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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(dòng)、橫向彎曲和水平菱形扭動(dòng)。負(fù)載彎曲和非水平扭動(dòng)對(duì)車架強(qiáng)度影響最大，經(jīng)常發(fā)生在汽車滿載時(shí)通過(guò)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(shí)質(zhì)量的慣性(即離心力)會(huì)使車身產(chǎn)生向彎外甩傾向，而輪胎的抓著力會(huì)和路面形成反作用力，兩股相對(duì)的力將車架橫向扭曲，水平菱形扭動(dòng)是指車輛行駛時(shí)，因?yàn)槁访婧托旭偳闆r的不同，每個(gè)車輪會(huì)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(gè)長(zhǎng)方形拉扯成一個(gè)菱形一樣。本研究針對(duì)某廠生產(chǎn)的半掛牽引車車架，利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行彎扭工況下的強(qiáng)度分析，并對(duì)車架進(jìn)行了一定的改進(jìn)，所做工作對(duì)生產(chǎn)廠家后續(xù)產(chǎn)品的研發(fā)有一定參考價(jià)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(zhǎng)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(guò)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(duì)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(duì)其做抽中面處理，然后通過(guò)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(gè)構(gòu)件上還存在過(guò)渡圓角，這些小的幾何細(xì)節(jié)對(duì)車架強(qiáng)度和剛度影響不大，卻會(huì)使網(wǎng)格劃分過(guò)多，網(wǎng)格質(zhì)量降低，從而導(dǎo)致計(jì)算量增大，計(jì)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(duì)導(dǎo)入的幾何模型做了局部修改和簡(jiǎn)化。為了得到更加準(zhǔn)確的車架有限元模型，對(duì)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(guò)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(jì)算模型有梁?jiǎn)卧Ｐ汀鍤卧Ｐ�、�?shí)體單元模型。最初對(duì)車架進(jìn)行有限元分析采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行離散，該方法具有模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用計(jì)算機(jī)資源較少、計(jì)算速度快、適合進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是建模誤差大、對(duì)形狀復(fù)雜的縱橫梁模擬能力差、計(jì)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(zhǎng)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(lái)建立有限元模型。相對(duì)于梁?jiǎn)卧Ｐ�，板殼單元模型在�?jì)算精度、應(yīng)力分析功能、對(duì)設(shè)計(jì)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(duì)于板殼單元模型，其建模工作量大，并且沒(méi)有單元實(shí)常數(shù)，不便于模型進(jìn)一步的改進(jìn)設(shè)計(jì)。
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