重型汽车双层车架结构传力特征分析

　　1 前言

　　国内外多种中、重型汽车车架近年来均采用双层槽钢纵梁。采用这种型式的车架纵梁，可以减少对纵梁生产设备的要求，也可以适应生产变型车的需要[1-2] 。但是，由于设计中对用铆钉连接的双层槽钢的传力特征认识不足，使得一些车架出现早期断裂现象，或使车架材料用量过多，增加了生产成本和汽车质量。

　　作者经研究发现，双层槽钢的车架用铆钉连接时，内层槽钢受力参与程度不足，不符合梁理论中梁横截面平面变形的假设，用常用的梁理论计算会使计算应力比实际应力偏低，从而导致车架刚度强度不足。针对以上问题，作者进行多种铆钉布局及间距方案的比较分析，给出合理的计算模型及铆钉连接的设计方案，对此类结构设计有一定的帮助。

　　2 铆钉连接传力特征的分析

　　材料力学中梁的理论以及有限元法的空间梁单元理论都是建立在梁弯曲时横截面保持平面这一假设基础之上[3] ，该假设称纳维什（Navier）假设。但是，这个假设并非对任何结构型式的梁都适用，并使计算误差保持在工程上可以接受的误差范围之内。

　　双层槽钢梁外层受力变形后，它的变形通过铆钉将弯矩传递给内层槽钢。铆钉的刚度与内层槽钢整个截面的刚度相比是非常小的。一般来说，车架纵梁的同一截面上仅用2 个低刚度的铆钉连接传力，要使大刚度的内层槽钢横截面产生符合平面假设的变形，从理论和实际上都是难以实现的。

　　为研究铆钉传力的特征，作者首先设计长度为500mm的槽形截面悬臂梁，在自由端通过铆钉传力。整个结构用壳单元离散，在外层槽钢与铆钉之间建立刚性联接，给定一个强迫转角位移，进行计算。传力路线从铆钉开始，向上下翼板和腹板的交界棱线发展，高应力区仅占翼板的很小部分，且离铆钉越远越小，应力分布也完全不符合平面假设。为更进一步从数量上分析，需计算悬臂梁在2种情况下的应变能密度: （1） 梁自由端横截面刚性转动1°强迫位移;（2） 梁自由端仅通过2个铆钉给定1°强迫位移。

　　在这2种情况下的应变能密度沿梁轴线分布的曲线图。当自由端截面按平面假设整体转动时，沿整个轴线长度上的应变能密度量等值分布，说明整个梁呈理想的纯弯曲状态。仅铆钉所在截面，因应力集中形成一个应变能密度峰值，而沿梁轴线，离铆钉距离越远则应变能密度越小。从数量上看，对应同一截面，应变能密度在通过铆钉传力时，仅为自由端截面整体转动时的013～015左右。从能量角度定量地说明通过铆钉连接时，传力程度不足，完全不符合梁平面变形的假设。

　　3 双层槽钢铆钉连接合理布局的研究

　　为探讨不同计算模型对计算结果的影响，给出合理的铆钉连接设计方案，双层槽钢纵梁受力及截面结构图，用不同的计算模型进行计算，为此建立2种有限元模型。

　　（1） 不考虑铆钉因素，将双层槽钢看成整体结构，用一层梁单元、一层壳单元与一层体单元计算。

　　（2） 考虑铆钉的作用，将结构离散成双层壳单元，各层之间仅在铆钉处相连，分别在腹板上或翼板上按100、200、400、500和800mm间距布置铆钉。

　　作者在研究中采用MSC /NASTRAN及其前后处理软件PATRAN作为分析工具。

　　4 计算结果分析

　　利用MSC /NASTRAN软件计算出各种情况下的位移与应力。为便于比较各种情况下的位移与应力，排除壳单元受力处局部变形的影响，并使不同单元下计算的结果具有可比性，取腹板下沿区域Y方向的最大位移及应力进行比较。

　　4.1 位移结果分析

　　当作为梁单元计算时，得到的最大位移与我们利用梁的经典理论计算得到的挠度是一致的。但作为一层体单元、一层壳单元计算则位移值偏大。

　　根据双层壳单元计算，当采用铆钉连接时，铆钉的间距与铆钉的位置都影响梁的刚度。合理地布置铆钉对提高梁的刚度与利用率都很重要。

　　（1） 在相同铆钉间距下，双层槽钢在腹板处连接的刚度比在翼板处连接的刚度要大，特别是随着铆钉间距的增大而变得更加明显。

　　（2） 当铆钉同在腹板或翼板上时，随着铆钉间距的增大，槽钢的刚度越来越小。

　　（3） 通过铆钉连接的双层槽钢的刚度比相同厚度的单层槽钢的刚度要小。

　　4.2 应力结果分析

　　通过MSC /NASTRAN计算各种情况下的应力输出，下面通过几种典型情况来分析说明。

　　当铆钉间距为100mm时，内层槽刚翼板高应力区应力传递基本连续，但其腹板处应力与外层相比则明显偏低。

　　当铆钉间距为400mm时，内层槽钢翼板高应力区应力传递比铆钉间距为100mm时明显不连续，且在铆钉连接处产生较大的应力集中，内层槽钢没有充分参与受力，导致外层槽钢最高应力上升。

　　对于铆钉布置在翼板时，应力分布也有相似的情况（限于篇幅，应力图没有列出） 。但由薄壁杆系结构力学可知，槽形截面梁在经受弯扭联合作用时，最大正应力发生在翼板边缘上。当在翼板上用铆钉连接时，铆钉孔会削弱截面的强度使应力更高，因此不是一种好的方案。

　　5 结论

　　（1） 双层槽钢铆钉连接不能简单当作连续截面处理。随着铆钉间距的增大，双层槽钢铆梁的刚度随之下降。

　　（2） 当双层槽钢用铆钉在腹板连接时，内层槽钢腹板的应力比外层槽钢腹板的应力明显偏低，外层槽钢腹板上的剪力不能有效地向内层槽钢传递。

　　（3） 在翼板上用铆钉连接的梁，铆钉处应力集中程度较高，从总体上看，应力也高于在腹板处用铆钉连接的梁。

　　（4） 内层槽钢在铆钉间距为100mm时，翼板传力连续，整个翼板充分参与受力，而当铆钉间距大于100mm时，在翼板处明显出现传力断续现象，应力集中也明显上升。

　　（5） 当双层槽钢用铆钉连接时，在铆钉连接处应力集中，在设计中应充分考虑这些因素。

　　（6） 优化设计的车架经柳州汽车厂多种型号的重型汽车使用证明，该车架性能优良。