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車架在實(shí)際環(huán)境下主要承受4種變形所產(chǎn)生的力，即負(fù)載彎曲、非水平扭動、橫向彎曲和水平菱形扭動。負(fù)載彎曲和非水平扭動對車架強(qiáng)度影響最大，經(jīng)常發(fā)生在汽車滿載時通過凹凸不平的路面且汽車車輪不在同一平面的情況，橫向彎曲發(fā)生在轉(zhuǎn)向工況，汽車在入彎時質(zhì)量的慣性(即離心力)會使車身產(chǎn)生向彎外甩傾向，而輪胎的抓著力會和路面形成反作用力，兩股相對的力將車架橫向扭曲，水平菱形扭動是指車輛行駛時，因?yàn)槁访婧托旭偳闆r的不同，每個車輪會承受不同的阻力和牽引力，使車架在水平方向上產(chǎn)生推拉以至變形，這種情況就好像將一個長方形拉扯成一個菱形一樣。本研究針對某廠生產(chǎn)的半掛牽引車車架，利用有限元分析軟件ANSYS對其進(jìn)行彎扭工況下的強(qiáng)度分析，并對車架進(jìn)行了一定的改進(jìn)，所做工作對生產(chǎn)廠家后續(xù)產(chǎn)品的研發(fā)有一定參考價值。
半掛牽引車車架采用邊梁式梯形結(jié)構(gòu)，如圖所示，主要由2根縱梁和6根橫梁(含元寶梁)組成。車架長5500mm，外寬860mm，高300mm，縱梁內(nèi)表面緊密貼合著厚度為5mm的襯梁，各梁截面均為槽型結(jié)構(gòu)。第5根橫梁和第6根橫梁通過連接板與縱梁相連，車架各構(gòu)件的連接方式為鉚接或螺栓連接車架結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，直接用ANSYS軟件的前處理功能建立其幾何模型較為困難，于是采用功能強(qiáng)大的三維建模軟件UG建立了車架的實(shí)體幾何模型并對其做抽中面處理，然后通過UG軟件和ANSYS軟件專用數(shù)據(jù)接口把處理好的面幾何模型導(dǎo)入ANSYS軟件中。
車架縱梁上有大量的裝配用孔，各個構(gòu)件上還存在過渡圓角，這些小的幾何細(xì)節(jié)對車架強(qiáng)度和剛度影響不大，卻會使網(wǎng)格劃分過多，網(wǎng)格質(zhì)量降低，從而導(dǎo)致計算量增大，計算精度降低。為滿足有限元分析需要，利用ANSYS軟件前處理功能對導(dǎo)入的幾何模型做了局部修改和簡化。為了得到更加準(zhǔn)確的車架有限元模型，對車架真實(shí)模型做了兩點(diǎn)假設(shè)，認(rèn)為車架材料是各向同性材料，密度分布均勻，并且車架始終在材料的彈性范圍內(nèi)工作，假定車架為理想狀態(tài)，不考慮材料的缺陷及焊接、加工、裝配過程中形成的殘余應(yīng)力。
在車架有限元分析中，常采用的有限元計算模型有梁單元模型、板殼單元模型、實(shí)體單元模型。最初對車架進(jìn)行有限元分析采用梁單元進(jìn)行離散，該方法具有模型結(jié)構(gòu)簡單、占用計算機(jī)資源較少、計算速度快、適合進(jìn)行動態(tài)分析等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是建模誤差大、對形狀復(fù)雜的縱橫梁模擬能力差、計算精度較低。
目前車架各構(gòu)件多采用薄壁梁，如槽鋼、工字鋼等，截面厚度與截面尺寸和構(gòu)件長度相比要小的多，可將車架各構(gòu)件看做由板殼組合而成，采用板殼單元來建立有限元模型。相對于梁單元模型，板殼單元模型在計算精度、應(yīng)力分析功能、對設(shè)計修改的反映能力等方面都有很大提高。實(shí)體單元模型非常直觀，精度最高，相對于板殼單元模型，其建模工作量大，并且沒有單元實(shí)常數(shù)，不便于模型進(jìn)一步的改進(jìn)設(shè)計。
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