劉廣，楊俊青，王亞平，周志強(qiáng)，佟健宇

牽引車車架橫梁開裂分析及優(yōu)化改善

劉廣，楊俊青，王亞平，周志強(qiáng)，佟健宇

（東風(fēng)華神汽車有限公司，湖北 十堰 442000）

針對某牽引車車架橫梁開裂事件，使用Creo構(gòu)建整車三維模型，導(dǎo)入Hyperworks中進(jìn)行前處理網(wǎng)格劃分等，使用Optistruct進(jìn)行求解得出彎曲、制動(dòng)、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、扭轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)+轉(zhuǎn)彎工況等分析結(jié)果，將結(jié)果與實(shí)際開裂情況進(jìn)行了對比，結(jié)果表明在扭轉(zhuǎn)+轉(zhuǎn)彎工況下第三橫梁開裂，與分析結(jié)果一致，并提出橫梁優(yōu)化方案進(jìn)行求解，分析結(jié)果表明在扭轉(zhuǎn)+轉(zhuǎn)彎工況下，第二橫梁最大應(yīng)力值降低38.1%，第三橫梁最大應(yīng)力值降低64.3%，提出后續(xù)牽引車設(shè)計(jì)時(shí)橫梁優(yōu)化意見及注意事項(xiàng)。

牽引車；Hyperworks；橫梁開裂；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

前言

車架不但承擔(dān)發(fā)動(dòng)機(jī)、車身、底盤、貨物和乘客的質(zhì)量而且還承受汽車行駛時(shí)所產(chǎn)生的各種力和力矩。因此其可靠性不僅關(guān)系到整車能否正常運(yùn)行，而且還關(guān)系到整車安全性。以往的設(shè)計(jì)方法多通過經(jīng)驗(yàn)與類比來確定參數(shù)，其計(jì)算大且結(jié)果的可靠性不高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)已普遍采用有限元分析來解決這類問題。實(shí)踐證明，有限元法是一種有效的數(shù)值計(jì)算方法，其計(jì)算結(jié)果可作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原始判據(jù)及結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。[1-3]

本文針對某半掛牽引車車架橫梁開裂的問題，使用CAE分析的方法進(jìn)行了強(qiáng)度分析，提出優(yōu)化方案并校核，實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了優(yōu)化方案的正確性。

1 模型構(gòu)建

該半掛牽引車為6x4運(yùn)煤牽引車，經(jīng)過售后反饋車架橫梁開裂，使用Creo構(gòu)建整車三維模型如圖1所示。

圖1 整車三維模型

將整車數(shù)模保存為stp格式并導(dǎo)入Hyperworks中，車架采用10mm殼單元（shell）劃分網(wǎng)格，鑄件采用3mm四面體單元（solid）網(wǎng)格劃分。板簧采用彈簧單元（spring）構(gòu)建，懸架推力桿用1D單元模擬構(gòu)建，螺栓鉚釘?shù)炔捎胋ar單元連接，并將外掛件用Reb3抓取節(jié)點(diǎn)方式添加質(zhì)心（mass），構(gòu)建CAE分析模型如圖2所示。

圖2 CAE分析模型構(gòu)建

2 斷裂分析

2.1 工況及載荷施加

建立彎曲、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、扭轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)+轉(zhuǎn)彎一共6個(gè)工況如表1所示，施加掛車鞍座加載力如表2所示。

表1 工況構(gòu)建

表2 掛車鞍座載荷施加

2.2 分析結(jié)果

將車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行命名，如圖3所示：

圖3 車架結(jié)構(gòu)名稱

使用Optistruct進(jìn)行求解，得到六個(gè)工況下車架的最大應(yīng)力值及部位如表3所示。

表3 各工況下車架最大應(yīng)力值

如圖4所示，第一橫梁在扭轉(zhuǎn)+轉(zhuǎn)彎工況下鑄件圓孔處出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力值為308.7MPa，與實(shí)車斷裂部位一致。

如圖5所示，第二橫梁在扭轉(zhuǎn)+轉(zhuǎn)彎工況下，連接板附近圓孔處出現(xiàn)最大應(yīng)力值194.2MPa，與實(shí)車開裂部位一致。

圖5 第二橫梁應(yīng)力云圖與開裂圖片

如圖6所示，第三橫梁為K字形橫梁，在扭轉(zhuǎn)+轉(zhuǎn)彎工況下，橫梁上連接板折彎處出現(xiàn)最大應(yīng)力值665.7MPa，超出車架材質(zhì)DL510的最大屈服強(qiáng)度355MPa，與實(shí)車開裂部位一致。

圖6 第三橫梁應(yīng)力云圖與開裂圖片

如圖7所示，第四橫梁平衡懸架連接橫梁，在扭轉(zhuǎn)+轉(zhuǎn)彎工況下，下連接板折彎處出現(xiàn)最大應(yīng)力值272.7MPa，與實(shí)車開裂部位一致。

圖7 第四橫梁應(yīng)力云圖與開裂圖片

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與校核

為迅速解決車架橫梁開裂情況，將第二橫梁替換為圖8中所示的加強(qiáng)型橫梁，將第三橫梁結(jié)構(gòu)由K字梁改為拱形梁如圖9所示。

圖8 第二橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖9 第三橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

重新進(jìn)行六工況求解得出優(yōu)化前后各橫梁應(yīng)力云圖對比如圖10所示，具體優(yōu)化值如表4所示：

圖10 各橫梁優(yōu)化前后應(yīng)力云圖

表4 扭轉(zhuǎn)+轉(zhuǎn)彎工況優(yōu)化前后各橫梁最大應(yīng)力值

由圖10與表4得知，第二橫梁改為加強(qiáng)型橫梁后，強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，強(qiáng)度變化量為38.1%，第三橫梁由K字形橫梁修改為拱形梁后強(qiáng)度提升明顯，變化量達(dá)64.3%，車架整體在扭轉(zhuǎn)+轉(zhuǎn)彎工況下的強(qiáng)度得到了明顯的提升。

4 結(jié)論

本文采用Creo，Hyperworks聯(lián)合仿真的方式，對某牽引車車架斷裂進(jìn)行了強(qiáng)度校核。在Creo中完成整車模型的繪制，Hyperworks中完成了網(wǎng)格劃分等前處理工作，并構(gòu)建了彎曲、制動(dòng)、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、扭轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)+轉(zhuǎn)彎，一共六個(gè)工況，得出的分析結(jié)果與實(shí)際開裂部位一致驗(yàn)證了方法可行性，并提出橫梁優(yōu)化方案，再次進(jìn)行分析求解，結(jié)論如下：

（1）本牽引車前期設(shè)計(jì)存在缺陷，扭轉(zhuǎn)剛度較差，初始開裂部位為第三橫梁處，分析結(jié)果與實(shí)車開裂位置一致，驗(yàn)證了本方法的可行性。

（2）優(yōu)化方案為將第二橫梁替換為加強(qiáng)型橫梁，分析結(jié)果表明強(qiáng)度提升較好，橫梁最大應(yīng)力值從194MPa降低為120MPa，變化量為38.1%；將第三橫梁結(jié)構(gòu)由K字梁改為拱形梁，分析結(jié)果表明強(qiáng)度提升較好，橫梁最大應(yīng)力值從665.7MPa降低為237MPa，變化量為64.3%；且第一橫梁，第五橫梁強(qiáng)度均有提升，說明該方案可行性較強(qiáng)。

（3）由本次分析可得知牽引車車架結(jié)構(gòu)中，第三橫梁及第二橫梁承擔(dān)了車架主要的扭轉(zhuǎn)載荷，應(yīng)當(dāng)予以重視，特別是第三橫梁在后續(xù)開發(fā)時(shí)應(yīng)當(dāng)采用拱形梁結(jié)構(gòu)，K字形橫梁由于結(jié)構(gòu)缺陷，承載能力較差，應(yīng)當(dāng)避免使用。并且后續(xù)車架橫梁的設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)優(yōu)化橫梁連接板的寬度，并增加連接板螺栓數(shù)量，提高橫梁強(qiáng)度避免后續(xù)開裂現(xiàn)象再發(fā)。

[1] 劉廣,周志強(qiáng),李文君,王亞平,佟健宇.商用車轉(zhuǎn)向器支架斷裂分析及輕量化[J].汽車文摘,2020(06):53-56.

[2] Muhaemin M,Koike M and Takigawa T.Studies on Aluminumr Made Chassistype Frame Model of a Tractor I:Comparative Stat-ic Streng -th Analysis and Mass Reduction. Transactions of the ASAE,1999.

[3] Muhaemin M,Koike M and Takigawa Tet al. Studies on Alu-minumr Made Chassis-type Frame Model of a Tractor. I: Some Mechanical Features of a Modified Model. Transactions of the ASAE,1999,42 (5).

[4] 王若平,過豐,郭孔吉.基于HyperMesh的重型牽引車車架強(qiáng)度分析[J].機(jī)械制造,2016,54(12):31-35.

[5] 羅運(yùn),蘭鳳崇,陳吉清,張怡.結(jié)構(gòu)減重中車架橫梁上加強(qiáng)筋對局部應(yīng)力影響分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2010,27(03):68-70+74.

[6] 陳家瑞.汽車構(gòu)造(下)[M].北京:人民交通出版社,2006:183-185.

Analysis of cracks on the frame of tractor frame and optimization improvement

Liu Guang, Yang Junqing, Wang Yaping, Zhou Zhiqiang, Tong Jianyu

( DONGFENG VASOL MOTOR., Ltd., Hubei Shiyan 442000 )

In response to a crack in the frame of a tractor, build a 3D model of the entire vehicle using Creo, import into Hyperworks for preprocessing meshing, etc. Use Optistruct to solve the analysis results such as bending, braking, left turn, right turn, torsion, torsion + turn conditions, etc. Compare the results with actual cracking, the results show that the third beam is cracked under torsion + turning conditions, consistent with analysis results. And propose an optimization scheme for the beam, the analysis results show that under torsion + turning conditions, the maximum stress value of the second beam is reduced by 38.1%, the maximum stress value of the third beam is reduced by 64.3%, suggestions and considerations for beam optimization in subsequent tractor design.

Tractor; Hyperworks; Beam cracking; Structural optimization

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.007

U469.5+1

A

1671-7988(2021)03-24-03

U469.5+1

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1671-7988(2021)03-24-03

劉廣（1994.7-），男，初級工程師，CAE主任，就職于東風(fēng)華神汽車有限公司，研究方向：商用車零部件及車架CAE強(qiáng)度等。