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自卸車工作環(huán)境復(fù)雜、行駛工況惡劣且承載質(zhì)量大，車架作為自卸車的承載基體，承受著汽車行駛過程中所產(chǎn)生的各種力和力矩。由于車架性能直接影響整車的安全性能，車架必須要有足夠的強(qiáng)度和剛度以抵抗外力引起的變形和破壞，需要對其進(jìn)行詳細(xì)的強(qiáng)度分析。
有限元分析方法作為一種先進(jìn)的分析手段，在車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計中發(fā)揮著越來越重要的作用。目前，有限元技術(shù)在車架分析中大多集中在有限元建模方法、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計困以及動態(tài)特性預(yù)測與分析等方面。本研究以某型工程專用重型自卸車車架為研究對象，建立車架結(jié)構(gòu)的有限元模型，并分析多工況下車架的受力情況，最后，針對車架結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)提出合理的改進(jìn)方案。
該TY型自卸車車架采用邊梁式主副一體式車架結(jié)構(gòu)，主要由2根縱梁、5根橫梁、管梁、連接板、加強(qiáng)筋以及翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等組成�？v梁采用直通梁，車架全長7557mm，寬為897mm。縱梁為工字型變截面結(jié)構(gòu)，前低后高，最大截面高度為370mm，車架結(jié)構(gòu)的三維模型如圖所示。本研究使用Hypermesh軟件建立整車的有限元模型，為了保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，建模時先設(shè)定單位制。長度單位為mm，力的單位為N，重力加速度g。車架總成所有零部件材料均采用L510，其力學(xué)性能如表所示。
早期的車架結(jié)構(gòu)分析受計算機(jī)水平的限制，通常采用梁單元模擬車架縱梁和橫梁等結(jié)構(gòu)，此類有限元模型能夠較好地反映出結(jié)構(gòu)的剛度特性，但卻無法準(zhǔn)確地反映出結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布狀況。由于該自卸車車架縱梁、橫梁以及各連接板均為一系列形狀復(fù)雜的薄壁型板材組成，故在Hypermesh中采用板殼單元對其進(jìn)行網(wǎng)格離散，能在保證分析結(jié)果精度的前提下適當(dāng)減小計算規(guī)模，車架翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、平衡軸和板簧座等部件采用四面體實(shí)體單元離散，車架各處連接螺栓和焊縫可采用剛性單元來模擬。
懸架結(jié)構(gòu)的模擬是車架有限元建模分析的關(guān)鍵所在。3根車橋均采用直徑為100的圓形截面梁單元模擬。前板簧剛度為450N/mm，采用彈簧單元來模擬，為了使計算分析中的車架支撐邊界符合實(shí)際情況，筆者將后鋼板彈簧(剛度4000N/mm)等效為一根等剛度水平放置的矩形截面梁，等效梁截面高H通過下式計算求得。為更加真實(shí)地反映自卸車車架的受力情況，建模時將輪胎的變形也考慮在內(nèi)。自卸車前、后輪胎均采用彈簧單元(Spring)模擬，前一橋輪胎平均剛度為1300N/mm，后一橋和后二橋輪胎平均輪胎剛度2600N/mm。前、后懸架簡化結(jié)構(gòu)如圖所示。車架承受的載荷包括自身載荷和有效載荷。自身載荷主要是車架自重、駕駛室900kg、發(fā)動機(jī)875kg、變速箱290kg、油箱435kg、蓄電池110kg等載荷，有效載荷主要指貨物質(zhì)量，該自卸車額定載重30t，但考慮到實(shí)際運(yùn)輸中車輛超載現(xiàn)象，所以分析時按45t進(jìn)行。
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