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重型載貨車在公路運輸中占有很大的份額，歐美等發(fā)達國家的長途貨運幾乎都是由重型載貨車來完成的。重型載貨車的車架不僅承擔發(fā)動機，底盤和掛車以及載貨的質(zhì)量，而且還要承受汽車行駛過程中所產(chǎn)生的各種力和力矩，因此，其可靠性不僅關系到整車能否正常行駛，而且還關系到整車的安全性。隨著現(xiàn)代汽車設計要求的日益提高，將有限元分析運用于車架設計已經(jīng)成為一種必然的趨勢。本研究以某重型載貨車車架為研究對象，在有限元分析理論基礎上，運用有限元分析軟件MSC.Nastran，分析了不同狀態(tài)下車架結構的靜彎強度和剛度特性，同時分析了車架的模態(tài)特性。
某重型載貨車車架邊梁式結構幾何模型，主要由2根主縱梁和9根橫梁組成，橫梁與縱梁采用鉚釘連接。該車采用8X4結構型式，雙前橋轉(zhuǎn)向，雙后橋驅(qū)動。前橋通過普通鋼板彈簧與車架相連，后橋通過平衡懸架與車架相連，平衡懸架2個推力桿支座為整體式支撐方式。該車架前懸1412mm，軸距(1900+4425+1350)mm，后懸2310mm，采用的是雙層板，厚度為(8+5)mm。該重型載貨車車架的主縱梁和副縱梁的材料是355鋼材，材料的物理性能為：彈性模量為210GPa，泊松比為0.31，伸長率為6%，斷面收縮率為40%沖擊功為39J；材料的機械性能為：屈服強度355MPa，抗拉強度500MPa，最大抗拉強度600Mpa。鋼板彈簧的剛度系數(shù)為：前鋼板彈簧的垂直剛度系數(shù)kf=268N/mm，后鋼板彈簧的垂直剛度系數(shù)kt=1780N/mm。在對車架結構進行靜彎強度計算時，主要分為三種形式：光車架、裝前懸架、裝前、后懸架。
對于車架載荷，在計算過程中，中部加載質(zhì)量(光車架3342kg，裝前懸架3321kg，裝后懸架1861kg)平均分配到加載處的各單元上。車架邊界條件和網(wǎng)格劃分，圖為光車架應力應變分布圖分別為車架縱梁上翼面和下翼面關鍵點位應力計算值及與試驗值的誤差。由圖可以看出，車架縱梁上翼面和下翼面關鍵點位應力計算值除個別點位(4140和3770點)超差之外均符合要求。由圖可以看出，車架縱梁翼面和下翼面關鍵點位值除個別點位(拉翼面738x，下冀面865和1655點)超差之外均符合要求。
車架縱梁上翼面和下翼面關鍵點位應力計算值均符合要求。有限元計算應力值及與試驗值對比分析表明，有限元分析模型是正確的，可以用于后續(xù)改進設計分析。對車架進行靜彎剛度分析時，主要分析了車架縱梁上各點的位移，以及加載點不同時的光車架剛度。
本研究分析車架的自由模態(tài)，即沒有約束條件的自由狀態(tài)下的模態(tài)特性分析，所以采取去除先前模型中模擬懸架的彈簧單元和剛性連接單元，只保留車架的總成并不加約束。在進行模態(tài)分析之前，對模型作如下修正：(1)調(diào)整有限元模型中的網(wǎng)格劃分。對誤差較大的部件，將其網(wǎng)格進行細化，從而提高計算精度。(2)檢查螺栓或鉚釘?shù)倪B接處是否存在應力集中現(xiàn)象。由于本研究采用了剛性連接模擬螺栓和鉚釘?shù)倪B接，忽略了螺母的預緊力和鉚釘?shù)倪^盈配合等因素。因此若出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，應在螺栓孔的周圍適當添加一些剛性連接。(3)分析模型中的最大應力是否合理。若最大應力出現(xiàn)在載荷的加載處，應將載荷分散加載，避免載荷加在某一個單元或很少的幾個單元上。若最大應力出現(xiàn)在零部件的連接和裝配處，應檢查是否有漏連和錯連的現(xiàn)象。運動方程包含了質(zhì)量、剛度、阻尼幾個部分。以往進行有限元模態(tài)分析時因計算機計算能力限制，一般把車架的質(zhì)量以及附件的質(zhì)量都以載荷的形式平均到節(jié)點上來模擬，這種假設對于求靜態(tài)強度還是可以的，但對于求解車架模態(tài)則不合適。因為這樣實際上是忽略了車架的質(zhì)量，會使車架的固有屬性發(fā)生改變。
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