贺帅，巩丽琴

泰安航天特种车有限公司 山东泰安 271000

某型号特种汽车作为大型修井设备，主要具备以下功能：

（1）整机移运功能 能够在四级及以上公路自由行走，能够实现设备搬迁。

（2）作业功能 具备3600～5800m不同型号钻杆的钻井作业功能，并具备最大7000m的修井作业功能。

针对某特种汽车项目进行方案设计，进行本次仿真试验计算，校核调平及运输工况下车架的强度及刚度是否满足要求。

有限元分析模型的建立

车架采用工字梁式焊接结构，横梁为槽钢截面，材料HG60，车架纵梁中心距820mm，断面高460mm，翼板宽180mm。车架前部装有保险杠，前后部装有牵引钩，并安装各类上装接口。车架材料为HG60高强度焊接钢板，屈服强度为480MPa，弹性模量206 000 MPa，泊松比0.3，密度7.85×103kg/m3。

对车架各部件经过适当简化后，进行布尔操作得到几何模型用于计算。为确保足够的计算精度，采用网格尺寸1～24mm，使用ANSYS自适应网格划分为带中间节点的十节点四面体网格。总计257 422个节点，127 010个单元，单元质量满足计算要求。网格划分后的局部模型如图1所示。

图1 车架有限元模型

调平工况车架强度与刚度计算结果

1.载荷及约束加载情况

（1）载荷条件 底盘本身各零部件总成分别以集中力施加在其相应受力位置上，并增加簧载质量，总计约55t。

（2）约束 在四个支腿处均约束X/Y/Z方向的平移自由度，释放全部旋转自由度[1]。

根据数据，车架加载受力情况如图2所示。

图2 车架受力情况

2.最终计算结果

车架计算结果如下：

1）车架Von-Mises等效应力云图如图3所示。通过观察发现，整车应力基本均在200MPa以下，安全系数大于1.5。为确保车架的正常工作，现取应力较大点，车架弯曲失效载荷用车架应力值达到材料的屈服应力对应的载荷代替。材料屈服应力355MPa，应力值293MPa，355/293=1.51，安全系数大于1.5，满足使用要求。

图3 车架Von-Mises等效应力云图

2）车架整体变形云图如图4所示。车架整体最大变形量为11.3mm，位于车架前端。

图4 车架整体变形云图

运输工况车架强度及刚度计算

1.载荷及约束加载情况

（1）载荷处理 底盘本身各零部件总成分别以集中力施加在其相应受力位置；上装载荷（根据甲方提供的载荷布置图）分别以均布力和集中力主要施加在车架纵梁上。主要承载物包括发动机、燃油系统、变速器、分动箱、驾驶室及上装等。不同的质量点用集中力或分布力加载。

（2）约束 整个车架结构是通过一、二桥板簧与车桥连接，三桥是通过空气弹簧与车桥连接，四、五桥通过刚性平衡梁与车架连接。因此，在静力分析时，将一、二桥之间板簧支架和三桥的空气弹簧支架，四、五桥之间的约束X/Y/Z方向的平移自由度，释放全部旋转自由度。

根据数据，受力加载情况如图5所示。

图5 受力加载情况

2.计算结果

1）Von-Mises等效应力云图如图6所示。通过观察发现，车架各点应力计算结果主要在约束点部位出现应力集中，这与理论计算的趋势一致，为确保车架的正常工作，现取应力较大点。车架弯曲失效载荷的确定，用车架应力值达到材料的屈服应力对应的载荷代替。根据材料屈服应力达到355MPa，可得到如下结论：355/210=1.69.

图6 Von-Mises等效应力云图

由上述计算结果得知两种计算工况的安全系数均大于1.69，满足设计要求。

2）整体变形云图如图7所示。由图7可知，运输工况下，车架变形较大处在车架尾部，为4.8mm。

图7 整体变形云图

结语

本文通过有限元分析的方法，对特种汽车车架结构进行强度及刚度计算分析，了解其结构性能，达到自主创新设计的目的，该特种汽车的纵梁工字梁结构及其焊接方式已成功运用于特种汽车的设计开发当中。车架在两种工况下的变形量都不算大[2]，说明车架的强度及刚度均能满足设计要求。