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車(chē)架是重型汽車(chē)承載及保證車(chē)體正確運(yùn)動(dòng)的核心部件，也是核心的承力部件，重型汽車(chē)的大部分部件，如駕駛室、動(dòng)力總成、懸架、貨箱、舉升系統(tǒng)等都與車(chē)架直接相連，在汽車(chē)行駛過(guò)程中，車(chē)架會(huì)承受來(lái)自路面的沖擊載荷產(chǎn)生的彎矩和剪力，因此，為了汽車(chē)能夠正常行駛，必須保證車(chē)架具有足夠的強(qiáng)度。運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)及有限元分析模擬方法，可以有效的計(jì)算車(chē)架在各種行駛工況下的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和數(shù)值參考。
慣性釋放的原理是先計(jì)算不平衡外力作用下結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)(加速度)，通過(guò)慣性力構(gòu)造一個(gè)平衡的力系。它可以模擬非約束系統(tǒng)的靜態(tài)響應(yīng)。慣性釋放典型的應(yīng)用如模擬飛機(jī)的飛行、汽車(chē)在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的行駛以及衛(wèi)星在太空中的遨游。對(duì)于汽車(chē)、飛機(jī)、輪船等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，由于受設(shè)計(jì)載荷計(jì)算方法的限制，還有數(shù)值計(jì)算的累計(jì)誤差等原因，要得到一個(gè)絕對(duì)自平衡的力系是極其困難的。但可以通過(guò)靜、動(dòng)力平衡的方法構(gòu)造一個(gè)自平衡的力系。用有限解上式可得到各節(jié)點(diǎn)上為了維持平衡所需的節(jié)點(diǎn)加速度，進(jìn)而得到各節(jié)點(diǎn)的慣性力，把節(jié)點(diǎn)的慣性力作為外力再加到有限元單元的節(jié)點(diǎn)上，則可以構(gòu)造一個(gè)自平衡力系，計(jì)算中不必太強(qiáng)調(diào)邊界條件的施加。這種方法叫做“慣性釋放”。如果在車(chē)架結(jié)構(gòu)分析中引入慣性釋放的方法，可以去掉支座，從而消除約束點(diǎn)的反力對(duì)變形和應(yīng)力狀態(tài)的影響，有助于我們得到更加合理和符合實(shí)際情況的計(jì)算結(jié)果，有利于對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行更加合理的評(píng)估。
為了得到更好計(jì)算精度，在離散網(wǎng)格時(shí)遵循表一中的規(guī)則，同時(shí)控制全局三角形比例小于5%，殼網(wǎng)格的雅克比，所有網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比小于3。在裝配模型時(shí)，鏢栓連接采用rigids-Cbeam-rigids的連接方法，局部焊逢，采用Penta或ACM連接方式模擬。汽車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中需要承受各種載荷的作用，車(chē)架的受力情況更為復(fù)雜。為了能更準(zhǔn)確的模擬車(chē)架受力的真實(shí)狀況，在本車(chē)架有限元模擬計(jì)算中，動(dòng)力總成、駕駛室、油箱、附件等簡(jiǎn)化成集中質(zhì)量，加載至其重心處;裝載貨物等效成作用力，均勻的加載到貨箱地板上，而來(lái)自懸掛系統(tǒng)的作用力，則通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)軟件模擬，得到整車(chē)在不同工況時(shí)相應(yīng)連接點(diǎn)的六向力。最終完成的車(chē)架有限元模型如圖所示，分析中采用單位制：噸-毫米-牛頓-秒。主梁和主梁之間的間隙通過(guò)PGap單元模擬。
該車(chē)設(shè)計(jì)總質(zhì)量為80T，但由于該車(chē)型主要是針對(duì)礦山用自卸車(chē)市場(chǎng)而特定開(kāi)發(fā)的。為了評(píng)價(jià)該車(chē)架是否能滿足礦山使用要求，我們一共設(shè)計(jì)了22個(gè)極限工況來(lái)模擬汽車(chē)在日常工作中可能遇到的行車(chē)工況，具體工況如表所示：下面我們將分別對(duì)滿載水平彎曲工況、舉升卸貨，5度時(shí)貨物未正常卸貨工況進(jìn)行詳細(xì)的分析。水平彎曲工況模擬的是車(chē)輛在水平路面上勻速行駛或者是水平靜止的工況，此時(shí)車(chē)輛滿載100T。多體動(dòng)力學(xué)分析輸出車(chē)架與懸掛各連接點(diǎn)的作用力如表所示。
通過(guò)計(jì)算得到整個(gè)車(chē)架的vonMises應(yīng)力如圖所示。車(chē)架最大應(yīng)力為228.9MPa，其位置在油箱托架與車(chē)架的鏈接處，車(chē)架縱梁的最大應(yīng)力為187.8MPa，其位置在副車(chē)架與車(chē)架連接板處，如圖中的局部放大圖所示。卸載工況為自卸車(chē)特有的工況，也是自卸車(chē)最危險(xiǎn)的工況之一。自卸車(chē)在卸載時(shí)，由于貨物的含水量不同，貨物的流動(dòng)性也不一樣。這樣就會(huì)造成自卸車(chē)的貨箱舉升到一定角度時(shí)，貨物并未開(kāi)始離開(kāi)貨箱，此時(shí)整個(gè)貨物的質(zhì)量只作用在副車(chē)架的舉升支座和翻轉(zhuǎn)支座上。此時(shí)的車(chē)架的受力如圖所示。多休動(dòng)力學(xué)模型輸出各連接點(diǎn)的作用力如表三所示。通過(guò)計(jì)算得到整個(gè)車(chē)架的vonMises應(yīng)力如圖所示。車(chē)架最大應(yīng)力為445.6MPa，其位置在車(chē)架與尾橫梁連接處。
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