解車架模態(tài)則不合適。因?yàn)檫@樣實(shí)際上是忽略了車架的質(zhì)量，會(huì)使車架的固有屬性發(fā)生改變。
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