半掛車車架縱梁結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

彭永香 杜 芳 付常偉 杜金科 李 萍

1.前言

隨著物流運(yùn)輸?shù)闹鸩桨l(fā)展，半掛車依靠其運(yùn)輸效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)性好、安全性高以及保養(yǎng)費(fèi)用低等一系列優(yōu)勢(shì)，使其在現(xiàn)代物流運(yùn)輸中的作用越來越大，其主要用于工程機(jī)械和一些不可拆卸貨物的長(zhǎng)途運(yùn)輸，是生活中常見的大型載重貨車，被廣泛用于工廠，工地等大型生產(chǎn)或工程所在地，所裝貨物在20噸到40噸，其車架作為其主要承重部件，其安全性要求較高。

由于車架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在強(qiáng)度和剛度計(jì)算方面，如果采用傳統(tǒng)力學(xué)方法，難以得到精確的結(jié)果。有限元法以離散、逼近的靈活算法廣泛的運(yùn)用于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析，已成為一種常用，且效果最好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析方法。本文利用有限元軟件ANSYS對(duì)現(xiàn)有40噸載重半掛車車架進(jìn)行應(yīng)力和變形計(jì)算，明確現(xiàn)有車架縱梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供基礎(chǔ)。通過在最大應(yīng)力處進(jìn)行加強(qiáng)，在整車架縱梁增重0.99%的條件下，將最大應(yīng)力由 390MPa降低到223MPa，可以提高40噸載重半掛車車架的使用安全性。

2.總體結(jié)構(gòu)

半掛車車架縱梁按照縱梁形式，可分為平板式、鵝頸式和凹梁式。平板式承載面大、強(qiáng)度高，但車架重心高，對(duì)道路要求高；凹梁式重心低，但需要一套起吊設(shè)備把貨物放到半掛車上，所以使用成本較高；鵝頸式具有兩者的優(yōu)點(diǎn)，可以兼顧重心低和適應(yīng)道路要求兩方面的要求。

由于半掛車多用于長(zhǎng)途運(yùn)輸，運(yùn)輸?shù)缆非闆r復(fù)雜，因此采用鵝頸式。為保證車架具有足夠的強(qiáng)度和剛度，選用Q690鋼板焊接而成。

2.1 總體布局

40噸載重半掛車車架縱梁總體布置見圖1所示。車架縱梁由前部鵝頸和后部縱梁構(gòu)成。牽引車通過牽引銷與前部鵝頸支點(diǎn)1相連，車輪通過輪軸與車架輪軸座相連。本車架縱梁共兩根。

2.2 縱梁

圖1 半掛車車架總布局圖

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)輸過程中的使用要求，縱梁采用具有抗彎性能良好的H形結(jié)構(gòu)。為保證牽引裝置具有良好的活動(dòng)范圍，車架縱梁的前部較高；而后部的貨箱較低，便于裝卸貨物，并增加半掛車在道路運(yùn)輸過程中的穩(wěn)定性。在前后部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。為降低板材切割和焊接變形，上下翼緣厚度和寬度一致，同時(shí)為減輕車架的重量，縱梁的腹板厚度盡量減小。

3.有限元計(jì)算和分析

車架縱梁有限元計(jì)算大多采用梁?jiǎn)卧蜅U單元，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，同時(shí)也無法得到不同構(gòu)件部位的應(yīng)力分布。隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高及有限元軟件的改進(jìn)，使利用三維實(shí)體單元（Solid）對(duì)車架進(jìn)行全面精確分析成為可能。本文采用Solid單元，對(duì)40噸載重半掛車車架縱梁進(jìn)行分析，計(jì)算各部位的應(yīng)力情況，找出薄弱環(huán)節(jié)，為車架縱梁設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

3.1 有限元模型

由于40噸載重半掛車車架縱梁結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，為減少計(jì)算量，取一半作為計(jì)算對(duì)象。首先用Auto CAD建立實(shí)體模型，然后將此模型導(dǎo)入到ANSYS中建立有限元模型。由于車架縱梁的形狀復(fù)雜，尺寸變化大，如果采用八面體或者其他精度較高的實(shí)體單元，計(jì)算量巨大，而采用屈棱四面體不僅能較好的適應(yīng)不規(guī)則形狀而且可以滿足精度要求。因此，車架縱梁分析中采用10節(jié)點(diǎn)二階單元的Solid187，單元網(wǎng)格大小手動(dòng)制定。

3.2 載荷和邊界條件

由于半掛車在正常使用時(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(duì)車架的約束為：前部鵝頸支撐點(diǎn)處為三維面約束，后部縱梁四個(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噸，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。

3.3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.3.1 原始車架縱梁設(shè)計(jì)的計(jì)算與分析

分析結(jié)果包括等效應(yīng)力和總變形的最大值和最小值。該模型最大應(yīng)力為390MPa，最大應(yīng)力部位為后部縱梁與前部鵝頸連接的加強(qiáng)肋三角區(qū)。根據(jù)專用車設(shè)計(jì)規(guī)范，取安全系數(shù)k=1.4，因此，車架制造板材的許用屈服強(qiáng)度ReL=390MPa×1.4=546MPa?，F(xiàn)有縱梁車架選用Q690鋼板焊接而成，在強(qiáng)度方面富余量較大。

滿載時(shí)車架縱梁的最大位移為12.03mm，最大位移部位為前部鵝頸與后部梁連接的三角區(qū)。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=8460mm，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=25.38mm。因此，該車架縱梁結(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(chǎng)使用情況看，縱梁縱向變形不超過12mm，與有限元計(jì)算結(jié)果基本吻合。

3.3.2 車架設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)原始車架縱梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算與分析，發(fā)現(xiàn)車架的薄弱環(huán)節(jié)為后部梁與前部鵝頸連接處的加強(qiáng)肋。為此，對(duì)原始車架縱梁加強(qiáng)肋進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過對(duì)上下加強(qiáng)肋下面焊接10mm鋼板，以降低該處應(yīng)力值。加強(qiáng)肋優(yōu)化后，整體車架增重14.32kg，較原設(shè)計(jì)增重0.99%。為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果，按照前述方法進(jìn)行了優(yōu)化后車架結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模擬。

3.3.3 有限元分析

分析結(jié)果包括等效應(yīng)力和總變形的最大值和最小值。根據(jù)專用車設(shè)計(jì)規(guī)范，取安全系數(shù)k=1.4，因此，車架制造的板材的需要屈服強(qiáng)度ReL=223×1.4=312MPa。與原始車架縱梁結(jié)構(gòu)相比，許用屈服強(qiáng)度降低42.86%。

滿載時(shí)車架的最大位移為9.41mm，滿足專用車設(shè)計(jì)要求，且與原始車架縱梁相比降低21.78%，最大位移部位為前部鵝頸與后部梁連接的三角區(qū)。從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況看，縱梁縱向變形不超過9mm，與有限元計(jì)算結(jié)果基本吻合。

4.結(jié)論

本文利用有限元軟件ANSYS，采用曲棱四面體實(shí)體單元Solid187對(duì)車架縱梁進(jìn)行應(yīng)力和變形計(jì)算，找出車架縱梁受力的薄弱環(huán)節(jié)，并對(duì)原有加強(qiáng)肋進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后，整體縱梁增重率0.99%，最大應(yīng)力降低率42.86%。

（1）原車架縱梁結(jié)構(gòu)滿載時(shí)，最大應(yīng)力部位為后部梁與前部鵝頸連接的加強(qiáng)肋的三角區(qū)，最大應(yīng)力達(dá)390MPa；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12.03mm，滿足專用車設(shè)計(jì)要求。

（2）根據(jù)最大應(yīng)力和部位，對(duì)原有加強(qiáng)肋進(jìn)行優(yōu)化。與原結(jié)構(gòu)相比，整體縱梁增重14.32kg，增重0.99%。

（3）縱梁優(yōu)化后，車架縱梁結(jié)構(gòu)滿載時(shí)，最大應(yīng)力部位為前部鵝頸連接銷處，最大應(yīng)力為223MPa，較原始車架縱梁結(jié)構(gòu)降低42.86%；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9.41mm，滿足專用車設(shè)計(jì)要求，且較原結(jié)構(gòu)降低21.78%。

參考文獻(xiàn)略