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重型卡车车架的强度无限次分析

发布于:2019-05-15 19:13
无限次分析

      车架是重型汽车承载及保证车体正确运动的核心部件,也是核心的承力部件,重型汽车的大部分部件,如驾驶室、动力总成、悬架、货箱、举升系统等都与车架直接相连,在汽车行驶过程中,车架会承受来自路面的冲击载荷产生的弯矩和剪力,因此,为了汽车能够正常行驶,必须保证车架具有足够的强度。运用多体动力学及无限次分析模拟方法,可以有效的计算车架在各种行驶工况下的应力应变响应,为后续的结构优化设计及结构轻量化设计提供理论依据和数值参考。
      惯性释放的原理是先计算不平衡外力作用下结构的运动(加速度),通过惯性力构造一个平衡的力系。它可以模拟非约束系统的静态响应。惯性释放典型的应用如模拟飞机的飞行、汽车在实验场的行驶以及卫星在太空中的遨游。对于汽车、飞机、轮船等复杂结构,由于受设计载荷计算方法的限制,还有数值计算的累计误差等原因,要得到一个绝对自平衡的力系是极其困难的。但可以通过静、动力平衡的方法构造一个自平衡的力系。用有限解上式可得到各节点上为了维持平衡所需的节点加速度,进而得到各节点的惯性力,把节点的惯性力作为外力再加到无限次单元的节点上,则可以构造一个自平衡力系,计算中不必太强调边界条件的施加。这种方法叫做“惯性释放”。如果在车架结构分析中引入惯性释放的方法,可以去掉支座,从而消除约束点的反力对变形和应力状态的影响,有助于我们得到更加合理和符合实际情况的计算结果,有利于对车架结构强度进行更加合理的评估。
      为了得到更好计算精度,在离散网格时遵循表一中的规则,同时控制全局三角形比例小于5%,壳网格的雅克比,所有网格的长宽比小于3。在装配模型时,镖栓连接采用rigids-Cbeam-rigids的连接方法,局部焊逢,采用Penta或ACM连接方式模拟。汽车在行进过程中需要承受各种载荷的作用,车架的受力情况更为复杂。为了能更准确的模拟车架受力的真实状况,在本车架无限次模拟计算中,动力总成、驾驶室、油箱、附件等简化成集中质量,加载至其重心处;装载货物等效成作用力,均匀的加载到货箱地板上,而来自悬挂系统的作用力,则通过多体动力学软件模拟,得到整车在不同工况时相应连接点的六向力。最终完成的车架无限次模型如图所示,分析中采用单位制:吨-毫米-牛顿-秒。主梁和主梁之间的间隙通过PGap单元模拟。
      该车设计总质量为80T,但由于该车型主要是针对矿山用自卸车市场而特定开发的。为了评价该车架是否能满足矿山使用要求,我们一共设计了22个极限工况来模拟汽车在日常工作中可能遇到的行车工况,具体工况如表所示:下面我们将分别对满载水平弯曲工况、举升卸货,5度时货物未正常卸货工况进行详细的分析。水平弯曲工况模拟的是车辆在水平路面上匀速行驶或者是水平静止的工况,此时车辆满载100T。多体动力学分析输出车架与悬挂各连接点的作用力如表所示。   
      通过计算得到整个车架的vonMises应力如图所示。车架最大应力为228.9MPa,其位置在油箱托架与车架的链接处,车架纵梁的最大应力为187.8MPa,其位置在副车架与车架连接板处,如图中的局部放大图所示。卸载工况为自卸车特有的工况,也是自卸车最危险的工况之一。自卸车在卸载时,由于货物的含水量不同,货物的流动性也不一样。这样就会造成自卸车的货箱举升到一定角度时,货物并未开始离开货箱,此时整个货物的质量只作用在副车架的举升支座和翻转支座上。此时的车架的受力如图所示。多休动力学模型输出各连接点的作用力如表三所示。通过计算得到整个车架的vonMises应力如图所示。车架最大应力为445.6MPa,其位置在车架与尾横梁连接处。


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