熱軋H型鋼在半掛車車架縱梁中應(yīng)用的可行性分析

付常偉，趙新華，楊王輝

1 前言

近年來，中國經(jīng)濟(jì)保持平穩(wěn)較快增長，為現(xiàn)代物流行業(yè)的快速發(fā)展提供了良好的宏觀環(huán)境。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2015年，我國物流總費(fèi)用為10.8萬億元，較上年增長1.9%。物流行業(yè)內(nèi)的通用與專業(yè)分化趨勢日益明顯，由于通用化運(yùn)輸存在進(jìn)入門檻低、競爭激烈、利潤低的問題，專業(yè)化逐漸成為物流企業(yè)發(fā)展的重要方向。作為中重型工程機(jī)械和不可拆卸貨物長途運(yùn)輸?shù)陌霋燔囈苍絹碓绞苤匾?。而半掛車的載重能力越來越高，對車輛的安全性和成本要求也越來越高［1］。由于熱軋H型鋼斷面形狀經(jīng)濟(jì)合理，后續(xù)加工簡單，可以有效降低車架制造周期，解決焊接H型鋼存在的金屬利用率低、板材切割和焊接污染大、焊接變形、焊縫須探傷等缺陷［2］。本研究以Ansys有限元分析為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)有40 t載重半掛車車架縱梁設(shè)計(jì)制造及材質(zhì)使用情況，設(shè)計(jì)了兩個(gè)熱軋H型鋼規(guī)格，在保證車架整體安全性、整體增重2.78%的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)在車架縱梁制造中使用熱軋H型鋼替代焊接H型鋼。

2 車架結(jié)構(gòu)和布局

由于半掛車多用于長途運(yùn)輸，運(yùn)輸?shù)缆非闆r復(fù)雜，因此采用鵝頸式車架。為保證車架縱梁具有足夠的強(qiáng)度和剛度，現(xiàn)有縱梁車架選用Q690鋼板焊接而成。40 t載重半掛車車架縱梁總體布置如圖1所示?？v梁總成由前部鵝頸和后部縱梁構(gòu)成。牽引車通過牽引銷與縱梁總成的前部鵝頸支點(diǎn)1相連，車輪通過輪軸與車架輪軸座相連。

圖1 半掛車車架總布局

縱梁是車架的主要承載構(gòu)件，在半掛車行駛中主要受壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。為滿足半掛車在運(yùn)輸過程中的要求，縱梁采用具有良好抗彎性能，由上翼緣、腹板、下翼緣組成的H形結(jié)構(gòu)。在前后梁連接處增加與腹板厚度一致的三角形加強(qiáng)肋，提高連接處的承載能力。

3 有限元模型及分析

車架縱梁有限元計(jì)算大多采用殼單元和桿單元［3］，這種模型規(guī)模小，但存在計(jì)算結(jié)果不全面、不精確的問題。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力不斷提升和有限元軟件升級，使利用三維實(shí)體單元（solid）對車架進(jìn)行分析成為可能。本研究采用Solid單元，可以對40 t載重半掛車車架縱梁進(jìn)行更加全面精確的分析，圖形化各部位的應(yīng)力和變形，為車架縱梁選材和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3.1 有限元模型

由于40 t載重半掛車車架結(jié)構(gòu)左右對稱，為減少計(jì)算量，取一半作為計(jì)算對象。首先用Auto CAD建立實(shí)體模型，再將此模型導(dǎo)入Ansys中建立有限元模型。本車架采用10節(jié)點(diǎn)二階單元Solid187，單元網(wǎng)格大小手動(dòng)制定，車架鵝頸部分有限元模型見圖2。

圖2 鵝頸部分有限元模型及網(wǎng)格劃分

3.2 載荷和邊界條件

由于半掛車在正常行駛時(shí)，前面部分經(jīng)過牽引銷與牽引車連接，后面部分通過輪軸、車輪支撐與車輪連接，因此，對車架的約束為：前部鵝頸支撐點(diǎn)處為三維面約束，后部梁4個(gè)支撐點(diǎn)為三維線約束。

貨物通過上蓋板作用在整個(gè)車架上，因此全車架上承受均勻載荷的加載方式。整車架滿載重量為40 t，所以此模型所承受的載荷為滿載載重的1/2，方向垂直向下。

4 車架縱梁有限元分析

利用Ansys有限元分析軟件，根據(jù)模型、載荷和邊界條件對現(xiàn)有車架縱梁及熱軋H型鋼制造的車架縱梁進(jìn)行分析對比，包括縱梁的等效應(yīng)力和總變形的最大值、最小值。

4.1 應(yīng)力分布

滿載時(shí)車架縱梁的應(yīng)力分布側(cè)視圖見圖3，最大應(yīng)力部位見圖4。

圖4 車架縱梁最大應(yīng)力部位

從圖3、圖4可以看到，現(xiàn)有車架縱梁最大應(yīng)力為223 MPa（見圖3a），最大應(yīng)力部位為前部鵝頸連接銷處（見圖4a）。根據(jù)專用車設(shè)計(jì)規(guī)范，取安全系數(shù)為1.4［4］，因此車架縱梁制造板材的許用屈服強(qiáng)度為312 MPa。熱軋H型鋼制造的車架縱梁最大應(yīng)力為270 MPa（見圖3b），最大應(yīng)力部位為后部縱梁最左側(cè)支點(diǎn)處（見圖4b）。車架用材料的許用屈服強(qiáng)度為378 MPa（270×1.4）。熱軋H型鋼材質(zhì)選擇Q420B，鋼的屈服強(qiáng)度為420 MPa，大于許用要求，滿足車架使用需求。

4.2 變形分布

圖5是滿載時(shí)車架縱梁的變形量，從圖中可以看到，現(xiàn)有車架縱梁最大位移為9.41 mm，最大位移部位為前部鵝頸與后部梁連接的三角區(qū)（見圖5a）。半掛車車架縱梁的彎曲變形，主要取決于縱梁的剛度，此車架最大軸距Lmax=84 600 mm，根據(jù)專用車設(shè)計(jì)要求，在靜載荷情況下，允許縱梁的最大變形量為ymax=0.003×L［5］即25.38 mm。因此，該車架結(jié)構(gòu)在剛度方面滿足專用車設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，從現(xiàn)場使用情況看，縱梁縱向變形不超過9 mm，與有限元計(jì)算結(jié)果基本吻合。從圖5b可以看到，熱軋H型鋼制造的車架縱梁最大位移為12.95 mm，大于現(xiàn)有車架縱梁變形量，但低于允許縱梁的最大變形量。因此，該車架結(jié)構(gòu)在剛度方面滿足專用車設(shè)計(jì)要求。

圖5 車架縱梁變形情況

5 熱軋H型鋼產(chǎn)品設(shè)計(jì)

5.1 規(guī)格設(shè)計(jì)

現(xiàn)有國標(biāo)H型鋼翼緣厚度和腹板厚度較焊接H型鋼厚，難以滿足車架制造的輕量化要求。根據(jù)前述分析，按照鵝頸前部和后部縱梁分別設(shè)計(jì)熱軋H型鋼規(guī)格：將H148×102×8×9規(guī)格熱軋H型鋼用于前部鵝頸制造，將H309×102×6×9規(guī)格熱軋H型鋼用于后部縱梁制造。焊接H型鋼尺寸和熱軋H型鋼尺寸見表1?，F(xiàn)有車架縱梁總重753.46 kg，使用熱軋H型鋼的車架縱梁總重為757.32 kg。使用熱軋H型鋼的車架縱梁增重3.87kg，增重率為0.51%。

表1 焊接和熱軋H型鋼尺寸對比

5.2 材質(zhì)設(shè)計(jì)

應(yīng)力分析表明，現(xiàn)有車架縱梁滿載時(shí)最大應(yīng)力為223 MPa。車架縱梁制造用材質(zhì)許用屈服強(qiáng)度為312 MPa。參照GB/T 1591—2008標(biāo)準(zhǔn)，熱軋H型鋼的材質(zhì)選擇Q420B，國標(biāo)Q420B力學(xué)性能要求屈服強(qiáng)度≥420 MPa，抗拉強(qiáng)度520～680 MPa，伸長率≥19%，20℃V型縱向沖擊功≥34 J。Q420B熱軋H型鋼的屈服強(qiáng)度滿足車架用材許用屈服強(qiáng)度要求。

6 結(jié)論

6.1 利用有限元模擬軟件Ansys，采用曲棱四面體實(shí)體單元Solid187對車架縱梁進(jìn)行應(yīng)力和變形計(jì)算，結(jié)合熱軋H型鋼生產(chǎn)，按照鵝頸前部和后部縱梁分布設(shè)計(jì)熱軋H型鋼規(guī)格和材質(zhì)，在半掛車車架制造中實(shí)現(xiàn)熱軋H型鋼替代焊接H型鋼。

6.2 熱軋H型鋼替代焊接H型鋼后，車架縱梁結(jié)構(gòu)滿載時(shí)，最大應(yīng)力部位為后部縱梁最左側(cè)支點(diǎn)處，最大應(yīng)力270 MPa；最大位移部位為前部鵝頸與后部梁連接的三角區(qū)，最大位移為12.95 mm，滿足專用車設(shè)計(jì)要求。

6.3 熱軋H型鋼替代焊接H型鋼后，整體縱梁增重3.87kg，增重率為0.51%。

6.4 選擇Q420MPa材質(zhì)，鵝頸前部采用H148×102×8×9規(guī)格熱軋H型鋼，后部縱梁采用H309×102×6×9規(guī)格熱軋H型鋼，可以替代現(xiàn)有焊接H型鋼，用于40t半掛車車架制造。

參考文獻(xiàn)：

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