于玉真，王亞州，趙博，邸海寬

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

半掛車指車頭和車箱間用工具牽引的大型貨車[1]，憑借其裝載量大和運(yùn)輸快捷等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大批貨物的公路運(yùn)輸[2]。而牽引座作為連接車頭和車箱的重要部件[3]，不僅要傳遞牽引車和車箱之間的縱向力，還要承受牽引車帶來的各種沖擊[4]，因此牽引座的質(zhì)量性能影響著整個(gè)車輛結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

近年來，一些國內(nèi)院校的學(xué)者對半掛車牽引座進(jìn)行研究，并圍繞牽引座結(jié)構(gòu)建模，進(jìn)行有限元分析。蔡玉強(qiáng)使用有限元軟件對牽引座進(jìn)行動態(tài)分析[5]。何仁使用有限元軟件進(jìn)行模態(tài)分析，獲得其振動強(qiáng)弱分布情況[6]。王洋洋使用有限元軟件對牽引座的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分析[7]。但目前對牽引座的研究僅局限于有限元模擬分析，并未將有限元分析數(shù)據(jù)與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證。

該研究以唐山某公司生產(chǎn)的牽引座為依據(jù)，運(yùn)用有限元軟件對其進(jìn)行強(qiáng)度分析，并對牽引座進(jìn)行變形試驗(yàn)研究，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證仿真分析的準(zhǔn)確性。

1半掛車牽引座結(jié)構(gòu)模型

牽引座從型號上區(qū)分，主要有50#，90#兩大類[8]。50#牽引座通常用于牽引總質(zhì)量較小且在公路運(yùn)輸?shù)陌霋燔?，?0#牽引座則多用于牽引總質(zhì)量達(dá)100 t以上的工程機(jī)械運(yùn)輸半掛車上[9]。并且在相同的牽引車上安裝不同的牽引座，會出現(xiàn)不同的工作效果[10]。牽引座模型如圖1所示，其是由鞍體、支架、拉桿、斜鐵及鎖鉤等部件組成。

圖1 牽引車牽引座結(jié)構(gòu)

2牽引座受力分析

GB-T_20069-2006_道路車輛牽引座強(qiáng)度試驗(yàn)中4節(jié)D值的計(jì)算公式為：

(1)

式中：

D—牽引車與半掛車之間產(chǎn)生的縱向力的計(jì)算值，kN；

T—用于牽引半掛車的牽引車的最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量，t；

R—由牽引座牽引的半掛車的最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量，t；

U—半掛車裝載到其最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量時(shí)，垂直施加在牽引座上的質(zhì)量，t；

g—重力加速度，為9.81 m/s2。

根據(jù)市場提供的數(shù)據(jù)，牽引座試驗(yàn)的U值為30 t，D值為200 kN。GB-T_20069-2006_道路車輛牽引座強(qiáng)度試驗(yàn)中5.3.1節(jié)中垂直試驗(yàn)載荷Fv，t取1.2×g×U，水平試驗(yàn)載荷Fh，t取0.6×D。其計(jì)算結(jié)果為：

Fv，t=1.2×g×U=353.16 kN

(2)

Fh，t=0.6×D=120 kN

(3)

3牽引座有限元分析

考慮到計(jì)算精度和規(guī)模的影響，使用Design Modeler模塊對其進(jìn)行相應(yīng)的簡化。簡化運(yùn)輸過程中不起承載作用的微小零部件和模型中一些細(xì)節(jié)。對半掛車牽引座幾何模型處理之后保留的構(gòu)件包括：牽引座殼體、前支撐筋板、尾部筋板、尾部滑道蓋板、斜鐵、鎖鉤、斜鐵壓板、耐磨環(huán)、U型板、前開口框架板與左貼耳處筋板、支架總成和底板。在實(shí)際情況中，牽引座構(gòu)件間的連接方式選用焊接或螺栓連接。而在有限元模型中，以上2種連接方式均采用綁定接觸，即2個(gè)面是相對固定，并且相互沒有間隙和滑動發(fā)生，視為剛性連接。簡化后模型如圖2所示。

圖2 簡化后90#牽引座三維模型

3.1 定義材料屬性

半掛車牽引座材料由中碳鋼 Q345 組成。材料參數(shù)如表1 所示。

表1 半掛車牽引座材料的參數(shù)

3.2 網(wǎng)格劃分

建立牽引座幾何模型，并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分時(shí)選用帶中間節(jié)點(diǎn)的高階網(wǎng)格，并對關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，以保證計(jì)算精度，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。其總網(wǎng)格單元數(shù)約為84.2萬，總網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)約為151萬，網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.838，網(wǎng)格平均寬高比為1.83，網(wǎng)格平均斜率為0.228。

圖3 90#牽引座網(wǎng)格劃分

3.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

為了盡量減小網(wǎng)格密度對計(jì)算結(jié)果的影響，在相同的牽引座幾何模型和邊界條件下選擇5種網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行計(jì)算，網(wǎng)格數(shù)量分別為：30.6萬、50.5萬、84.2萬、104.5萬和148.1萬。將不同網(wǎng)格數(shù)量下的最大等效應(yīng)力進(jìn)行對比，如圖4所示。從圖4中可以看出，網(wǎng)格數(shù)量對計(jì)算結(jié)果有較大的影響，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量超過84.2萬后，計(jì)算結(jié)果波動較平穩(wěn)，已小于1%。說明在網(wǎng)格數(shù)量超過84.2萬，能滿足其網(wǎng)格無關(guān)性的要求。

圖4 最大等效應(yīng)力隨網(wǎng)格數(shù)量變化關(guān)系

3.4 施加邊界條件

為了使半掛車牽引座分析結(jié)果更為精確，需對其施加邊界條件。由于試驗(yàn)時(shí)牽引座上邊存在剛性板，支架底板下邊存在試驗(yàn)臺，所以對牽引座殼體上表面施加無摩擦支撐，即面內(nèi)可以自由移動，而面外的移動是受限的。對支架底板中的12個(gè)孔施加固定約束，即限制12個(gè)孔處的所有自由度。根據(jù)牽引座實(shí)際使用方式，對其進(jìn)行如下約束和加載：框架貼耳中心圓孔處施加固定約束，鎖鉤處施加向后120 000 N的力，牽引座殼體上表面施加353 160 N的力，對牽引座整體模型施加向下的重力加速度，并添加一定的支撐條件，具體邊界條件如圖5所示。

圖5 邊界條件

3.5 結(jié)果分析

牽引座應(yīng)力云圖如圖6所示，從6圖中可以看出，牽引座應(yīng)力主要集中在加強(qiáng)筋板處和殼體后部，其他大部分區(qū)域應(yīng)力較小。牽引座最大等效應(yīng)力位于后加強(qiáng)筋接觸區(qū)域(具體在圖中Max處)，最大等效應(yīng)力值為318.55 Mpa。

圖6 牽引座整體等效應(yīng)力云圖

牽引座總變形云圖如圖7所示，從圖7中可以看出，牽引座的變形主要發(fā)生在殼體前后兩部分，殼體中部和各加強(qiáng)筋板處基本未發(fā)生變形，牽引座最大變形位于殼體后頂部(具體在圖中的Max處)，最大變形值為0.725 4 mm。

圖7 牽引座總變形云圖

3.6 牽引座的強(qiáng)度校核

牽引座材料是中碳鋼Q345，屈服極限為 345 MPa，牽引座的最大等效應(yīng)力為318.55 MPa，小于其屈服極限強(qiáng)度，最小安全系數(shù)為1.1，因此牽引座強(qiáng)度滿足要求，不會發(fā)生強(qiáng)度破壞。牽引座最大變形值為0.725 4 mm，為其寬度的0.11%，小于牽引座強(qiáng)度試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)定。

4牽引座變形的試驗(yàn)測量與分析

4.1 變形測量方案

對牽引座結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形測量時(shí)，使用伺服作動器對牽引座結(jié)構(gòu)施加載荷，然后通過電液伺服變形測量系統(tǒng)將各測點(diǎn)的變形數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理。試驗(yàn)所采用的設(shè)備如圖8所示，設(shè)備參數(shù)如表2所示。

圖8 電液伺服器變形測量系統(tǒng)

表2 設(shè)備參數(shù)

4.2 變形分析結(jié)果與對比分析

變形試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。在聯(lián)結(jié)條件相同的情況下，對聯(lián)結(jié)板施加沿牽引銷的舉升力為294.3 kN時(shí)，聯(lián)結(jié)板的永久彎曲變形為0.81 mm，為其寬度的0.12%。有限元分析其最大變形量與試驗(yàn)變形結(jié)果相差8%，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相接近，說明了分析過程的可靠性。

圖9 變形試驗(yàn)結(jié)果

5結(jié)論

(1)牽引座最大等效應(yīng)力位于后加強(qiáng)筋接觸區(qū)域，最大等效應(yīng)力值為318.55 MPa，小于Q345的屈服極限，所以牽引座結(jié)構(gòu)是安全的。最大變形位于殼體后頂部，最大變形值為0.725 4 mm。殼體后部的應(yīng)力和總變形較大，是牽引座最脆弱的位置。

(2)利用電液伺服器變形測量系統(tǒng)對牽引座的變形結(jié)果進(jìn)行測量，并提取變形數(shù)據(jù)，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，有限元分析其最大變形量與試驗(yàn)變形量相差較小，且均小于牽引座強(qiáng)度試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)定，證明有限元分析結(jié)果真實(shí)可靠，為半掛車牽引座的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。