林樹(shù)生

摘 要：廂式半掛車(chē)是我國(guó)長(zhǎng)途物流的主要運(yùn)輸工具，特別是快遞行業(yè)90%以上采用這類(lèi)密閉廂式半掛車(chē)。本文對(duì)廂式半掛車(chē)的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，主要目的是滿足目前快遞行業(yè)車(chē)輛轉(zhuǎn)型升級(jí)的需要，設(shè)計(jì)出一款貼切市場(chǎng)、滿足輕量化發(fā)展方向要求的廂式半掛車(chē)產(chǎn)品。本次研究，采用理論結(jié)合實(shí)際的研究方法，先闡述了快遞廂式半掛車(chē)發(fā)展的現(xiàn)狀，再分析鋁合金在半掛車(chē)上的應(yīng)用；之后根據(jù)具體需求展開(kāi)邊梁式車(chē)架鋼鋁拼裝廂式半掛車(chē)的實(shí)際設(shè)計(jì)，通過(guò)搭建有限元模型、優(yōu)化工況荷載等方式完成優(yōu)化設(shè)計(jì)，以仿真結(jié)果優(yōu)化驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性與合理性，以能夠設(shè)計(jì)出輕量化低能耗、大容積、高可靠和高效率的廂式半掛車(chē)產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：邊縱梁式車(chē)架 鋼鋁 廂式半掛車(chē) 開(kāi)發(fā) 優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代社會(huì)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的安全高效發(fā)展，我國(guó)政府對(duì)各個(gè)行業(yè)提出了“節(jié)能減排”、“綠色環(huán)保”的要求，同時(shí)不斷加大對(duì)運(yùn)輸行業(yè)的超載、超限和非法改裝的打擊力度?；诖朔N背景，如何設(shè)計(jì)出符合輕量化需求、具有節(jié)能環(huán)保低能耗和合法合規(guī)特征的半掛車(chē)產(chǎn)品，是需要重點(diǎn)思考的問(wèn)題。同時(shí)在半掛車(chē)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員以實(shí)際情況明確設(shè)計(jì)思路，根據(jù)不同的產(chǎn)品特征靈活選擇合適的車(chē)架類(lèi)型，以及布置方式[1]。之后，借助現(xiàn)代系統(tǒng)完成有限元模型搭建、工況荷載分析，進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)，完成符合要求的快遞類(lèi)廂式半掛車(chē)產(chǎn)品。

1 快遞廂式半掛車(chē)發(fā)展現(xiàn)狀

目前快遞物流車(chē)作為我國(guó)體量最大的公路載體，其保有量和增量在“十三五”頗具亮點(diǎn)，但骨架車(chē)+非標(biāo)箱的運(yùn)輸模式，具有違規(guī)風(fēng)險(xiǎn)阻斷了正軌有實(shí)力半掛車(chē)生產(chǎn)企業(yè)的進(jìn)入，現(xiàn)有運(yùn)行產(chǎn)品超長(zhǎng)、超寬、超高，產(chǎn)品參差不齊。隨著運(yùn)輸行業(yè)的不斷規(guī)范和安全運(yùn)輸主體責(zé)任的明確，快遞物流運(yùn)輸半掛車(chē)已開(kāi)啟向合規(guī)車(chē)輛的轉(zhuǎn)變。同時(shí)，快遞行業(yè)的快速發(fā)展，促使快遞公司一次性訂單量越來(lái)越大和產(chǎn)品要求更高端化，決定其選擇的生產(chǎn)廠家必定為有實(shí)力的大公司。因此，開(kāi)發(fā)一款可靠、高效、輕量化、低耗能的廂式半掛車(chē)具有廣闊的市場(chǎng)前景。

2 鋁合金在半掛車(chē)上的應(yīng)用分析

高強(qiáng)鋼在我國(guó)半掛車(chē)上使用最多，其設(shè)計(jì)水平、工藝制造水平基本成熟。而鋁合金具有密度小、耐腐蝕等特點(diǎn)，且型材易擠壓成型，故近年來(lái)鋁合金在半掛車(chē)上應(yīng)用快速升溫。但其強(qiáng)度低、焊接接口易脆裂，目前更多應(yīng)用在液罐車(chē)、冷藏車(chē)、骨架車(chē)等運(yùn)輸鋼性較好的車(chē)輛上。從裝載受力特點(diǎn)和運(yùn)輸安全的角度考慮，承載式半掛車(chē)對(duì)材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著很高的標(biāo)準(zhǔn)要求。目前仍然是以鋼鐵作為主要材料，鋁合金因價(jià)格、產(chǎn)品特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等原因而很少使用，這與國(guó)外有著較大差距。而歐美的半掛車(chē)，已有80%以上使用鋁合金廂體；在日本，鋁合金半掛車(chē)廂體的市場(chǎng)份額甚至超過(guò)90%。從材料性能方面考慮，常見(jiàn)鋁合金系列中，1系、3系、4系、5系低鎂、8系鋁合金屬于低強(qiáng)度材料，無(wú)法應(yīng)用于大重量承力部件；2系、7系鋁合金屬于中強(qiáng)度材料，但由于價(jià)格昂貴、抗應(yīng)力腐蝕敏感性差等特點(diǎn)，多用于軍工、航空航天、高端民品等領(lǐng)域的非承力焊接部件；5系、6系高鎂鋁合金屬于中等強(qiáng)度材料，具有優(yōu)良的耐蝕性與焊接性，是半掛車(chē)的輕量化潛在目標(biāo)材料。

3 邊梁式車(chē)架鋼鋁拼裝廂式半掛車(chē)的開(kāi)發(fā)及優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 確定開(kāi)發(fā)車(chē)型選擇

2021年高速公路貨車(chē)收費(fèi)由計(jì)重改為按軸數(shù)收費(fèi)，對(duì)于快遞行業(yè)裝載重量一般在12～15噸每百立方的特點(diǎn)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 1589-2016《汽車(chē)掛車(chē)及汽車(chē)列車(chē)外廓尺寸軸荷及質(zhì)量限值》作為設(shè)計(jì)依據(jù)，選擇單軸半掛與4*2牽引車(chē)組成3軸列車(chē)即可滿足運(yùn)輸載重要求，而公路收費(fèi)比兩軸半掛車(chē)的少18.6%，因此，單軸廂式半掛車(chē)是合規(guī)車(chē)輛轉(zhuǎn)變后的快遞最佳選擇。

3.2 車(chē)架設(shè)計(jì)

一般來(lái)說(shuō)，車(chē)架需要根據(jù)不同工況和運(yùn)輸需求選擇，不同形式車(chē)架滿足不同的半掛車(chē)使用需求[2]，具體如下。

（1）中梁式半掛車(chē)車(chē)架。中梁式車(chē)架結(jié)構(gòu)，主要是兩根主縱梁+兩根邊梁通過(guò)橫梁連接而成，目前90%以上半掛車(chē)多采用中梁式車(chē)架。

（2）邊梁式半掛車(chē)車(chē)架。邊梁式車(chē)架，就是由左右兩根邊縱梁通過(guò)橫梁構(gòu)成的車(chē)架，無(wú)中縱梁，邊梁既是縱梁；目前在框架式轎運(yùn)半掛車(chē)上應(yīng)用。此類(lèi)車(chē)架在提升車(chē)架扭轉(zhuǎn)剛度、提高運(yùn)載能力方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，快遞物流廂式半掛車(chē)可優(yōu)選該結(jié)構(gòu)，滿足大容積和側(cè)穩(wěn)定性需求。

（3）綜合式車(chē)架。綜合式車(chē)架就是指集合了邊梁式車(chē)架、中梁式車(chē)架特征的車(chē)架結(jié)構(gòu)。在車(chē)架的前端采用邊梁式結(jié)構(gòu)，降低車(chē)架高度以降低重心；在車(chē)架的中部采用中梁式結(jié)構(gòu)，便于安裝輪胎、懸架構(gòu)件。

本次要設(shè)計(jì)的廂式半掛車(chē)的車(chē)架產(chǎn)品，車(chē)架結(jié)構(gòu)需要具備多拉快跑可靠的特征，因此，確定車(chē)架類(lèi)型為邊梁式，極大地滿足了長(zhǎng)途快遞物流大容積、穩(wěn)定性好、車(chē)架車(chē)廂一體式設(shè)計(jì)等各種需求，是一種突破現(xiàn)有市場(chǎng)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益。

本次設(shè)計(jì)的邊縱梁車(chē)架不需要考慮寬度因素，兩邊縱梁外側(cè)寬度與車(chē)輛同寬即可（見(jiàn)圖1車(chē)架方案）

3.3 車(chē)廂設(shè)計(jì)

2020年10月，由工信部指導(dǎo)、中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)牽頭組織編制的《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖2.0》中也提出了未來(lái)5-15年商用車(chē)油耗目標(biāo)，即相較2019年水平，到2025年油耗降低8%以上，面對(duì)愈發(fā)嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)和日漸緊迫的“雙碳”目標(biāo)壓力，整車(chē)輕量化與供應(yīng)鏈低碳化成為了我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)達(dá)成“雙碳”目標(biāo)的重要突破口之一。

整車(chē)輕量化就是在保證車(chē)輛強(qiáng)度和安全性能前提下，降低整備質(zhì)量，從而提高動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

當(dāng)今油價(jià)持續(xù)攀升、治超治限持續(xù)加嚴(yán)，輕量化的車(chē)意味著合規(guī)裝載的貨物更多，在保障道路交通安全的同時(shí)，可以有效提升貨運(yùn)效率與盈利率。例如載貨車(chē)每減重1000kg，按年行駛10萬(wàn)公里計(jì)算，用戶可獲益3.5-7萬(wàn)元。對(duì)于快遞車(chē)輛年行駛30萬(wàn)公里左右，收益性更加可觀。因此本廂式半掛車(chē)車(chē)廂僅用于隔檔快遞類(lèi)輕泡貨物，借鑒在用車(chē)輛經(jīng)驗(yàn)，全鋁車(chē)身即可滿足要求。但是本車(chē)型技術(shù)難點(diǎn)在于鋼車(chē)架與鋁車(chē)廂的連接方式和強(qiáng)度問(wèn)題，通過(guò)反復(fù)分析論證，可以選定圖2的四種螺栓連接方式。

4 車(chē)架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 車(chē)架構(gòu)成輸入

車(chē)架做為承受汽車(chē)的載荷和從車(chē)輪傳來(lái)的沖擊。車(chē)架設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)的好壞直接決定車(chē)輛的成敗，因此車(chē)架必需進(jìn)行校核與優(yōu)化，特別是本文開(kāi)發(fā)的車(chē)輛采用鋁制車(chē)廂，分擔(dān)車(chē)架的載荷有限，獨(dú)立對(duì)車(chē)架進(jìn)行校核分析：采用全高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)，主要材質(zhì)為Q700合金鋼，采用焊接連接方式；車(chē)架構(gòu)成包括：縱梁、橫梁、面板、牽引機(jī)構(gòu)、前后端梁等。

4.2 搭建有限元模型

根據(jù)已經(jīng)確定的半掛車(chē)車(chē)架類(lèi)型、車(chē)架結(jié)構(gòu)、各構(gòu)件材料材質(zhì)、載荷布置及大小等信息資料，搭建車(chē)架的有限元模型。（1）幾何清理。在車(chē)架模型搭建過(guò)程中，需要對(duì)其進(jìn)行幾何清理，簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，這樣可以將大量繁雜的計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單化。幾何清理中，對(duì)車(chē)架模型中的部分圓弧部位進(jìn)行網(wǎng)格化較為困難，但是這種情況對(duì)車(chē)架模型的影響很微小，因此，在幾何清理的過(guò)程中可以刪除這些細(xì)小特征，以便于網(wǎng)格化處理[3]。（2）由于車(chē)架結(jié)構(gòu)規(guī)格較大，為了避免在求解的過(guò)程中產(chǎn)生大量計(jì)算量，設(shè)定網(wǎng)格大小為10mm，對(duì)某些復(fù)雜部分結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格大小設(shè)定為6mm-8mm，以四邊形網(wǎng)格形式呈現(xiàn)，確保求解精度。（3）完成網(wǎng)格化之后，對(duì)車(chē)架的各個(gè)部分網(wǎng)格進(jìn)行連接，以焊接為連接方式，在Hypermesh軟件中實(shí)現(xiàn)。車(chē)架焊接方式較為單一，可以采用縫合焊工藝，形成直線焊接縫軌跡；采用塞焊工藝，形成圓形焊接軌跡。采用REE2剛性單元模擬螺栓連接形式，對(duì)螺栓孔網(wǎng)格進(jìn)行加密，同時(shí)添加washer。完成焊接與螺栓連接的建模之后，就可以得到車(chē)架的有限元模型。

本車(chē)架模型情況：長(zhǎng)13750mm，寬2500mm，網(wǎng)格數(shù)量424707，三角形網(wǎng)格數(shù)量4808。

4.3 優(yōu)化工況荷載

半掛車(chē)在行駛的過(guò)程中會(huì)面臨很多工況，因此，需要對(duì)車(chē)架的工況荷載進(jìn)行優(yōu)化，促使其滿足半掛車(chē)的使用需求。不同工況條件下，車(chē)架承受的荷載不同，本文采用靜力學(xué)對(duì)緊急制動(dòng)、緊急轉(zhuǎn)彎、彎曲三種極端情況的工況進(jìn)行分析。結(jié)合構(gòu)件變形規(guī)定參數(shù)，對(duì)有限元模型進(jìn)行重量加載，促使質(zhì)量單元均勻分布于車(chē)架上翼面上，重量參數(shù)18t。隨后開(kāi)展靜強(qiáng)度分析，充分考慮動(dòng)載系數(shù)條件，設(shè)計(jì)彎曲工況的荷載系數(shù)為2.0，設(shè)計(jì)制動(dòng)工況、轉(zhuǎn)彎工況的動(dòng)荷載系數(shù)為1.3。根據(jù)實(shí)際行駛情況、標(biāo)準(zhǔn)要求，擬定工況條件如表1。

4.4 基于仿真結(jié)果的優(yōu)化

在完成上述的有限元模型搭建、工況荷載優(yōu)化之后，將有限元模型的搭建成果轉(zhuǎn)化成bdf模式，在Nastran軟件中求解分析，得到的結(jié)果導(dǎo)入Hyperview軟件中，生成極端工況條件的位移圖、應(yīng)力云圖[4]。從生成的仿真結(jié)果來(lái)看，車(chē)架的整體剛度分布均勻，在承受18t時(shí)，最大位移發(fā)生在鵝頸處，位移大小為49mm，位移方向?yàn)樨Q直向下。車(chē)架平均應(yīng)力在250-270MPa之間，且均勻分布，但是在車(chē)架輪罩位置和鵝頸位置存在部分應(yīng)力集中情況，局部達(dá)到500MPa（見(jiàn)圖3應(yīng)力云圖）?？梢缘弥@些部位是安全隱患，需要進(jìn)一步調(diào)節(jié)或加強(qiáng)處理這一位置，適當(dāng)減少應(yīng)力強(qiáng)度，提高可靠性，使車(chē)輛運(yùn)載安全系數(shù)更高。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本次研究的單軸邊縱梁式鋼鋁結(jié)構(gòu)廂式半掛車(chē)經(jīng)過(guò)優(yōu)化后滿足運(yùn)輸工況要求。設(shè)計(jì)時(shí)考慮了實(shí)際運(yùn)營(yíng)需求和作業(yè)環(huán)境選擇了合適的車(chē)架類(lèi)型，才能夠開(kāi)發(fā)出契合需求的半掛車(chē)。在今后的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)中，建議要多方考慮，靈活選擇不同的車(chē)架；同時(shí)考慮節(jié)能減排要求，通過(guò)搭建有限元模型完成車(chē)架設(shè)計(jì)，減輕整車(chē)的重量，促使其滿足市場(chǎng)的輕量化車(chē)架需要；也可以適當(dāng)調(diào)整結(jié)構(gòu)型，提升車(chē)架部分構(gòu)件強(qiáng)度，避免其在長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)之下疲勞產(chǎn)生斷裂，提升邊縱梁式半掛車(chē)車(chē)架的應(yīng)用水平。在當(dāng)下鋁焊普及不足的情況下，考慮到維修及時(shí)性和便利性，本次研究的廂式車(chē)型先采用鋼鋁混合結(jié)構(gòu)，即車(chē)廂采用鋁合金，車(chē)架采取高強(qiáng)鋼焊接再拼裝而成的方式，日后再逐步走向全鋁化。

參考文獻(xiàn)：

[1]田甜，翟豪瑞.某半掛車(chē)的設(shè)計(jì)與分析[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2020，45（23）：66-69.

[2]彭永香，杜芳，付常偉，杜金科，李萍.半掛車(chē)車(chē)架縱梁結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化[J].中國(guó)鋼鐵業(yè)，2019（05）：59-60.

[3]郭海剛，趙富鐸，王永靜. 一種能上叉車(chē)的半掛車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[C]//.第十五屆河南省汽車(chē)工程科技學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，2018：108-109.

[4]趙陽(yáng). 基于準(zhǔn)動(dòng)態(tài)模型的半掛車(chē)縱梁輕量化優(yōu)化[C]//.2018中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集，2018：1405-1409.