作者：邹伯宏 詹军 王建新
来源：《专用汽车》 2010年第9期
邹伯宏1 詹军2 王建新1
ZOU Bo-hong et al
1．空军驻湖北地区军事代表室
湖北武汉430050
2．湖北三环汉阳特种汽车有限公司 湖北武汉430050
摘要：通过建模、加载、解算及后处理等一系列步骤获得了某专用底盘副车架的刚度，应用ANSYS软件对其进行了刚度分析，并提出了副车架结构设计存在的问题和改进的方向。
关键词：副车架ANSYS刚度分析
中图分类号：U463.32十4文献标识码：A文章编号：1004-0226(2010)09-0064-02
1前言
近几年来，以汽车底盘为依托的军事装备对底盘提出了更高的要求。但是专用底盘技术含量较高，研发周期长，制造难度大，一般为小批量甚至单件生产，因此研发及生产成本较高，质量保证能力不足。近年来，随着计算机辅助工程(CAE)融人设计过程，将有限元软件集成于CAD环境中，这对降低研发成本、缩短研制周期、实施优化设计、节省研制费用效果显著，有效地缓解了专用车研制和生产的矛盾。
下面以为某军用车辆研制的专用底盘为例，介绍ANSYS在底盘副车架刚度分析中的应用。根据对该专用设备工作情况的分析，要求专用底盘能够实现专用设备3600回转，且该专用底盘不仅要求有很高的刚强度，而且要保证重量轻、用料最省。为了确保结构的可靠性及系统的安全性和经济性，有必要对副车架进行刚强度分析和校核计算，以进一步完善和优化结构设计奠定基础。
2副车架的建模
2.1副车架的结构特点分析
副车架主要由两根箱型主梁、两根边梁和若干个横梁组成，全部采用焊接的方式连接。副车架设计为阶梯式结构，后部安装有固定垫圈与专用设备连接。为减轻车辆自重，在局部采用箱型结构，以提升作业区域的刚强度。作业过程中由四个支腿支撑，整个副车架采用对称结构。
2.2结构简化
根据车架的结构与工作特点，在建模时考虑了未来划分单元的密度和质量，在不影响精度的前提下对模型进行简化。简化步骤如下：a．忽略横梁上的线束孔；b．忽略副车架上供人行走的花纹铝板；c．忽略仅用于连接专用设备控制系统的小结构件。
2.3副车架模型的建立
虽然ANSYS软件提供了三维建模的功能，但是在建模的过程中一旦出现了问题或者遇到模型需要重新调整的情况，工作量将会非常大，因此利用ANSYS软件进行三维建模只适用于模型比较简单的情况。因此先利用UG软件对模型进行三维建模，再将模型导入ANSYS软件中，总成模型如图l所示。
3单元类型的选择
副车架主要采用Q345的板材焊接而成，弹性模量为2xl06 MPa，泊松比为0.3，密度为7.8×103 kg/m3，屈服强度为345 MPa，抗拉强度为510 MPa。网格划分时采用SHELL63弹性壳单元，具备弯曲和膜的特性，能承受平面内和法线方向的荷载。这个单元在节点上有六个自由度：分别为节点x，y，z方向的平动和绕节点x，y，z方向的旋转。它也具备了应力硬化和大变形的能力。
在进行网格划分时，单元尺寸的确定主要考虑计算精度和计算开销等因素，对于主要承载部位座圈处采用较小的单元尺寸，其余部位采用较大的单元尺寸，自动网格划分后过渡到手工划分，这样既可以保证计算精度，又缩短了计算时间。采用SHELL63单元划分的副车架模型如图2所示，共划分为141 592个单元，139 276个节点。
4边界条件的模拟及求解
4.1约束条件的模拟
对该副车架进行分析时，为了使数值解存在且唯一，系统要求必须消除结构的刚体位移，以保证结构总体刚度矩阵非奇异，因而必须考虑车架的约束情况，从而消除车架的刚体位移。实际工作过程是由两根支腿支撑，并且支腿自身的刚强度很大，认为工作过程中支腿的端面固定，在支腿的四个端面上加载位移约束，即约束端面的六个自由度。边界条件加载如图3所示。
汽车设计网 4.2受力情况模拟
客户对专用底盘的要求为座圈处的平面刚度必须达到2.8xl07 N／mm。由于材料在弹性阶段力和位移的变化呈线性关系，因此，受力情况不需要按实际情况进行加载，只需要计算在测试力作用情况下，反映出的刚度值大小。座圈的平面刚度分为水平和垂直方向的刚度，同时水平刚度计算分为两个方向：沿主纵梁方向的X甸和垂直于主纵梁腹板的方向的Z向。另外，Y向为垂直于座圈安装平面的方向。因此加载时，将lxl05 N的力以面载荷形式分别加载在座圈上平面和座圈内圆面。但由于内圆面是一个整面，因此将此内圆面分别按X和Z向进行切割，分别加载成X向和Z向的力，三种加载方式如图4～6所示。
4,3求解
按上述两种约束情况，分别对车架施加载荷，通过求解静力分析的控制方程即可求得结构在各节点的
位移向量U，同时也可得到各单元在各节点的应力d、单元所承受的载荷趿力矩M。静力分析控制方程如下：
[K][U]=[F]
式中，[K]为刚度矩阵：[U]为位移向量；[F]为载荷向量。
在ANSYS软件的后处理模块中导出x、y、Z-个方向的位移结果。其中X方向的位移最大值为0.216 mm，y方向的位移最大值3.41 mm，Z方向的位移最大值为1.148 mm。X、Y、Z方向的位移分别如图7～9所示。
5结束语
通过以上的计算和分析，可得到以下结论：a．该副车架的刚度可以满足客户的要求；b y方向的垂直刚度和客户要求的刚度接近，安全余量不大，因此可以通过增加座圈下部的加强筋，提升副车架的垂直刚度；c．X方向和Z方向的刚度余量都较大，可以适当较少边横梁的数量，以减轻底盘的自重，以提高车辆的经济性。
参考文献
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收稿日期：2010-07-06
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