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某貨車制造廠生產(chǎn)的重型貨車，在正常使用過程中，特別是在建筑工地類似的路況較差的地方，車架使用過程中很容易出現(xiàn)車架疲勞破壞和斷裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了整車的使用壽命。利用ANSYS軟件對該車架進(jìn)行了典型工況下的靜強(qiáng)度CAE分析，利用顯示動(dòng)力學(xué)分析軟件LS-DYNA模擬了自試車場的典型路面上行駛時(shí)應(yīng)力變化情況，與實(shí)際情況進(jìn)行對比，找出車架開裂的原因，并提出改進(jìn)方案。
該車架由2根主縱梁、2根副縱梁、11根橫梁組成，滿載量為30 t。該車架的縱梁材料是汽車大梁的熱軋高強(qiáng)鋼16MnReL，其材料最小屈服強(qiáng)度340 Mpa。
對貨車進(jìn)行有限元分析的過程中，目前通常采用二維板殼單元對幾何模型進(jìn)行離散。在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于車架是由一系列薄壁件組成的結(jié)構(gòu)，且形狀復(fù)雜，利用板殼單元進(jìn)行離散，可以使分析結(jié)果更準(zhǔn)確。
車架上的聯(lián)接方式大多數(shù)為鉚釘和螺栓聯(lián)接，因此車架縱橫梁上存在大量孔，其中車架縱梁和橫梁之間、縱橫梁與加強(qiáng)板間以及縱梁和懸架前后吊耳間的孔對車架的分析結(jié)果會(huì)造成影響，其他的影響很小，所以在對車架模型進(jìn)行幾何清理，僅保留半徑在20 mm以上的孔以及必要的鉚接孔。對于一些較小的或者不重要的螺栓孔、鉚接孔，進(jìn)行簡化處理，采用剛性連接。
貨箱和車架之間的作用力是以集中力形式傳遞的，但并不是完全傳遞，而是與貨箱的剛度有關(guān)，為了計(jì)算的精確，建立副車架以及貨箱模型。
車架在正常工作時(shí)是由車輪通過鋼板板簧和懸架支撐的，這些部件在工作過程中特別是在滿載的情況下會(huì)有很大的變形，對車架有著不可忽略的影響，所以將它們看成是柔性的，用剛度相匹配的spring單元表示。車架所受的載荷主要來自3個(gè)方面：汽車自重和載重構(gòu)成的垂直彎曲載荷；道路不平引起的車架扭轉(zhuǎn)載荷；偏心力構(gòu)成的縱梁局部扭轉(zhuǎn)載荷。所以進(jìn)行靜強(qiáng)度分析時(shí)主要考慮了2種工況：純彎曲工況和彎曲扭轉(zhuǎn)組合工況(簡稱彎扭工況)。
貨車滿載時(shí)作用于車架上的載荷包括動(dòng)力總成、駕駛室、乘員以及貨物。在計(jì)算過程中，將車架質(zhì)量平均分配到各單元上，其余質(zhì)量分別分配到相應(yīng)的支撐點(diǎn)上：(1)動(dòng)力總成質(zhì)量1180 kg；(2)駕駛室和乘員質(zhì)量950 kg；(3)其他附件質(zhì)量：蓄電池150kg，油箱360 kg；(4)承載貨物30000 kg。
車架的約束情況根據(jù)實(shí)際約束條件進(jìn)行約束，將約束點(diǎn)確定在鋼板彈簧與車橋連接處。為了協(xié)調(diào)車體在運(yùn)行過程中或者裝載情況下本身變形帶來的約束點(diǎn)在水平方向X和Y的相對運(yùn)動(dòng)，所以只對一約束點(diǎn)作全約束，其他約束點(diǎn)按位置分別釋放X或Y方向的位移約束。純彎曲工況所有的約束點(diǎn)都處在水平位置，故Z向全部約束。彎扭工況時(shí)，前一橋右輪胎被抬起160 mm，后橋左輪胎被抬起160 mm，在相對應(yīng)的約束點(diǎn)上將Z向約束值進(jìn)行修改。
計(jì)算結(jié)果表明車架在2種工況下是安全的，每一處的應(yīng)力及應(yīng)變值都沒有超過許用的安全應(yīng)力及應(yīng)變值。由于該貨車在使用的過程中，車架縱梁的前端出現(xiàn)了斷裂的情況，所以這里將重點(diǎn)關(guān)注該處的應(yīng)力情況。
從彎曲工況和彎扭工況下的應(yīng)力云圖可以看出，在2種工況下的有限元分析結(jié)果應(yīng)力最大的地方與實(shí)際使用中過早出現(xiàn)裂紋的部位相吻合。還可以看出，車架在彎扭聯(lián)合工況下，應(yīng)力值達(dá)到225MPa，但遠(yuǎn)小于材料的最小屈服強(qiáng)度340 MPa，因此靜態(tài)應(yīng)力不足以使車架在該處過早地產(chǎn)生裂紋，由此可以推斷，裂紋的過早產(chǎn)生不是由于結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度不足引起的，而應(yīng)該是由于汽車在行駛過程中所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)交變應(yīng)力造成的。
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