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車架是重型汽車承載及保證車體正確運(yùn)動的核心部件，也是核心的承力部件，重型汽車的大部分部件，如駕駛室、動力總成、懸架、貨箱、舉升系統(tǒng)等都與車架直接相連，在汽車行駛過程中，車架會承受來自路面的沖擊載荷產(chǎn)生的彎矩和剪力，因此，為了汽車能夠正常行駛，必須保證車架具有足夠的強(qiáng)度。運(yùn)用多體動力學(xué)及有限元分析模擬方法，可以有效的計(jì)算車架在各種行駛工況下的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和數(shù)值參考。
慣性釋放的原理是先計(jì)算不平衡外力作用下結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(加速度)，通過慣性力構(gòu)造一個平衡的力系。它可以模擬非約束系統(tǒng)的靜態(tài)響應(yīng)。慣性釋放典型的應(yīng)用如模擬飛機(jī)的飛行、汽車在實(shí)驗(yàn)場的行駛以及衛(wèi)星在太空中的遨游。對于汽車、飛機(jī)、輪船等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，由于受設(shè)計(jì)載荷計(jì)算方法的限制，還有數(shù)值計(jì)算的累計(jì)誤差等原因，要得到一個絕對自平衡的力系是極其困難的。但可以通過靜、動力平衡的方法構(gòu)造一個自平衡的力系。用有限解上式可得到各節(jié)點(diǎn)上為了維持平衡所需的節(jié)點(diǎn)加速度，進(jìn)而得到各節(jié)點(diǎn)的慣性力，把節(jié)點(diǎn)的慣性力作為外力再加到有限元單元的節(jié)點(diǎn)上，則可以構(gòu)造一個自平衡力系，計(jì)算中不必太強(qiáng)調(diào)邊界條件的施加。這種方法叫做“慣性釋放”。如果在車架結(jié)構(gòu)分析中引入慣性釋放的方法，可以去掉支座，從而消除約束點(diǎn)的反力對變形和應(yīng)力狀態(tài)的影響，有助于我們得到更加合理和符合實(shí)際情況的計(jì)算結(jié)果，有利于對車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行更加合理的評估。
為了得到更好計(jì)算精度，在離散網(wǎng)格時遵循表一中的規(guī)則，同時控制全局三角形比例小于5%，殼網(wǎng)格的雅克比，所有網(wǎng)格的長寬比小于3。在裝配模型時，鏢栓連接采用rigids-Cbeam-rigids的連接方法，局部焊逢，采用Penta或ACM連接方式模擬。汽車在行進(jìn)過程中需要承受各種載荷的作用，車架的受力情況更為復(fù)雜。為了能更準(zhǔn)確的模擬車架受力的真實(shí)狀況，在本車架有限元模擬計(jì)算中，動力總成、駕駛室、油箱、附件等簡化成集中質(zhì)量，加載至其重心處;裝載貨物等效成作用力，均勻的加載到貨箱地板上，而來自懸掛系統(tǒng)的作用力，則通過多體動力學(xué)軟件模擬，得到整車在不同工況時相應(yīng)連接點(diǎn)的六向力。最終完成的車架有限元模型如圖所示，分析中采用單位制：噸-毫米-牛頓-秒。主梁和主梁之間的間隙通過PGap單元模擬。
該車設(shè)計(jì)總質(zhì)量為80T，但由于該車型主要是針對礦山用自卸車市場而特定開發(fā)的。為了評價(jià)該車架是否能滿足礦山使用要求，我們一共設(shè)計(jì)了22個極限工況來模擬汽車在日常工作中可能遇到的行車工況，具體工況如表所示：下面我們將分別對滿載水平彎曲工況、舉升卸貨，5度時貨物未正常卸貨工況進(jìn)行詳細(xì)的分析。水平彎曲工況模擬的是車輛在水平路面上勻速行駛或者是水平靜止的工況，此時車輛滿載100T。多體動力學(xué)分析輸出車架與懸掛各連接點(diǎn)的作用力如表所示。
通過計(jì)算得到整個車架的vonMises應(yīng)力如圖所示。車架最大應(yīng)力為228.9MPa，其位置在油箱托架與車架的鏈接處，車架縱梁的最大應(yīng)力為187.8MPa，其位置在副車架與車架連接板處，如圖中的局部放大圖所示。卸載工況為自卸車特有的工況，也是自卸車最危險(xiǎn)的工況之一。自卸車在卸載時，由于貨物的含水量不同，貨物的流動性也不一樣。這樣就會造成自卸車的貨箱舉升到一定角度時，貨物并未開始離開貨箱，此時整個貨物的質(zhì)量只作用在副車架的舉升支座和翻轉(zhuǎn)支座上。此時的車架的受力如圖所示。多休動力學(xué)模型輸出各連接點(diǎn)的作用力如表三所示。通過計(jì)算得到整個車架的vonMises應(yīng)力如圖所示。車架最大應(yīng)力為445.6MPa，其位置在車架與尾橫梁連接處。
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