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某貨車制造廠生產(chǎn)的重型貨車，在正常使用過程中，特別是在建筑工地類似的路況較差的地方，車架使用過程中很容易出現(xiàn)車架疲勞破壞和斷裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了整車的使用壽命。利用ANSYS軟件對該車架進行了典型工況下的靜強度CAE分析，利用顯示動力學(xué)分析軟件LS-DYNA模擬了自試車場的典型路面上行駛時應(yīng)力變化情況，與實際情況進行對比，找出車架開裂的原因，并提出改進方案。
該車架由2根主縱梁、2根副縱梁、11根橫梁組成，滿載量為30 t。該車架的縱梁材料是汽車大梁的熱軋高強鋼16MnReL，其材料最小屈服強度340 Mpa。
對貨車進行有限元分析的過程中，目前通常采用二維板殼單元對幾何模型進行離散。在實際工程應(yīng)用中，由于車架是由一系列薄壁件組成的結(jié)構(gòu)，且形狀復(fù)雜，利用板殼單元進行離散，可以使分析結(jié)果更準(zhǔn)確。
車架上的聯(lián)接方式大多數(shù)為鉚釘和螺栓聯(lián)接，因此車架縱橫梁上存在大量孔，其中車架縱梁和橫梁之間、縱橫梁與加強板間以及縱梁和懸架前后吊耳間的孔對車架的分析結(jié)果會造成影響，其他的影響很小，所以在對車架模型進行幾何清理，僅保留半徑在20 mm以上的孔以及必要的鉚接孔。對于一些較小的或者不重要的螺栓孔、鉚接孔，進行簡化處理，采用剛性連接。
貨箱和車架之間的作用力是以集中力形式傳遞的，但并不是完全傳遞，而是與貨箱的剛度有關(guān)，為了計算的精確，建立副車架以及貨箱模型。
車架在正常工作時是由車輪通過鋼板板簧和懸架支撐的，這些部件在工作過程中特別是在滿載的情況下會有很大的變形，對車架有著不可忽略的影響，所以將它們看成是柔性的，用剛度相匹配的spring單元表示。車架所受的載荷主要來自3個方面：汽車自重和載重構(gòu)成的垂直彎曲載荷；道路不平引起的車架扭轉(zhuǎn)載荷；偏心力構(gòu)成的縱梁局部扭轉(zhuǎn)載荷。所以進行靜強度分析時主要考慮了2種工況：純彎曲工況和彎曲扭轉(zhuǎn)組合工況(簡稱彎扭工況)。
貨車滿載時作用于車架上的載荷包括動力總成、駕駛室、乘員以及貨物。在計算過程中，將車架質(zhì)量平均分配到各單元上，其余質(zhì)量分別分配到相應(yīng)的支撐點上：(1)動力總成質(zhì)量1180 kg；(2)駕駛室和乘員質(zhì)量950 kg；(3)其他附件質(zhì)量：蓄電池150kg，油箱360 kg；(4)承載貨物30000 kg。
車架的約束情況根據(jù)實際約束條件進行約束，將約束點確定在鋼板彈簧與車橋連接處。為了協(xié)調(diào)車體在運行過程中或者裝載情況下本身變形帶來的約束點在水平方向X和Y的相對運動，所以只對一約束點作全約束，其他約束點按位置分別釋放X或Y方向的位移約束。純彎曲工況所有的約束點都處在水平位置，故Z向全部約束。彎扭工況時，前一橋右輪胎被抬起160 mm，后橋左輪胎被抬起160 mm，在相對應(yīng)的約束點上將Z向約束值進行修改。
計算結(jié)果表明車架在2種工況下是安全的，每一處的應(yīng)力及應(yīng)變值都沒有超過許用的安全應(yīng)力及應(yīng)變值。由于該貨車在使用的過程中，車架縱梁的前端出現(xiàn)了斷裂的情況，所以這里將重點關(guān)注該處的應(yīng)力情況。
從彎曲工況和彎扭工況下的應(yīng)力云圖可以看出，在2種工況下的有限元分析結(jié)果應(yīng)力最大的地方與實際使用中過早出現(xiàn)裂紋的部位相吻合。還可以看出，車架在彎扭聯(lián)合工況下，應(yīng)力值達到225MPa，但遠小于材料的最小屈服強度340 MPa，因此靜態(tài)應(yīng)力不足以使車架在該處過早地產(chǎn)生裂紋，由此可以推斷，裂紋的過早產(chǎn)生不是由于結(jié)構(gòu)靜強度不足引起的，而應(yīng)該是由于汽車在行駛過程中所產(chǎn)生的動態(tài)交變應(yīng)力造成的。
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