王衛(wèi)清

（泰州機電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 泰州，225300）

一種基于有限元強度分析的半掛車結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法

王衛(wèi)清

（泰州機電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 泰州，225300）

用有限元計算方法對某型半掛車主縱梁的強度進(jìn)行了分析計算.通過有限元仿真計算，提出了在進(jìn)行局部加強的同時，采用降低腹板高度，使用細(xì)而密的橫梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，能夠解決對原來結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，確保半掛車的結(jié)構(gòu)強度.

半掛車；主縱梁；有限元；結(jié)構(gòu)

在目前貨物公路運輸方式中，半掛車以其方便、快捷、高效的特性得到使用單位的青睞，并在貨物運輸中的比例逐漸增大.由于我國存在著超載情況多、運行路況參差不齊等因素，同時目前我國半掛車的生產(chǎn)廠家生產(chǎn)質(zhì)量水平不一，嚴(yán)重影響了半掛車的行車安全.從技術(shù)設(shè)計上分析，確保半掛車的強度［1］，是行車安全的重要手段之一.

對半掛車主結(jié)構(gòu)的強度分析方法也不盡相同.傳統(tǒng)上使用經(jīng)驗公式進(jìn)行設(shè)計或者質(zhì)量問題分析，而近年來隨著有限元軟件的發(fā)展，越來越多的車輛采用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)強度設(shè)計.在應(yīng)用有限元法的時候，有的文獻(xiàn)把半掛車車架稱為對稱結(jié)構(gòu)，因此只對單側(cè)梁進(jìn)行計算［2］，而以整車架進(jìn)行有限元計算的則更為常見［3－4］.本文就某型40T半掛車強度計算，運用有限元計算軟件ANSYS，用整車架方法進(jìn)行靜載荷分析計算，以發(fā)現(xiàn)應(yīng)力薄弱點，對半掛車設(shè)計進(jìn)行改進(jìn).

1 計算的基本條件

在本次計算中，應(yīng)用PRO／ENGINEER軟件建立半掛車車架模型，將其導(dǎo)入ANSYS后，對模型進(jìn)行單元劃分.在模型建立過程中，在不影響計算精度的前提下，對伸出橫梁部位進(jìn)行簡體處理，對微曲梁進(jìn)行取直化，并在約束和承載處建立對應(yīng)的平臺以簡化計算.經(jīng)過比較，采用SHELL63單元（見圖1）進(jìn)行網(wǎng)格劃分.所有的約束都以面約束進(jìn)行處理，載荷也以對相應(yīng)面施加均勻載荷的形式進(jìn)行處理.

圖1 SHELL32單元

車架材料采用16Mn低合金結(jié)構(gòu)鋼，具體力學(xué)參數(shù)為：

彈性模量：210GPa；

泊松比：0.3；

密度：7.85×10－6kg／mm3；

強度極限：550MPa；

屈服極限：350MPa.

考慮到不同的運行路況對車架的沖擊，以載荷系數(shù)為2.5進(jìn)行計算分析.

通過PRO／E建立包括2根主縱梁、16根橫梁組合構(gòu)成的半掛車車架.根據(jù)車架受力情況.在牽引銷座、輪胎座等支撐部位施加約束，如圖2所示.

圖2 原車架結(jié)構(gòu)及約束示意圖

2 考慮不同裝載及運行工況時的最大應(yīng)力

應(yīng)用整車架方法并以設(shè)計裝載量裝載進(jìn)行計算，根據(jù)不同的裝載工況，分別計算均載以及當(dāng)裝載部位為車架中前部、中部、中后部時的最大應(yīng)力，以模擬半掛車在不同情況下對牽引銷、輪胎部位的最大應(yīng)力.

考慮各種運行及裝載工況下的最大應(yīng)力仿真計算結(jié)果如表1所示.

表1 各種運行工況下主縱梁最大應(yīng)力及位置 MPa

從表1可以看出，不同裝載工況下最大應(yīng)力計算結(jié)果分別為249.2MPa、490.0MPa、496.4MPa、122.4MPa.中前部和中部承載對應(yīng)的最大應(yīng)力部位在下翼板與牽引銷座連接處，中后部對應(yīng)的最大應(yīng)力部位在縱梁下翼板后部與懸架支點接觸處.不同的裝載工況對車架的最大應(yīng)力是不同的，其中裝載在中部及中前部對車架應(yīng)力影響最大.如果考慮到急轉(zhuǎn)彎、急剎車、扭轉(zhuǎn)等不同的運行情況，對車架影響最大的運行工況為扭轉(zhuǎn)工況，最大應(yīng)力位于車架縱梁下翼板與牽引銷座處，達(dá)到496MPa.

3 對車架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)優(yōu)化

為了降低車架受到的應(yīng)力，對局部應(yīng)力薄弱部位進(jìn)行加強，通過不同的改進(jìn)方法并進(jìn)行有限元仿真計算，有如下結(jié)果：

（1）單純地進(jìn)行局部加強的方法并不能有效減小最大應(yīng)力，同時有可能使受力更加惡化；

（2）加大牽引銷座與車架結(jié)構(gòu)的接觸面積，可以適當(dāng)減小最大應(yīng)力，但是仍然超過縱梁的屈服極限；

（3）考慮到車架重量的因素，把主縱梁的腹板高度適當(dāng)減小，同時增大牽引銷座的接觸面積，并采用細(xì)密橫梁結(jié)構(gòu)，可以在適當(dāng)?shù)販p小車架重量的前提下，極大地減小最大應(yīng)力.

計算表明，在路面上受到嚴(yán)酷的路面不平等因素造成的車架扭轉(zhuǎn)情況下，車架受到的應(yīng)力最為嚴(yán)酷，在未進(jìn)行改動前其靜止?fàn)顟B(tài)應(yīng)力可達(dá)到496MPa；而把主縱梁的腹板適當(dāng)減小高度，同時增大牽引銷座的接觸面積，并采用細(xì)密橫梁結(jié)構(gòu)后，最大應(yīng)力僅僅為291 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，如圖3、圖4所示.

圖3 牽引銷座改進(jìn)示意圖

圖4 扭轉(zhuǎn)狀況下改進(jìn)結(jié)構(gòu)及應(yīng)力圖

4 結(jié) 語

由于計算是以動載荷系數(shù)為2.5進(jìn)行分析的，同時又考慮到各種極限裝載及運行工況，因此仿真計算的余度很大.同時本次計算分析說明，為減小半掛車主縱梁的局部應(yīng)力，應(yīng)該在對局部構(gòu)件加強的同時，對車架橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，減小腹板高度并采用細(xì)而密的構(gòu)架結(jié)構(gòu)，能有效地降低局部強度應(yīng)力集中現(xiàn)象，保障半掛車的結(jié)構(gòu)強度.

［1］ 劉華民.半掛車質(zhì)量問題簡析［J］.商用汽車，2003（7）：80－81.

［2］ 朱永強.儀垂杰.低貨臺半掛車右主縱梁有限元分析［J］.專用汽車，2002（1）：5－6.

［3］ 巢凱年.有限元軟件計算客車骨架強度［J］.四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2001（1）：23－25.

［4］ 林程，陳思忠，吳志成.重型半掛車車架有限元分析［J］.車輛與動力技術(shù)，2004（4）：23－27.

A Structure Improved Method for a Semi－trailer by Application of Structural Intensity with Finite Element Analyzing Method

WANG Wei－qing
（Taizhou Higher Vocational School of Mechanical ＆Electrical Technology，Taizhou 225300，China）

A kind of structural longitudinal beam of semi－trailer has been analyzed by the application of finite element analyzing method.Comparing to the origin method，the multi－beam analyzing method can guarantee the computing accuracy.At the same time，the optimized structure has been provided with partial strengthen，reduce ventral batten and adapt a thin ＆thick crossbeam stucture.

semi－trailer；main longitudinal beam；finite element method；structure

U462.2＋2

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2010.05.018

1671－6906（2010）05－0070－03

2010－09－09

王衛(wèi)清（1973－），女，江蘇泰州人，講師，碩士.