蔡玉強(qiáng)，趙 飛，孟 欣，劉迎娟

（河北聯(lián)合大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，唐山 063009 ）

0 引言

作為連接半掛牽引車與掛車必不可少的組成部件，牽引座有著承受半掛車載荷和牽引半掛車的重要作用，同時(shí)，還經(jīng)受掛接半掛車時(shí)的沖擊，牽引車起步、制動(dòng)、加速、減速、轉(zhuǎn)向等運(yùn)行工況，而對(duì)牽引座影響起著舉足輕重作用的是半掛車垂直方向的下壓載荷。作為半掛汽車上的重要部件，牽引座的質(zhì)量性能直接影響著半掛汽車的行駛安全性[1]。因此，對(duì)牽引座進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析有著重要的意義。

1 牽引座鞍體有限元模型的建立

1.1 有限元建模

據(jù)某公司提供的某90#牽引座的CAD圖紙，利用CREO軟件進(jìn)行三維實(shí)體模型的創(chuàng)建，并對(duì)相關(guān)部件進(jìn)行簡(jiǎn)化。然后將三維實(shí)體模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用shell181單元進(jìn)行模擬研究。材料為Q345，其材料屬性如表1所示，定義單元屬性和材料屬性后，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到較為理想的網(wǎng)格模型，如圖1所示。

圖1 牽引座網(wǎng)格模型

圖2 牽引座約束處理

1.2 邊界條件施加

根據(jù)牽引座在半掛牽引車上的安裝方式以及牽引座中各個(gè)部件的連接情況，對(duì)其進(jìn)行如下約束：在兩側(cè)內(nèi)外耳的中心圓孔處的節(jié)點(diǎn)上施加X、Y、Z方向上的移動(dòng)自由度和Y、Z方向上的旋轉(zhuǎn)自由度，如圖2所示。

表1 Q345的材料屬性

2 牽引座在動(dòng)載荷作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

在實(shí)際的運(yùn)輸過(guò)程中，牽引座受到路面的隨機(jī)激勵(lì)作用，也就是所謂的動(dòng)態(tài)載荷，其產(chǎn)生的作用力比在靜止?fàn)顟B(tài)下的作用力大幾倍乃至幾十倍。根據(jù)假設(shè)的目標(biāo)車速、頻率范圍、設(shè)定的路面等級(jí)反求出路面時(shí)域激勵(lì)，將路面激勵(lì)作用到汽車輪胎上，然后依據(jù)動(dòng)力學(xué)模型仿真出動(dòng)態(tài)載荷，再將求得的動(dòng)態(tài)載荷作用于牽引座殼體的上表面，對(duì)其進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。

2.1 路面不平度的功率譜密度

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織用路面功率譜密度Gq(n)來(lái)描述路面不平度的統(tǒng)計(jì)特性，根據(jù) GB7031-2005《機(jī)械振動(dòng) 道路路面譜測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)告》中推薦用式（1）作為路面功率譜密度函數(shù)的擬合表達(dá)式[2,3]：

其中n為空間頻率（單位為cycle/m，等于波長(zhǎng)的倒數(shù)）；為路面譜密度不平度系數(shù)；w為頻率指數(shù)，決定路面譜頻率結(jié)構(gòu)；國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推薦取w=2；n0參考空間頻率，一般取n0=0.1m-1。我國(guó)的路面不平度分為8級(jí)，其前4級(jí)如表2所示[2]。

表2 路面不平度分類標(biāo)準(zhǔn)

在用空間功率譜密度函數(shù)作為半掛牽引車振動(dòng)特性分析時(shí)的激勵(lì)信號(hào)，需要將其與半掛牽引車的車速v聯(lián)系起來(lái)，對(duì)上式進(jìn)行換算就可以得到時(shí)間頻率位移功率譜密度函數(shù)[4]：

其中f為時(shí)間頻率，v為半掛牽引車行駛速度。

2.2 路面不平度的模擬生成

為了模擬實(shí)際路面的不平度激勵(lì)，利用隨機(jī)正弦波疊加算法生成時(shí)域隨機(jī)路面[3]。由G(f) 得到路面不平度的方差：

將區(qū)間（f1，f2）均分成n個(gè)小區(qū)間，則G(f)在整個(gè)小區(qū)間內(nèi)的值，可以用每個(gè)小區(qū)間的中心頻率處的功率譜密度值來(lái)代替，則式（3）可以近似寫成：

其中，iθ 為在[0,2π]上的隨機(jī)數(shù)。

取路面等級(jí)為C級(jí)，n0=0.1m-1，車速v=11m/s，采樣次數(shù)為每秒1000次，根據(jù)對(duì)牽引座進(jìn)行的模態(tài)分析得到其前八階固有頻率如表三所示，為了避免采樣過(guò)程中頻率泄露，所確定的有效空間頻率范圍應(yīng)該覆蓋這些頻率范圍內(nèi)的模態(tài)頻率，因此取其頻率的上下限分別為f1=100Hz，f2=550Hz，利用MATLAB軟件編制相應(yīng)程序得到C級(jí)的時(shí)域路面的不平度[5]如圖3所示。

圖3 C級(jí)路面時(shí)域激勵(lì)信號(hào)

2.3 路面激勵(lì)作用下牽引座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

在ADAMS中建立半掛牽引車1/4虛擬仿真模型（其理論模型如圖4所示），并導(dǎo)入C級(jí)路面時(shí)域激勵(lì)信號(hào)的曲線數(shù)據(jù)，生成如圖5所示的樣條函數(shù)[6]。

表3 牽引座結(jié)構(gòu)的固有頻率

圖4 半掛牽引車的理論分析模型

圖4中M1為車輪質(zhì)量，M2為1/2×（40%滿載半掛車牽引車質(zhì)量），K1為輪胎剛度，K2為懸架剛度，C2為懸架阻尼，X0路面激勵(lì)，X1、X2分別為M1M2的位移坐標(biāo)。

在ADAMS建立的虛擬仿真模型上對(duì)車輪施加圖5所示的時(shí)域路面激勵(lì)信號(hào)，進(jìn)行30s動(dòng)態(tài)仿真分析，采集到牽引座表面上的載荷譜（1/2載荷）如圖6所示。

圖5 ADAMS中C級(jí)路面時(shí)域激勵(lì)信號(hào)

圖6 牽引座上表面載荷譜

在ANSYS中采用完全法對(duì)牽引座進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析[7]。

1）載荷譜加載方式：將圖6所示的2倍載荷譜編成數(shù)組，以表格形式將載荷譜施加到牽引座鞍體上表面，如圖7所示。

圖7 牽引座動(dòng)載載加載方式

2）計(jì)算結(jié)果：我們選取時(shí)間步為0.5s、2.5s、10s、30s這四個(gè)具有代表性的時(shí)間點(diǎn)應(yīng)力、位移云圖，如圖8、圖9所示。

圖8 牽引座在不同時(shí)刻的應(yīng)力云圖

圖9 牽引座在不同時(shí)刻的位移云圖

在六個(gè)時(shí)間步中，由于應(yīng)力集中的原因，其最大應(yīng)力都出現(xiàn)在殼體的兩個(gè)定位孔處，最大的應(yīng)力值分別為333MPa、179MPa、256MPa、205MPa，并且都在同一位置（節(jié)點(diǎn)編號(hào)為2156），其次就是在“開貓”處，以及殼體與框架板的焊接處的應(yīng)力比較大，但是，都小于Q345的屈服強(qiáng)度345MPa。在殼體的圓弧過(guò)渡部分的變形最為嚴(yán)重，最大位移為1.14mm，殼體的彎曲變形與其寬度的比值為0.123%<0.2%。所以，結(jié)構(gòu)是安全的。

由上述分析可知，殼體與框架焊接處的剛度比較大，為了實(shí)現(xiàn)整體的近似等剛度設(shè)計(jì)，可以適當(dāng)?shù)臏p小其框架板的高度或者厚度。

3 結(jié)論

本文通過(guò)MATLAB軟件仿真出C級(jí)時(shí)域路面激勵(lì)信號(hào)，將其添加到ADAMS的虛擬仿真模型之上，得出施加在牽引座上表面的載荷譜，利用ANSYS有限元軟件對(duì)牽引座進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，得出30s內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變圖，根據(jù)其應(yīng)力應(yīng)變情況判斷了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，并為后期牽引座輕量化設(shè)計(jì)研究以及重型牽引座的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

[1]楊通順.半掛牽引車牽引座要覽(上)[J].汽車與配件,2004(46):28-30.

[2]韓魯明.基于CAE技術(shù)的某半掛車車架疲勞壽命預(yù)估研究[D].南京:南京理工大學(xué),2007.

[3]黃瑋.汽車車輪動(dòng)載荷的研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2006.

[4]鄧學(xué)鈞.車輛-地面結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002,32(3):474-479.

[5]郭成超,陶向華,王復(fù)明.車速和路面不平度特性對(duì)車路相互作用的影響[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2004,25(3):42-45.

[6]孫艷鵬.載重汽車車架有限元分析及優(yōu)化[D].重慶:重慶交通大學(xué),2008.

[7]張洪才,何波.有限元分析－ANSYS13.0從入門到實(shí)踐[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.