基于有限元分析的重型卡车车架铆钉应力精确计算法

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1、基于有限元分析的重型卡车车架铆钉应力精确计算法针对某秉型卡车在行驶过程中铆钉脱落的问题，提出基于右限元分析的车架及其连接铆钉应力计算方法.在对整体车架进行结构强度分析时，先用梁单元离散铆钉并进行线性分析，再对感兴趣的部分划分边界，建立详细的铆钉接触子模型，做非线性分析.通过施加边界条件和进行非线性求解，得到铆钉上详细的应力分布情况.由接触子模型计算得到的22颗铆钉应力值，符合秉型卡车在行驶过程中铆钉脱落的实际情况，表明该方法切实可行.深入分析22颗铆钉的应力情况，给出重型卡车车架铆钉的非线性计算结果与线性计算结果的比例因数0.285（铆

2、钉连接的板壳有应力集中处为0.35），为解决同类问题提供简单易行的方法.己关键词：重型卡车车架；铆钉；子模型；应力分析；有限元分析;ANSYS:U469.6；U463.32；0241.82A0引言重型卡车车架的纵梁、横梁及横梁连接板之间一般采用铆钉连接.但由于车架是其上所有零部件的支承骨架［1］，结构和受力工况复杂，在实际使用中还存在随机动态激励，导致车架动态响应和应力分布情况难以按传统方法确定，易产生设计隐患或缺陷［2-4］.如某厂生产的重型货车，50t货物加车身重量约60t，尽管采用铆钉连接达940处，但实际运行中仍出现大量断裂现象

3、.因此，如何保证铆钉能够承受大载荷是迫切需要解决的工程技术问题.针对秉型卡车铆钉脱落问题，本文用ANSYS提出1种基于有限元分析的车架及其连接铆钉应力计算的新方法.首先，对车架进行线性静态有限元分析；其次，通过子模型技术建立铆钉及其连接板件的详细有限元模型，进行非线性求解，获得更接近实际的铆钉应力；最后，通过对比线性与非线性分析中铆钉的应力，获取两者对应关系并简化计算，以节约计算成本.实践证明该方法可满足工程精度要求.1车架铆钉应力精确计算方法1.1车架有限元模型建立与验证车架采用纵梁式双层主副梁结构，主要巾主副梁、横梁、连接板、支撑板

4、和平衡座等组成.根据各零部件特点，对主副梁和横梁等薄壁件采用壳单元进行离散，对吊耳和平衡座等零部件采用体单元进行离散.综合考虑计算机的计算能力与工程精度要求，设定单元边长力15mm.车架各零部件的连接大多通过铆钉实现，如果所有铆钉均以体单元离散并考虑与周围连接件的接触关系，则成为1个大规模结构非线性分析问题，这是不现实的.为此，在模型中铆钉采用梁单元进行离散，梁单元的半径与实际铆钉一致.图1车架支撑方式为验证模型的正确性，分别对车架进行实验模态分析和存限元模态分析，并对结果进行对比.[5,6].图1为车架支撑方式，表1为实验模态与计算模

5、态的频率结果对比，图2〜4为实验模态与计算模态的振型结果对比图，这里只给出前3阶振型结果对比图.实验模态分析结果和存限元模态分析结果的对比表明：在频率方面，计算结果与实验结果的相对误差较小，其中第1，2,4,5,6和7阶相对误差小于2%，第8,9和10阶相对误差小于4%，第3阶相对误差小于7%;在振型方面，车架的前10阶计算结果与实验结果完全一致.这说明在车架的有限元分析中，对车架的主要零部件及其连接关系处理正确，该模型可以应用到其他分析中.在车架模态分析有限元模型的基础上，将货物、发动机、驾驶室和油箱等以质量单元的形式施加在其质心位置

6、；钢板弹簧和轮胎等简化为弹簧单元，并在节点位置进行约束及耦合处理，使之与实际的运动方式一致.表2为车架主要零部件和铆钉所用材料基本参数.建立的车架整体静强度分析存限元模型见图5.1.2车架整体结构应力计算载货汽车定型试验规程规定：样车必须以一定车速在各种道路上行驶一定里程.行驶时会出现匀速直线行驶（车架弯曲）、一轮悬空（车架扭转）、紧急制动和急速转弯4种工况.[7]本文只选取最为恶劣的扭转工况进行静强度分析.实践表明:汽车承受最恶劣的扭转工况一般发生在低速通过崎岖不平路面时.这时由于车速很低，惯性载荷很小，最大动载荷因数以不超过1.3为

7、宜[8],本文选取动载荷因数为1.2.在该工况下假设前一桥左轮、前二桥右轮、中桥左轮同时遇到凹坑，根据厂方提供的该车道路实验条件.•路面的凹坑深度、凸包高度均为160mm，宽度为940mm，则在相应车轮位置施加垂直于地面向下的160mm位移量即可模拟该工况.阁6为车架在该工况下满载时的应力分布云图（图中显示的应力为等效的vonMises应力），其计算公式为式中：ol，o2和o3为某点应力状态的3个主应力，MPa（以下同）.放大该区域外支撑板的应力分布见图7.图7表明，外支撑板前后铆钉处存在应力集中，其中第1颗和最后1颗铆钉附近板壳应力值

8、分别达到187.5MPa和220.7MPa,是外支撑板上应力的最大值.图8为横梁右连接板的应力分布云图，以及铆钉在板上的分布情况，可见，下板应力比上板应力大很多，说明主要是下板承载.下板应力普遍在60MPa