周美施，尹懷仙，張鐵柱，張洪信 ，趙清海

(青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266071)

0 引言

隨著物流業(yè)的興盛，社會(huì)對(duì)汽車的運(yùn)輸效率、經(jīng)濟(jì)性提出了越來越高的要求，汽車向?qū)I(yè)化、高速化、重型化發(fā)展[1-2]。如半掛車等專用汽車已成為運(yùn)輸各種特殊用途的主力車種。在我國，半掛車已成為重型專用汽車的第二大品種。車架作為半掛車最主要承載結(jié)構(gòu)件，其性能好壞影響半掛車的使用安全。韓振南等建立某型半掛牽引車車架板橋單元有限元模型，根據(jù)有限元分析結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)[3]。劉大維等人應(yīng)用NASTRAN有限元分析軟件對(duì)某半掛車建立以板殼單元為基本單元的有限元模型，對(duì)車架強(qiáng)度進(jìn)行靜態(tài)及模態(tài)分析得到車架異常斷裂原因，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造[4]。對(duì)于半掛車車架有限元模型多采用板殼單元模型，但是實(shí)體單元相對(duì)板殼單元其簡化模型更接近實(shí)際，且精度較高。因此針對(duì)半掛車車架，建立基于實(shí)體單元的有限元模型，利用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行彎扭工況下的靜強(qiáng)度分析，對(duì)車架進(jìn)行一定的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

1 半掛車架有限元模型

1.1 車架結(jié)構(gòu)

該車架長為14 850mm，寬為900mm。由兩根截面形狀為槽形的縱梁，若干圓管形以及工字型橫梁和一些加強(qiáng)筋焊接而成，橫梁與縱梁的連接方式為橫梁貫穿縱梁腹板，此種連接方式減少了焊縫，使得焊接變形減少。同時(shí)還具有腹板承受能力大，并且在偏載較大時(shí)，能使車架各處所產(chǎn)生的應(yīng)力分布較均勻的特點(diǎn)。車架結(jié)構(gòu)如圖1所示，材料為16Mn，車架材料機(jī)械性能參數(shù)如表1所示。

圖1 半掛車車架結(jié)構(gòu)示意圖

表1 車架材料參數(shù)

1.2 有限元模型的建立

將車架實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，去除車架各構(gòu)件上局部的結(jié)構(gòu)連接以及避繞線路等的安裝小孔，結(jié)構(gòu)工藝性要求的過度圓角等對(duì)車架強(qiáng)度、剛度影響不大的細(xì)小特征。車架還有許多的附屬結(jié)構(gòu)件，形狀和結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且對(duì)整車強(qiáng)度、剛度貢獻(xiàn)較小，也作出適當(dāng)簡化。單元類型選用帶中間節(jié)點(diǎn)的四面體單元SOLID187，實(shí)體單元是一種最能表達(dá)實(shí)際零件信息的單元。因?yàn)閷?shí)體單元不但可以表達(dá)零件的質(zhì)量、慣性、材料等特性，而且實(shí)體單元可以從空間的角度來真實(shí)地逼近實(shí)體幾何形狀，幾乎能反映全部的幾何變化[5]。設(shè)置單元尺寸為0.01 m，車架有限元模型如圖2所示，車架網(wǎng)格劃分后共有個(gè)311 381節(jié)點(diǎn)，129 367個(gè)單元。

圖2 車架有限元模型

2 計(jì)算求解分析

半掛車在行駛過程中載荷工況較為復(fù)雜，但在對(duì)車架進(jìn)行靜態(tài)分析時(shí)，半掛車架強(qiáng)度影響最大的工況為彎扭工況。因此只對(duì)車架彎扭工況進(jìn)行靜態(tài)特性分析。車架模型坐標(biāo)系按照車輛行駛坐標(biāo)系設(shè)定。

2.1 邊界條件處理

車架是通過懸架系統(tǒng)、輪胎支撐在路面上，要準(zhǔn)確地到車架應(yīng)力分布需要考慮懸架與輪胎的作用。由于輪胎相比懸架系統(tǒng)剛度較大，輪胎剛度忽略不計(jì)?？諝鈴椈蓱壹茉摪霋燔囓嚰芮昂缶捎镁哂休^理想的彈性特性，且結(jié)構(gòu)簡單、減震效果較好的空氣彈簧。在車架與懸架連接點(diǎn)處設(shè)置彈性支撐，剛度設(shè)置為78.5 N/m[6]。釋放車架與懸架連接點(diǎn)Z方向上的自由度，車架其余5個(gè)自由度全部約束。

2.2 載荷處理

按照半掛車架承受自身重力設(shè)置重力加速度施加[5]，半掛車載貨重40t，均勻加載到車架兩根縱梁上。利用ANSYS Workbench對(duì)車架進(jìn)行求解，得到半掛車架在彎扭工況下的應(yīng)力云圖和變形云圖如圖3、圖4所示。

圖3 原車架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖4 原車架結(jié)構(gòu)變形云圖

2.3 彎扭工況靜態(tài)特性分析

1) 強(qiáng)度驗(yàn)算

考慮車輛在不平地面行駛引起的載荷增加，需要引入動(dòng)載荷系數(shù)。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，彎扭工況動(dòng)載荷系數(shù)為2.5[7]，車架的許用應(yīng)力[σ]為車架材料屈服強(qiáng)度除以動(dòng)載荷系數(shù)，即350MPa/2.5=140MPa，通過有限元計(jì)算的得到彎扭工況的最大等效應(yīng)力為228.95MPa，大于車架的許用應(yīng)力。無法滿足使用要求。因此需要對(duì)車架結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)化，提高車架靜強(qiáng)度。

2) 剛度驗(yàn)算

車架的撓度對(duì)于長軸距的半掛車來說，是應(yīng)該予以考慮的。半掛車車架縱梁的彎曲變形，取決于縱梁剛度，在靜載情況下，允許縱梁的最大變形量ymax為：

ymax=0.002L

式中，L為半掛車軸距。

該半掛車的軸距為10 235mm，通過計(jì)算得到y(tǒng)max為20.47mm，通過有限元計(jì)算得到車架縱梁的最大變形為7.92mm，小于允許的最大變形，說明車架剛度滿足使用要求。

3 車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)彎扭工況應(yīng)力云圖可以看出車架前部縱梁與懸架連接處、車架中部縱梁等效應(yīng)力較大。對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)后車架縱梁腹板加厚5mm，縱梁寬度加大10mm。

利用改進(jìn)措施修改車架三維實(shí)體模型，建立車架有限元模型，進(jìn)行彎扭工況分析，得到車架最大等效應(yīng)力為138.95MPa。和改進(jìn)前結(jié)構(gòu)相比，最大等效應(yīng)力降低38%，改進(jìn)后車架最大等效應(yīng)力小于車架許用應(yīng)力，車架縱梁最大變形為4.88mm，小于車架允許最大變形，說明改進(jìn)后車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度均滿足使用要求及行駛要求。圖5和圖6分別給出改進(jìn)后車架應(yīng)力云圖和變形云圖。

圖5 改進(jìn)后車架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖6 改進(jìn)后車架結(jié)構(gòu)變形云圖

4 結(jié)語

1) 建立了實(shí)體單元為基本單元的半掛車車架有限元模型，對(duì)車架進(jìn)行了靜態(tài)特性研究，車架彎扭工況最大應(yīng)力為224.95MPa，大于車架的許用應(yīng)力，無法滿足強(qiáng)度要求。

2) 通過改進(jìn)車架結(jié)構(gòu)，進(jìn)行模型驗(yàn)證，達(dá)到使用要求，為半掛車車架優(yōu)化以及進(jìn)一步改進(jìn)提供參考依據(jù)。

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[4] 劉大維,孫海霞,董振國，等. 半掛牽引車車架異常斷裂原因分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007,38(6):30-33.

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