农用运输车车架的有限元

摘 要本文以车型为黑豹380型农用车的车架为例,首先建立了该车架的有限元模型,然后利用ansys软件对车架进行静态分析,其中考虑到了车架的过弯、制动加速及垂直下落工况.最后对车架进行了模态分析,得到了车架的各阶固有频率和主振型.可以得出该车架的强度,刚度均满足使用要求.同时,分析结果为车架结构的改进设计提供了理论依据.

关 键 词农用运输车车架ansys静态分析模态分析

中图分类号：U270.1文献标识码：A

车架作为汽车的承载基体,安装着发动机、传动系、转向系、悬架、驾驶室、货厢等有关部件和总成,承受着传递给它的各种力和力矩.车架工作状态较为复杂,传统的数学方法很难准确地分析计算.采用有限元方法可以对车架的静动态特性进行较为准确的分析,从而使车架设计从经验设计进入到科学设计阶段.

1研究目的与方法

通过ANSYS对实验室的农用运输车车架进行静态,模态分析,对该产品的静动态强度性能做出分析评价,为该类型农用运输车的改型设计提供依据.本文研究方法：建立四轮运输车车架结构模型；车架离散化,建立车架的有限元模型；三种极限工况下的静态分析；模态分析,得出车架的固有频率和振型；对车架的整体性能做出分析与评价并提出优化思路.

2有限元模型的建立

2.1三维建模

黑豹380型农用车车架为边梁式车架.左右纵梁中后部设计有纵梁加强盒.左右纵梁为槽形截面,纵梁加强盒截面形状与纵梁相同.各横梁截面形状各异,除了液压油箱前（后）横梁壁厚为4mm外,其它各横梁壁厚均为5mm.整个车架结构在力学上可视为典型的薄壁结构,大梁板材为B-5.0/16MnL钢板.

CATIA三维建模有四个过程：（1）绘制纵梁,（2）绘制支架,（3）绘制横梁,（4）完成模型.把所有绘图中使用的曲线和平面都移到一个不用的图层,并将之隐藏.最后得到一个完整的模型.

2.2有限元建模

车架的有限元模型是进行车架分析的基础.有如下三个步骤：（1）将模型导入ANSYSWorkbench中的静力学模块,定义材料；（2）给模型划分网格,选择默认的六面体网格,尺寸20mm.（3）对模型施加固定约束,约束固定农用车板簧的四个固定轴.

3静态分析

通过有限元静力分析,可找到车架在各种工况下各零部件变形和应力的最大值以及分布情况,可此为依据,调整质量和刚度分布,使各部位的变形和受力情况尽量均衡,最大限度地降低材料用量,减轻自重,提高整车性能.对农用运输车,其工作环境较差,因此其静态分析极为重要,尤其在三种极限工况下的对该农用运输车进行了静态分析.

3.1过弯工况

将农用车各部件的质量对车架的作用向其在车架上的作用点简化为车架上集中载荷,车身质量与装载量之和对车架的作用按车身与车架的实际接触面积计算简化为车架上的均布载荷.根据该车型的参数,由得出作用在车架上的力,同时,对有限元分析模型上的8个支撑点作为约束.

过弯工况的应力分布如图1所示,车架的最大应力值116MPa出现在货仓安装点处,从图中可以看出车架在过弯工况下应力分布均匀,应力值远小于车架材料355MPa的许用应力.

图1：转弯工况

3.2制动工况

制动工况下的约束与转弯相同,载荷由F等于ma计算可得.从图2中可以看出最大应力为50MPa,远小于许用应力.

图2：制动工况应力分布

3.3垂直下落工况

由于农用运输车大多在道路情况复杂的农地行驶,经常会通过一些凹坑等地势较低的地方,故需对农用运输车在垂直下落进行讨论.检测设车辆意外飞跃2.8m的平台落地缓冲时间为0.5s,车头加人的质量为300Kg.通过计算得出固定车头的面受到7500N的力.最大应力为317.31MPa,小于许用应力.图3：垂直下落工况应力分布

3.4静态分析总结

对各种工况下计算得到的最大应力和设计允许的最大应力进行比较,分析结果可知,各种工况下的最大应力都在允许的范围内,因此,在三种工况下,静强度均满足设计要求.

4模态分析

4.1模态分析的重要性及过程

对黑豹380型农用车而言,其搭载了一台四冲程三缸柴油机,由于所使用的是三缸柴油机,这种由活塞往复惯性力引起的简谐激振较为突出,如果这些激励力的激振频率和车架的某一固有频率相吻合时,就会产生共振,往往会造成车架被破坏的危险.

对车架进行模态分析主要有以下步骤：（1）建立车架有限元模型；（2）施加边界条件和载荷（对于自由模态不施加约束条件）,定义分析类型和求解方法并提交求解器求解；（3）提取结果,进行可视化处理,对结果进行分析.

4.2模态分析计算与结果分析

本文所研究的车型为黑豹380型农用车,其搭载了一台四冲程三缸柴油机,发动机怠速转速830r/min.由公式（m为汽缸数）可知黑豹380发动机的怠速频率是20.75Hz.通过ansys可得车架的前十阶模态分析结果,第一至第十阶振型要发生共振的频率由下表可知：

表1各阶频率有限元模态计算的频率分析表明,该四轮车架发动机激励频率在怠速和额定速度下,始终小于车架的低阶固有频率,不会发生频率祸合,但高阶弹性模态频率会与发动机的怠速激励频率发生藕合,容易使车身整体产生短时间震动.

5结论

本文以有限元分析软件ANSYS为工具,对黑豹380车型的农用运输车车架进行限元分析,主要得出以下结论：

（1）建立正确的有限元模型是分析的关键,在不影响分析精度的情况下对模型进行必要的简化；网格划分应该根据不同结构进行梯度变化,合理控制网格的尺寸数量.

（2）在静态分析中,需进行多工况分析,才能保证分析的全面性.

（3）模态分析方法克服了静态方法的局限性,在性能校核中考虑了振动的因素,通过有限元动态分析提供的信息,可以研究汽车零部件或整车的振动情况,从而改进和提高汽车产品的质量.