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車架在實際環(huán)境下主要承受4種變形所產生的力，即負載彎曲、非水平扭動、橫向彎曲和水平菱形扭動。負載彎曲和非水平扭動對車架強度影響最大，經常發(fā)生在汽車滿載時通過凹凸不平的路面且汽車車輪不在同一平面的情況，橫向彎曲發(fā)生在轉向工況，汽車在入彎時質量的慣性(即離心力)會使車身產生向彎外甩傾向，而輪胎的抓著力會和路面形成反作用力，兩股相對的力將車架橫向扭曲，水平菱形扭動是指車輛行駛時，因為路面和行駛情況的不同，每個車輪會承受不同的阻力和牽引力，使車架在水平方向上產生推拉以至變形，這種情況就好像將一個長方形拉扯成一個菱形一樣。本研究針對某廠生產的半掛牽引車車架，利用有限元分析軟件ANSYS對其進行彎扭工況下的強度分析，并對車架進行了一定的改進，所做工作對生產廠家后續(xù)產品的研發(fā)有一定參考價值。
半掛牽引車車架采用邊梁式梯形結構，如圖所示，主要由2根縱梁和6根橫梁(含元寶梁)組成。車架長5500mm，外寬860mm，高300mm，縱梁內表面緊密貼合著厚度為5mm的襯梁，各梁截面均為槽型結構。第5根橫梁和第6根橫梁通過連接板與縱梁相連，車架各構件的連接方式為鉚接或螺栓連接車架結構相對復雜，直接用ANSYS軟件的前處理功能建立其幾何模型較為困難，于是采用功能強大的三維建模軟件UG建立了車架的實體幾何模型并對其做抽中面處理，然后通過UG軟件和ANSYS軟件專用數據接口把處理好的面幾何模型導入ANSYS軟件中。
車架縱梁上有大量的裝配用孔，各個構件上還存在過渡圓角，這些小的幾何細節(jié)對車架強度和剛度影響不大，卻會使網格劃分過多，網格質量降低，從而導致計算量增大，計算精度降低。為滿足有限元分析需要，利用ANSYS軟件前處理功能對導入的幾何模型做了局部修改和簡化。為了得到更加準確的車架有限元模型，對車架真實模型做了兩點假設，認為車架材料是各向同性材料，密度分布均勻，并且車架始終在材料的彈性范圍內工作，假定車架為理想狀態(tài)，不考慮材料的缺陷及焊接、加工、裝配過程中形成的殘余應力。
在車架有限元分析中，常采用的有限元計算模型有梁單元模型、板殼單元模型、實體單元模型。最初對車架進行有限元分析采用梁單元進行離散，該方法具有模型結構簡單、占用計算機資源較少、計算速度快、適合進行動態(tài)分析等優(yōu)點，缺點是建模誤差大、對形狀復雜的縱橫梁模擬能力差、計算精度較低。
目前車架各構件多采用薄壁梁，如槽鋼、工字鋼等，截面厚度與截面尺寸和構件長度相比要小的多，可將車架各構件看做由板殼組合而成，采用板殼單元來建立有限元模型。相對于梁單元模型，板殼單元模型在計算精度、應力分析功能、對設計修改的反映能力等方面都有很大提高。實體單元模型非常直觀，精度最高，相對于板殼單元模型，其建模工作量大，并且沒有單元實常數，不便于模型進一步的改進設計。
專業(yè)從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優(yōu)化│技術服務與解決方案
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