鵝頸集裝箱半掛車車架結(jié)構(gòu)有限元分析

伍麗娜 廖穎慧 張凱

中汽研汽車檢驗(yàn)中心（武漢）有限公司 湖北武漢 430050

1 前言

隨著物流運(yùn)輸速發(fā)展，具有高效、經(jīng)濟(jì)并且運(yùn)載量大的半掛車運(yùn)輸方式逐漸成為物流運(yùn)輸業(yè)的業(yè)的快首選。半掛車車架作為主要承載件，承受著車內(nèi)外的各種載荷，其可靠性直接決定半掛車能否正常行駛以及行駛的安全性，是影響整車性能的關(guān)鍵部件。雖然車架按等強(qiáng)度設(shè)計(jì)具有一定的安全系數(shù)，但常因軸距較大、路面不平及載荷不合理等原因，致使車架產(chǎn)生疲勞破壞。在半掛車車架設(shè)計(jì)階段運(yùn)用有限元方法進(jìn)行強(qiáng)度、剛度校核，有助于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期并且降低產(chǎn)品開發(fā)成本，同時(shí)為產(chǎn)品優(yōu)化升級(jí)提供有效的理論依據(jù)。

本文以市場(chǎng)上某款鵝頸式集裝箱半掛車車架為研究對(duì)象，利用Hypermesh進(jìn)行劃分網(wǎng)格，基于實(shí)際車載工況對(duì)邊界條件、約束以及載荷進(jìn)行定義，并在OptiStruct中完成求解計(jì)算，從而獲得車架在不同工況下的應(yīng)力和位移變形。

2 車架有限元模型建立

2.1 有限元理論基礎(chǔ)

有限元方法基本求解思想是把計(jì)算域劃分為有限且互不重疊的單元，在每個(gè)單元內(nèi)選擇合適節(jié)點(diǎn)作為求解函數(shù)的插值點(diǎn)，將微分方程中的變量改寫成由各變量或者其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點(diǎn)值，與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達(dá)式，借助于變分原理或加權(quán)余量法，將微分方程離散求解。

材料力學(xué)理論中第三強(qiáng)度理論認(rèn)為最大切應(yīng)力是引起屈服的主要因素，即認(rèn)為無(wú)論什么應(yīng)力狀態(tài)，只要最大切應(yīng)力τmax達(dá)到與材料性質(zhì)有關(guān)的某一極限值，材料就發(fā)生屈服。單向拉伸下，當(dāng)與軸線成45°的斜截面上的時(shí)（此時(shí)橫截面上的正應(yīng)力為σs），出現(xiàn)屈服?？梢姡褪菍?dǎo)致屈服的最大切應(yīng)力的極限值。因?yàn)檫@一極限值與應(yīng)力狀態(tài)無(wú)關(guān)，任意應(yīng)力狀態(tài)下，只要τmax達(dá)到就引起材料的屈服，于是得到屈服準(zhǔn)則為：

第四強(qiáng)度理論認(rèn)為畸變能密度是引起屈服的主要因素。即認(rèn)為無(wú)論什么應(yīng)力狀態(tài)，只要畸變能密度vd達(dá)到與材料性質(zhì)有關(guān)的某一極限，材料就發(fā)生屈服。單向拉伸下，屈服應(yīng)力為σs， 相應(yīng)的畸變能密度為于是得到屈服準(zhǔn)則為：

半掛車車架一般采用碳鋼或鋁材料，根據(jù)材料力學(xué)理論，碳鋼、銅、鋁等塑性材料通常以屈服的形式失效，因此本文依據(jù)式(1)和式(2)作為屈服判斷準(zhǔn)則進(jìn)行有限元計(jì)算分析。

2.2 車架模型建立

半掛車車架結(jié)構(gòu)主要由縱梁、加強(qiáng)橫梁、鎖銷梁等組成，其中縱梁為鵝頸式結(jié)構(gòu)，截面為工字形，由板料拼焊而成，總體采用等變形截面，截面尺寸如圖1所示，集裝箱鎖銷連接橫梁采用整體貫穿式，與縱梁連接處滿焊，截面如圖2(a)所示，加強(qiáng)橫梁截面采用槽形，橫梁連接處滿焊，如圖2(b)所示。在SolidWorks中根據(jù)半掛車車架結(jié)構(gòu)建立3D實(shí)體模型，根據(jù)圣維南原理，模型的局部微小變化和改動(dòng)，并不會(huì)影響到模型總的計(jì)算分析結(jié)果，為了簡(jiǎn)化后續(xù)的網(wǎng)格劃分，減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率，在不影響車架力學(xué)特性的情況下，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化[3-4]。

a. 忽略了非承載部分。半掛車車架部分主要承載位置為縱梁、橫梁以及鎖銷連接橫梁，對(duì)于承載比較小甚至不屬于承載位置的部件可以省略；

b. 略去部分小孔。車架上存在諸多安裝孔、過線孔等結(jié)構(gòu)，其均是為了滿足功能要求設(shè)置，在后期網(wǎng)格處理時(shí)會(huì)影響分析結(jié)果，因此對(duì)其進(jìn)行省略；

c. 部分距離應(yīng)力比較遠(yuǎn)的圓弧過渡簡(jiǎn)化為直角，部分倒角、圓角不予以考慮，以便較少網(wǎng)格劃分和有限元計(jì)算的時(shí)間；

d. 根據(jù)計(jì)算模型的準(zhǔn)確性原則，略去車架的附屬結(jié)構(gòu)，如側(cè)后防護(hù)、水箱、工具箱等。

對(duì)車架進(jìn)行上述簡(jiǎn)化后，所建立的車架三維實(shí)體模型如圖3所示。

圖1 掛車縱梁尺寸圖

圖2 掛車橫梁尺寸圖

圖3 半掛車實(shí)體模型

2.3 車架材料特性

該半掛車車架縱梁、鎖銷連接橫梁部分采用的材料是Q700，橫梁采用的材料為Q345，兩種材料的力學(xué)性能如表1所示。

表1 材料特性表

2.4 網(wǎng)格劃分

將車架三維模型導(dǎo)入Hypermesh中抽取中面和幾何清理，然后使用板殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，得到有限元分析模型，如圖4所示。整體網(wǎng)格由三角形單元、四邊形單元和剛性單元rbe2、rbe3組成，總單元數(shù)量433144個(gè)，整體網(wǎng)格質(zhì)量較好，其中三角形單元占比小于1%。

圖4 車架有限元分析模型

2.5 連接處理

車架各部件之間的連接方式均采用焊接型式，其中焊接又分為滿焊、斷續(xù)焊接以及點(diǎn)焊等，有限元模型中連接方式正確與否將直接影響計(jì)算精度。目前，在有限元模型中模擬焊接最常用的方式是剛性連接和焊接單元連接。本文采用焊接單元處理焊接關(guān)系，依據(jù)實(shí)際焊接情況進(jìn)行模擬焊接，模擬縫焊連接如圖5所示。

圖5 模擬焊接

2.6 懸架模擬

針對(duì)車輛鋼板彈簧懸架簡(jiǎn)化模型的研究表明，等效弧形薄板模型可以有效模擬無(wú)副簧的鋼板彈簧懸架，而有副簧的模型則可采用等效弧形薄板模型+副簧約束方程的模型[1]。根據(jù)半掛車模型實(shí)際承載，設(shè)定鋼板彈簧的總剛度為1400 N/mm。等效弧形薄板一個(gè)重要的幾何參數(shù)就是弧形薄板的厚度，以簡(jiǎn)支梁的形式在弧形薄板兩端施加位移約束，在最大弧高處的一組節(jié)點(diǎn)均勻施加一組方向指向Y軸負(fù)方向，大小為1400 N的合力，如圖6所示。采用二分法進(jìn)行迭代，當(dāng)最大弧高處的變形量大于1 mm時(shí)，增加板厚；反之，減小板厚，直至滿足式（3）[2]。

式中，δ為薄板的最大變形量；ε為誤差，工程上一般采取5%。

圖6 等效鋼板彈簧有限元模型

2.7 載荷及約束

集裝箱半掛車在運(yùn)輸過程中存在多種工況，不同工況下車架受到的載荷也不相同。車輛結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析一般研究彎曲、緊急制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎這三種典型工況[5]，這幾種工況的邊界條件和載荷有所差異。

2.7.1 彎曲工況載荷

彎曲工況是指車輛在靜止或者勻速行駛狀態(tài)下，車架所受載荷主要來源于貨物及集裝箱的壓力和自身的重力。半掛車額定載重34 t，2個(gè)20ft集裝箱貨自重共計(jì)5 t，車架縱梁與橫梁施加的集中力均勻分布在梁的表面，其大小為39000×9.8=382200 N，同時(shí)施加豎直向下的重力加速度9.8 m/s2。如圖7所示，藍(lán)色區(qū)域?yàn)樗虞d載荷。

圖7 載荷分布圖

2.7.2 制動(dòng)工況載荷

緊急制動(dòng)工況主要針對(duì)車輛發(fā)生緊急制動(dòng)的情況，此時(shí)半掛車將受到縱向慣性載荷的作用。貨物及集裝箱對(duì)與車架鎖銷連接處產(chǎn)生的沖擊載荷較大。車架所受載荷包括制動(dòng)慣性力以及與彎曲工況相同載荷。GB 7258-2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行技術(shù)條件》規(guī)定半掛車滿載時(shí)緊急制動(dòng)減速度不小于5 m/s2，本文取緊急制動(dòng)加速度5 m/s2進(jìn)行分析計(jì)算。

緊急制動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力施加于集裝箱與車架連接處，其大小為39000×5=195000 N；貨物和集裝箱對(duì)車架縱梁與橫梁施加的集中力均勻分布在梁的表面，其大小為39000×9.8=382200 N；同時(shí)，施加豎直向下的重力加速度9.8 m/s2，以及對(duì)車架施加緊急制動(dòng)加速度5 m/s2。載荷分布圖如圖8所示，其中藍(lán)色區(qū)域?yàn)樨浳锛凹b箱對(duì)梁所產(chǎn)生的集中載荷，綠色區(qū)域?yàn)榫o急制動(dòng)時(shí)貨物及集裝箱對(duì)連接處所產(chǎn)生的慣性載荷。

圖8 彎曲工況車架載荷分布圖

2.7.3 轉(zhuǎn)彎工況載荷

轉(zhuǎn)彎工況是車輛行駛時(shí)的一個(gè)常見工況，本文模擬滿載時(shí)左轉(zhuǎn)彎工況，半掛車受到垂直方向的載荷之外，還承受因離心力產(chǎn)生的橫向慣性載荷作用?？紤]半掛車整車長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，轉(zhuǎn)彎時(shí)速度較慢，在此選取慣性加速度為0.4 g。轉(zhuǎn)彎工況下所產(chǎn)生的慣性力施加于集裝箱與車架連接處，其大小為39000×4=156000 N；貨物及集裝箱對(duì)車架縱梁與橫梁施加382200 N的集中力，并施加豎直向下的重力加速度9.8 m/s2，同時(shí)對(duì)車架施加慣性加速度3 m/s2，載荷分布如圖9所示，其中藍(lán)色區(qū)域?yàn)樨浳锛凹b箱對(duì)梁所產(chǎn)生的集中載荷，綠色區(qū)域?yàn)檗D(zhuǎn)彎時(shí)貨物及集裝箱對(duì)連接處所產(chǎn)生的慣性載荷。

圖9 轉(zhuǎn)彎工況車架車架載荷分布圖

2.7.4 約束條件

半掛車在實(shí)際行駛過程中，車架與牽引車連接，與懸架系統(tǒng)在吊耳處連接,各種工況下約束條件均一致，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)車架進(jìn)行約束。約束牽引銷X、Y、Z方向的平動(dòng)自由度和X方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；懸架系統(tǒng)（圖10所示）：第一排板簧底部約束Y、Z方向的平動(dòng)自由度，第二、三排板簧底部約束X、Y、Z方向的平動(dòng)自由度（圖11所示）。

圖10 牽引銷約束形式

圖11 懸架系統(tǒng)約束形式

3 車架計(jì)算工況及分析結(jié)果

基于上文建立模型，選取半掛車實(shí)際使用過程中常見的彎曲工況、緊急制動(dòng)以及轉(zhuǎn)彎工況進(jìn)行模擬計(jì)算，分析在滿載下車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

3.1 滿載彎曲工況

施加約束和載荷并運(yùn)算后，在OptiStruct分析工具中得到變形云圖（圖12）。由變形云圖可以看出，車架的最大變形區(qū)域出現(xiàn)在第二橫梁至第三橫梁之間的縱梁上，最大變形量約為16 mm，其原因是由于此處距離前部牽引銷和后部懸架較遠(yuǎn)，剛度較小。

圖13為以Q345、Q700材料的屈服強(qiáng)度過濾后得到的應(yīng)力云圖，由圖可看出，車架板料本身最大應(yīng)力都未超過345 MPa，局部板件焊接處焊核達(dá)到了屈服強(qiáng)度（圖14），表明該處屬于高應(yīng)力區(qū)域。局部應(yīng)力圖顯示牽引座處以及縱梁階梯連接處是高應(yīng)力區(qū)域，因此設(shè)計(jì)制造中需重點(diǎn)關(guān)注，可適當(dāng)加強(qiáng)該處的加強(qiáng)筋厚度。

圖12 彎曲工況車架變形云圖

圖13 彎曲工況車架應(yīng)力云圖

圖14 彎曲工況車架局部應(yīng)力云圖

3.2 滿載緊急制動(dòng)工況

施加載荷和約束后，對(duì)有限元模型進(jìn)行求解，車架變形云圖如圖15、16所示。由變形云圖可以看出，車架的最大變形區(qū)域出現(xiàn)在第二橫梁至第三橫梁之間的縱梁上，最大變形量約為15.4 mm。橫梁受到集裝箱對(duì)其慣性力作用，在X方向發(fā)生形變，最大值在連接處，大小約2 mm。

圖15 緊急制動(dòng)工況車架變形云圖

圖16 緊急制動(dòng)工況車架X方向（縱梁方向）變形云圖

滿載緊急制動(dòng)工況下車架應(yīng)力云圖如圖17，局部應(yīng)力圖如圖18所示，以Q345、Q700和板簧材料的屈服強(qiáng)度過濾云圖，本模型板簧屈服強(qiáng)度設(shè)定為1080 MPa，從圖可以看出，牽引座處由于約束原因引起高應(yīng)力現(xiàn)象，縱梁階梯連接部位焊焊合部分區(qū)域應(yīng)力超過700 MPa，需要重點(diǎn)關(guān)注。

圖17 緊急制動(dòng)工況車架應(yīng)力云圖

圖18 緊急制動(dòng)工況車架局部應(yīng)力云圖

3.3 滿載轉(zhuǎn)彎工況

滿載轉(zhuǎn)彎工況下車架變形云圖如圖19、20所示，由變形云圖可以看出，車架的總最大變形區(qū)域出現(xiàn)在右側(cè)第二橫梁與第三橫梁上，最大變形量約為28 mm。由于轉(zhuǎn)彎慣性影響，橫梁在Y方向發(fā)生形變，最大值在連接處，大小約20 mm。

圖19 轉(zhuǎn)彎工況車架變形云圖

圖20 轉(zhuǎn)彎工況車架Y方向（橫梁方向）變形云圖

滿載轉(zhuǎn)彎工況下以Q345、Q700和板簧材料的屈服強(qiáng)度過濾獲得車架應(yīng)力云圖如圖21，局部應(yīng)力云圖如圖22所示。由應(yīng)力云圖可以看出，在轉(zhuǎn)彎工況下，牽引座處由于約束原因，部分焊核等效應(yīng)力超過700 MPa（黑色），需要關(guān)注?？v梁階梯處的極少量的焊核應(yīng)力超過700 MPa，部分超過345 MPa，需要關(guān)注。第一排板簧附近縱梁部分區(qū)域應(yīng)力超過345 MPa，其材料是Q700，強(qiáng)度足夠，板簧應(yīng)力未超過屈服強(qiáng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

圖21 轉(zhuǎn)彎工況車架應(yīng)力云圖

圖22 轉(zhuǎn)彎工況車架局部應(yīng)力云圖

綜上所述，本文所建立半掛車車架結(jié)構(gòu)存在一定的改進(jìn)空間，在后續(xù)產(chǎn)品改進(jìn)過程中，可以考慮適當(dāng)增大縱梁階梯連接處加強(qiáng)筋的厚度或者改進(jìn)相應(yīng)結(jié)構(gòu)型式來增加此處的強(qiáng)度，避免在長(zhǎng)期的使用中造成階梯處發(fā)生斷裂現(xiàn)象；此外，為保證車架結(jié)構(gòu)的耐久可靠性，需增加牽引銷處橫梁厚度，以提高其強(qiáng)度；在剛度方面，可以在橫梁之間增加加強(qiáng)筋，從而提高整體車架的結(jié)構(gòu)剛度。