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摘 要：本文将自卸车边梁式底盘车架作为研究对象，将中部断开后采取可靠的加长措施，进行适当的改装设计之后应用ANSYSWorkbench有限元分析软件开展受力分析，研究结果表明改装设计后的自卸车在承载能力方面表现出较大的提升，并且与车架材料的允许应力相比，实际承受的最大应力较小，该研究可以为自卸车底盘车架的优化设计提供有利的研究依据。
关键词：自卸车 底盘车架 有限元分析 改装设计
随着科学技术的进步，装卸机械化程度逐渐提高，货物运输更加合理，为了满足更多用户的需求，自卸车改装工作的意义突显出来。针对自卸车底盘改装工程而言，必须在加长车架的基础上，满足材料的强度和刚度要求，并能够承受更大的外界载荷。底盘改装过程中重点关注车架，同时在系统中加装千斤顶，通过油箱移位、横梁移位、气液管移位等方法提高系统的综合性能。
一、自卸车底盘车架改装设计方案
1.确定车架总体结构形式。
图1是边梁式底盘车架的典型结构。
传统边梁式车架前后宽度大致相同，在充分考虑纵梁中部所受弯矩情况后将中部断开，同时将其设计成和两端断面高度相等的形式，保证构成整体等强度梁。应用这种设计方法便于提高应力分布的均匀性，减轻结构自重，改装过程中在不同的纵梁上安装有多个便于连接其它机件的孔位。
2.选择纵梁材料。纵梁结构是底盘车架重要的承载部件，自卸车行驶过程中必然会受到较大的弯曲应力，本改装项目中采用平直槽型结构纵梁，材料经过专用热轧钢板冲压制成，构成主副梁形式，便于提高整体结构的刚性，材料为510L-GB/T 3273，应用过程中以国内外总质量相近的自卸车车架纵梁断面尺寸为依据，最终将纵梁断面尺寸设计为300mm×80mm×8mm。
3.加长主车架。改装过程中将驾驶室后端位置、后桥中心轴线位置对车架进行截割，以设计尺寸为标准增加底盘车架大梁的长度，并且所应用的材料必须与原来的车架材料相同，同时保证车架加长的部分和原车架可靠焊接。为了保证车架危险断面等高应力位置能够满足刚度和强度的要求，避免车架在同一个区间内截面尺寸变化过大，必须在车架纵梁焊接之后再应用加强板加强。加长改装过程中，保证加接的部分与车架结合位置连续焊接。
4.校核车架纵梁强度。
图2是自卸车受力分析情况。
图中G0表示设备自身的重力，Ge表示装载重力，在自卸车静止状态下，底盘车架需要承受自身重力、驾驶室重力和装载重力。
在分析底盘车架受力情况的基础上，可以将其简化成简支梁模型，如图3所示。
其中q表示均布载荷，M表示弯矩，Rf和Rf1表示支反力。
结合力矩的平衡条件可以计算出前支撑的反力作用，计算公式如下：
假设x表示计算截面和前支撑点之间的间距，此时x截面的弯矩可以采用下式计算：
M（x）=Rfx—（x+a）2—[c2—（Z—x）]2
对M（x）求导后可以求出最大弯矩点，即：
x=[Rf—+]/（+）
此时可以求出最大弯矩Mmax，以《机械设计手册》（GB5021-2010）为依据，将载荷系数k取为4.0，安全系数n取为1.4，因此可以知道在动载荷工况下的最大弯矩为：Mdmax=knMmax
针对槽形断面而言，断面系数计算为W=th（h+6b）/6，纵梁危险截面的最大应力计算为σ=Mdmax/W，如果危险断面的最大应力计算结果σ≤[σ]，此时可以判断底盘车架总量的改装设计满足使用要求。
二、计算实例
以型号为ZB3090侧翻自卸车底盘车架改装工程为例，表1列出改装前后的参数。
结合表1的数据可以知道，改装过程中将轴距加长500mm，装载质量增加1500kg，此时应用已有的校核公式对该车架进行校核，计算出最大弯矩点x=2088 mm，纵梁危险断面的最大应力为20. 947 MPa，与临界值360MPa相比较小，符合改装设计需求。
三、车架有限元分析
1.有限元模型。实际分析过程中需要重点考虑纵梁和横梁部分，这两部分是车架的重要受力结构，在忽略焊缝影响的条件下，对车架的主体结构进行建模分析。应用UG NX7.5建立模型将参数导入到ANSYS Workbench有限元分析软件中，应用六面体形式单元划分网格，将材料的弹性模量设置为E=2. 06 X 105MPa，泊松比设置为μ=0.3。构建出的车架有限元模型如图4所示。
2.载荷与约束。结合前文分析可知，车架上受到的作用力主要为设备的自身重量、驾驶室重量和装载重量。假设不同的载荷在作用区域内都均匀分布，结合车架不同部分所受的载荷和横截面积参数，计算出在驾驶室位置施加大小为0.049 MPa的均匀载荷，剩余部分施加大小为0. 155 MPa的均匀载荷。应用钢板弹簧连接车轮为车体提供良好的支撑作用，在静力分析过程中可以对弹簧的连接部分进行可靠的约束。实际计算结果表明，车箱后端出现较大的变形，最大变形量为1.5 mm，车架的中间段出现最大应力，最大应力值为139.44 MPa，远小于允许值360 MPa，说明车架的强度满足使用要求。值得注意的是，车架应力强度的计算都是建立在纵梁模型的简化图基础上的，无法深入研究横量部分，计算出的结果可能与实际结果存在偏差，但都会在允许的偏差范围内，在设计过程中必须重点考虑纵梁和横梁连接位置的应力集中。
四、结语
自卸车在工业化生产中发挥着重要的作用，本文以自卸车底盘车架改装设计为例，加长了主车架，借助ANSYS有限元分析软件对改装后的结构进行了探究。研究过程中发现，举升缸支架的位置将会出现较大的应力分布，应力值远小于固有材料的屈服极限，满足使用要求，实际应用中车架后部出现最大变形，变形量为1.5 mm，在允许的范围内。总之，本文的研究结果可以为车架的优化设计提供理论研究依据。
参考文献：
[1]江灏源.自卸车改装全自动液压密封盖系统方案设计[J].华中科技大学学报（机械自动化设计），2011，（15）：112.
[2]张斌锋.自卸车标准化设计与研究[J].机械设计与应用导刊（2011上旬版），2011，41（z8）：136.
作者簡介：张新春（1978—），男，山东省淄博市，助理工程师，现主要从事商用车、专用汽车设计。
关键词：自卸车 底盘车架 有限元分析 改装设计
随着科学技术的进步，装卸机械化程度逐渐提高，货物运输更加合理，为了满足更多用户的需求，自卸车改装工作的意义突显出来。针对自卸车底盘改装工程而言，必须在加长车架的基础上，满足材料的强度和刚度要求，并能够承受更大的外界载荷。底盘改装过程中重点关注车架，同时在系统中加装千斤顶，通过油箱移位、横梁移位、气液管移位等方法提高系统的综合性能。
一、自卸车底盘车架改装设计方案
1.确定车架总体结构形式。
图1是边梁式底盘车架的典型结构。
传统边梁式车架前后宽度大致相同，在充分考虑纵梁中部所受弯矩情况后将中部断开，同时将其设计成和两端断面高度相等的形式，保证构成整体等强度梁。应用这种设计方法便于提高应力分布的均匀性，减轻结构自重，改装过程中在不同的纵梁上安装有多个便于连接其它机件的孔位。
2.选择纵梁材料。纵梁结构是底盘车架重要的承载部件，自卸车行驶过程中必然会受到较大的弯曲应力，本改装项目中采用平直槽型结构纵梁，材料经过专用热轧钢板冲压制成，构成主副梁形式，便于提高整体结构的刚性，材料为510L-GB/T 3273，应用过程中以国内外总质量相近的自卸车车架纵梁断面尺寸为依据，最终将纵梁断面尺寸设计为300mm×80mm×8mm。
3.加长主车架。改装过程中将驾驶室后端位置、后桥中心轴线位置对车架进行截割，以设计尺寸为标准增加底盘车架大梁的长度，并且所应用的材料必须与原来的车架材料相同，同时保证车架加长的部分和原车架可靠焊接。为了保证车架危险断面等高应力位置能够满足刚度和强度的要求，避免车架在同一个区间内截面尺寸变化过大，必须在车架纵梁焊接之后再应用加强板加强。加长改装过程中，保证加接的部分与车架结合位置连续焊接。
4.校核车架纵梁强度。
图2是自卸车受力分析情况。
图中G0表示设备自身的重力，Ge表示装载重力，在自卸车静止状态下，底盘车架需要承受自身重力、驾驶室重力和装载重力。
在分析底盘车架受力情况的基础上，可以将其简化成简支梁模型，如图3所示。
其中q表示均布载荷，M表示弯矩，Rf和Rf1表示支反力。
结合力矩的平衡条件可以计算出前支撑的反力作用，计算公式如下：
假设x表示计算截面和前支撑点之间的间距，此时x截面的弯矩可以采用下式计算：
M（x）=Rfx—（x+a）2—[c2—（Z—x）]2
对M（x）求导后可以求出最大弯矩点，即：
x=[Rf—+]/（+）
此时可以求出最大弯矩Mmax，以《机械设计手册》（GB5021-2010）为依据，将载荷系数k取为4.0，安全系数n取为1.4，因此可以知道在动载荷工况下的最大弯矩为：Mdmax=knMmax
针对槽形断面而言，断面系数计算为W=th（h+6b）/6，纵梁危险截面的最大应力计算为σ=Mdmax/W，如果危险断面的最大应力计算结果σ≤[σ]，此时可以判断底盘车架总量的改装设计满足使用要求。
二、计算实例
以型号为ZB3090侧翻自卸车底盘车架改装工程为例，表1列出改装前后的参数。
结合表1的数据可以知道，改装过程中将轴距加长500mm，装载质量增加1500kg，此时应用已有的校核公式对该车架进行校核，计算出最大弯矩点x=2088 mm，纵梁危险断面的最大应力为20. 947 MPa，与临界值360MPa相比较小，符合改装设计需求。
三、车架有限元分析
1.有限元模型。实际分析过程中需要重点考虑纵梁和横梁部分，这两部分是车架的重要受力结构，在忽略焊缝影响的条件下，对车架的主体结构进行建模分析。应用UG NX7.5建立模型将参数导入到ANSYS Workbench有限元分析软件中，应用六面体形式单元划分网格，将材料的弹性模量设置为E=2. 06 X 105MPa，泊松比设置为μ=0.3。构建出的车架有限元模型如图4所示。
2.载荷与约束。结合前文分析可知，车架上受到的作用力主要为设备的自身重量、驾驶室重量和装载重量。假设不同的载荷在作用区域内都均匀分布，结合车架不同部分所受的载荷和横截面积参数，计算出在驾驶室位置施加大小为0.049 MPa的均匀载荷，剩余部分施加大小为0. 155 MPa的均匀载荷。应用钢板弹簧连接车轮为车体提供良好的支撑作用，在静力分析过程中可以对弹簧的连接部分进行可靠的约束。实际计算结果表明，车箱后端出现较大的变形，最大变形量为1.5 mm，车架的中间段出现最大应力，最大应力值为139.44 MPa，远小于允许值360 MPa，说明车架的强度满足使用要求。值得注意的是，车架应力强度的计算都是建立在纵梁模型的简化图基础上的，无法深入研究横量部分，计算出的结果可能与实际结果存在偏差，但都会在允许的偏差范围内，在设计过程中必须重点考虑纵梁和横梁连接位置的应力集中。
四、结语
自卸车在工业化生产中发挥着重要的作用，本文以自卸车底盘车架改装设计为例，加长了主车架，借助ANSYS有限元分析软件对改装后的结构进行了探究。研究过程中发现，举升缸支架的位置将会出现较大的应力分布，应力值远小于固有材料的屈服极限，满足使用要求，实际应用中车架后部出现最大变形，变形量为1.5 mm，在允许的范围内。总之，本文的研究结果可以为车架的优化设计提供理论研究依据。
参考文献：
[1]江灏源.自卸车改装全自动液压密封盖系统方案设计[J].华中科技大学学报（机械自动化设计），2011，（15）：112.
[2]张斌锋.自卸车标准化设计与研究[J].机械设计与应用导刊（2011上旬版），2011，41（z8）：136.
作者簡介：张新春（1978—），男，山东省淄博市，助理工程师，现主要从事商用车、专用汽车设计。