丁群燕

（武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢430205）

半掛車車架有限元仿真與靜力分析

丁群燕

（武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢430205）

運(yùn)用有限元法對(duì)半掛車車架進(jìn)行了靜力分析，得出靜載荷作用下車架的應(yīng)力和應(yīng)變分布規(guī)律，車架的靜強(qiáng)度和剛度均滿足使用要求。

半掛車；靜力分析；有限元

自60年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外就開(kāi)始運(yùn)用有限元對(duì)車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算和分析。美國(guó)學(xué)者M(jìn)，M，凱默本、J，A，沃爾夫等人也曾從理論和實(shí)驗(yàn)上對(duì)車輛車架進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的分析。近幾十年來(lái)，我國(guó)已經(jīng)普遍應(yīng)用有限元法對(duì)車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，而作為車輛結(jié)構(gòu)件中結(jié)構(gòu)與載荷都很復(fù)雜的重要部件的車架，也是開(kāi)展結(jié)構(gòu)分析研究的對(duì)象?，F(xiàn)在，有限元法已經(jīng)成為汽車結(jié)構(gòu)分析的一種解決力學(xué)問(wèn)題的常用分析方法。

半掛車車架作為載荷的重要承載件，其可靠性關(guān)系到半掛車能否正常行駛，以及半掛車的安全性。半掛車車架承受著來(lái)自傳動(dòng)系和懸架的各種激勵(lì)，關(guān)系到半掛車的操控、安全和舒適等性能。應(yīng)用有限元法對(duì)車架進(jìn)行靜力仿真分析，能保證車架滿足強(qiáng)度和剛度要求，防止過(guò)大變形。

由于半掛車車架結(jié)構(gòu)復(fù)雜且與普通車輛不同，需要考慮各部分的應(yīng)力和變形，同時(shí)用經(jīng)典力學(xué)方法分析其強(qiáng)度和剛度不可能得到精確的結(jié)果，有限元法以離散、逼近的靈活算法廣泛地運(yùn)用于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析，已成為一種常用的效果最好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析方法。

本文利用Proe三維軟件建模，用有限元模型導(dǎo)入到Ansys中計(jì)算某專用半掛車車架的應(yīng)力和變形，然后分析受力、計(jì)算應(yīng)力和變形情況，最后與實(shí)際情況對(duì)比分析車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度[1]。

1 半掛車車架模型的建立

半掛車車架結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此本文采用三維建模軟件Proe建立車架幾何模型，采用中間格式IGS導(dǎo)入到Hypermesh中，經(jīng)過(guò)幾何清理之后再進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后再把有限元模型導(dǎo)入到Ansys中進(jìn)行分析計(jì)算以及后處理。

本文所述某半掛車車架為鵝頸邊梁式結(jié)構(gòu)，主要由2根主縱梁、2根邊梁、22根貫穿橫梁、10根邊橫梁、12根底橫梁焊接而成?？v梁為工字形截面，邊梁和橫梁為槽鋼。車架全長(zhǎng)約12 940 mm，寬2 400 mm，縱梁中心間距約940 mm.各部件之間通過(guò)焊接相連，在Hypermesh前處理中用rigid剛性單元模擬焊接，該半掛車車架有限元模型共有127 588個(gè)單元，134 027個(gè)節(jié)點(diǎn)[2]。如圖1所示。

圖1 半掛車車架有限分析模型

本文采用殼單元SHELL63對(duì)某專用半掛車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，該單元為4節(jié)點(diǎn)24自由度，可以承受平面內(nèi)載荷和法向載荷。半掛車車架材料選用Q 345（16Mn).

2 半掛車車架靜力分析

半掛車車架靜態(tài)分析一方面是使車架在車輛滿載情況下應(yīng)承受的靜力作用下，車架各部分產(chǎn)生的應(yīng)力和變形均不超過(guò)車輛質(zhì)量安全允許的范圍；另一方面通過(guò)靜態(tài)分析合理調(diào)整車架各部分的應(yīng)力分布，使半掛車車架各部分的應(yīng)力值達(dá)到均衡，從而最大限度地利用材料，減少材料的使用量，從而降低半掛車車架制造的成本和車架的重量，提高半掛車性能和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。該半掛車車架額定載質(zhì)量為100 t，根據(jù)實(shí)際受力狀況，模擬車架滿載靜態(tài)彎曲工況，載荷簡(jiǎn)化為均布在主縱梁和邊梁的上翼板上。經(jīng)計(jì)算，對(duì)于16Mn鋼，屈服極限σs=360 MPa，強(qiáng)度極限σb=620 MPa，根據(jù)文獻(xiàn)[1]取安全系數(shù) k=1，4，所以車架的許用應(yīng)力[σ]=σs/k≈ 257 MPa.

在有限元分析過(guò)程中，必須保證有足夠的約束條件，以消除車輛整體的剛性位移及求解車架上各節(jié)點(diǎn)的位移和應(yīng)力。在不影響計(jì)算精度的條件下對(duì)模型做適度簡(jiǎn)化，忽略鋼板彈簧及支架、輪胎對(duì)結(jié)構(gòu)分析的影響。因此，在車架后端支架處節(jié)點(diǎn)實(shí)施垂直方向位移約束，車架前端牽引板處實(shí)施全位移約束。

3 半掛車車架應(yīng)力分析

車架等效應(yīng)力分布云圖如圖2所示，由圖中可以看出，應(yīng)力變化較大的部位主要集中在車架前端牽引板后梁處，中間主縱梁鵝頸過(guò)渡處，以及主縱梁變截面處。其中，最大最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在主縱梁變截面處，其余部位應(yīng)力很小。因此，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，這三個(gè)部位應(yīng)是考慮重點(diǎn)加強(qiáng)的部位[3]。

圖2 半掛車車架等效應(yīng)力云圖

車架主縱梁變截面處等效應(yīng)力分布云圖如圖3所示，該車架在滿載時(shí)產(chǎn)生的最大應(yīng)力為290.600 MPa，發(fā)生在主縱梁懸架第一個(gè)支架的位置。但該點(diǎn)并非真實(shí)的應(yīng)力值最大點(diǎn)。這與車架有限元模型的簡(jiǎn)化有關(guān)，在建模過(guò)程中，忽略了懸架支架的影響。相當(dāng)于將鋼板彈簧直接與車架固接，表現(xiàn)在建模上即直接約束主縱梁下翼板上板簧支架處的節(jié)點(diǎn)。而實(shí)際的車架是通過(guò)支座與懸架連接的，并沒(méi)有直接接觸，因此不會(huì)在某一點(diǎn)產(chǎn)生破壞，所以這個(gè)小區(qū)域并非真正要進(jìn)行強(qiáng)度校核的對(duì)象。

圖3 車架主縱梁變截面處等效應(yīng)力云圖

圖4 是主縱梁鵝頸過(guò)渡處等效應(yīng)力分布云圖。從圖中可以看出，車架靜力分析中真正的最大應(yīng)力點(diǎn)在主縱梁前端下翼板鵝頸過(guò)渡圓角處，最大應(yīng)力為207.574 MPa，小于材料的許用應(yīng)力257 MPa，車架強(qiáng)度滿足要求。

圖4 車架主縱梁鵝頸過(guò)渡處等效應(yīng)力云圖

4 變形分析

車架變形分布云圖如圖5所示，車架中間邊梁和主縱梁鵝頸處的變形最大，依次向前后遞減，而前端牽引板和后端鋼板彈簧支架處約束點(diǎn)附近的變形最小。最大位移為5.421 mm，遠(yuǎn)小于允許的最大變形量，車架剛度滿足要求。

圖5 半掛車車架變形云圖

5 結(jié)論

本文利用有限元法對(duì)半掛車車架進(jìn)行了靜力分析，建模中進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化，模擬了車架滿載靜態(tài)彎曲工況，分析了在靜載荷作用下車架應(yīng)力和位移分布規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

[1]張國(guó)芬，張文明.SGA92150型半掛車車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度和剛度分析[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（7）：744-749.

[2]高樹(shù)勛，張秀國(guó).基于有限元分析的采煤機(jī)搖臂行星架機(jī)械受力研究[J].煤炭技術(shù)，2013，32（09）：22-24，

[3]林 程，陳思忠.重型半掛車車架有限元分析[J].車輛與動(dòng)力技術(shù)，2004，96（4）：23-27.

Finite Element Simulation And Static-Analysis of Semi-trailerFrame

DING Qun-yan
（Wuhan Polytechnic College of Software and Engineering，Wuhan Hubei 430205，China）

Static analysis of the semi-trailer frame by the finite element method，obtained the stress and strain distribution law of frame under the static loading，the static strength and stiffness of the frame meet the requirements.

semi-trailer；static analysis；finite element

U463.32；U469.6

A

1672-545X（2017）09-0009-02

2017-06-18

丁群燕（1975-），女，湖北麻城人，副教授，碩士，主要從事機(jī)電產(chǎn)品技術(shù)研究。