车架是汽车的重要组成部分，在汽车整车设计中占据着重要位置，车架结构设计历来为广大汽车厂商所重视。随着科技的进步，国际上汽车车架的开发和设计己由经验、类比、静态设计方法，进入建模、静动态分析、动态参数优化阶段，并向基于计算机平台的虚拟设计发展。国内车架设计，尤其是轿车、客车和载重货车车架设计仍以引进技术为主，车架分析和设计能力较低，与国外先进水平有较大差距。

本文以某汽车公司从欧洲引进的牵引车车架为研究对象，对该车架结构的基础应力进行分析了解，消化、吸收欧洲的先进技术并在此基础上进行自主创新设计。分析手段主要是通过建立正确的有限元分析模型，对车架进行典型工况的静态分析、模态分析和路面不平度引起的随机振动分析，以此了解车架的静态和动态特性，了解该车架的优越性能及其不足之处，为新车架的改型设计提供依据。

1 有限元分析模型的建立

该车架为边梁式[1]，由两根位于两边的纵梁和若干根横梁组成，用铆接或焊接方式将纵梁和横梁连接成坚固的刚性结构，纵梁上有鞍座，其结构如图1 所示。由于车架是由一系列薄壁件组成的结构，有限元模型采用壳单元离散能详细分析车架应力集中问题，可以真实反映车架纵、横梁连接情况，是目前常采用一种模型。该车架是多层结构，纵梁断面为槽形，各层间用螺栓或铆钉方式连接，这种结构与具有连续横截面的车架不同，其力的传递是不连续的。

图1 车架结构示意图

该车架长7m，宽约0.9m，包括双层纵梁、横梁、外包梁、背靠梁、鞍座、飞机板、铸铁加强板、发动机安装板、三角支撑板和后轴等部分组成。考虑到车架几何模型的复杂性，可在三维CAD 软件UG 里建立好车架的面模型，导入到Hypermesh 软件中进行网格划分等前置处理，然后提交到Ansys 解算。车架各层之间通过铆钉联接，可以用Hypermesh—connectors 中的bar 单元来模拟铆钉联接，对应的是ANSYS 的MPC 单元，因车架各层间既有拉压应力，又有剪应力，故MPC 的类型应选择Rigid Beam 方式。由于该车是多轴车，为超静定结构，为了得到车架结构的真实应力分布，必须考虑悬挂系统的变形情况。整个车架结构应力分析的有限元模型由车架有限元模型和悬挂系统等效有限元模型组成，其中纵横梁、加强板等为薄壁结构，以壳单元shell63 离散；钢板弹簧、轮胎以弹簧单元模拟；前悬弹簧的模型为在每边纵梁上采用2 个弹簧单元，每个弹簧单元通过MPC 与车架连接，后悬弹簧的模型为在每边纵梁上采用1 个弹簧单元与车架后轴连接。壳单元总数为46770 个，MPC 单元为1338 个，材料为欧洲高强度材料，杨氏模量为2E5MPa，泊松比0.3。网格划分后的局部模型如图2 所示。

图2 车架有限元模型的局部放大图