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汽車車架是發(fā)動機、底盤、車身各總成及專用車專用設(shè)施的安裝基礎(chǔ)和關(guān)鍵承載部件。基于有限元分析單元法的車架設(shè)計，可以在設(shè)計階段對車架的力學(xué)性能進行計算、分析及預(yù)測，對多種設(shè)計方案進行評估，從而為車架結(jié)構(gòu)的設(shè)計和改進提供理論依據(jù)。
現(xiàn)代重型貨車的車架一般都是由多層鋼結(jié)構(gòu)組成，在有限元分析中，如何模擬各層鋼結(jié)構(gòu)之間的接觸是車架有限元分析的重點和難點。早期的做法是將車架作為一個整體零件來處理，這樣處理與實際情況相比，有較大的誤差，在計算上大大地增加了整個車架結(jié)構(gòu)的剛性。目前大多采用某種等效的方法，雖然在一定程度上提高了分析精度，但這種方法往往取決于經(jīng)驗和技巧，特別是很難準(zhǔn)確確定相接觸梁所分擔(dān)的載荷而不能真實地反映車架各層鋼結(jié)構(gòu)之間的作用，要經(jīng)過反復(fù)試算才能得到較滿意的結(jié)果。
間隙偽單元(GAP單元)能較好地反映大面積接觸區(qū)域性的特點，提高其計算精度。用GAP單元模擬車架梁與梁之間的接觸不需要大量試算，可以降低對分析人員需有豐富經(jīng)驗的要求，提高分析效率。但是這方面研究在國內(nèi)外文獻(xiàn)中很少報道，為此采用GAP單元來模擬車架多層鋼結(jié)構(gòu)之間的接觸，并且進行試驗驗證，為含多層鋼結(jié)構(gòu)的車架有限元分析提供有效的方法。
以某汽車廠某型號重型貨車的車架為分析對象，建立有限元分析模型。該車架長為7.155m，寬為0.94 m，由2根縱梁和6根橫梁組成。考慮到車架模型的復(fù)雜性，首先在UG軟件里面建立車架的面模型，再導(dǎo)入到Hyperworks軟件進行離散和分析。車架縱梁和橫梁采用殼單元，對一些實體零件(如吊耳)選用實體單元，鋼板板簧采用梁單元和彈簧單元模擬。由于車架多處是由多層鋼結(jié)構(gòu)疊加鉚接或螺栓連接而成，在建立模型時用MPC(多點約束)模擬鉚接或螺栓連接，用GAP單元來模擬各個鋼結(jié)構(gòu)之間的接觸行為，所簡化的模型包含206516個節(jié)點，334980個單元，網(wǎng)格劃分后的模型如圖所示。
GAP單元是用來模擬接觸的三維間隙(GAP)單元，在未接觸區(qū)，它不影響分析對象的運動狀態(tài)，在接觸區(qū)域，GAP單元的法向剛度將變得足夠大以阻止接觸體相互侵入，為了表示接觸面上節(jié)點的位移和接觸力的關(guān)系，建立所示的局部坐標(biāo)系。GAP單元由GA，GB兩點構(gòu)成，其載荷-位移關(guān)系可由接觸面的法向分量和切向分量來描述。
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