某半掛車的設(shè)計與分析

田甜，翟豪瑞

（鹽城工學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

前言

半掛車車架作為整車的主要承載基體，承受著來自車輛自身與外部各種形式的復(fù)雜載荷，也是許多專用工作裝置以及重要總成的安裝基礎(chǔ)。本文結(jié)合實際情況，參照半掛車整車車架參數(shù)，建立了車架的三維模型，對其簡化后，導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS Workbench進行分析。[1]在承受38噸額定載荷情況下進行靜力分析，分別得到滿載、滿載轉(zhuǎn)向、滿載制動工況下的總變形量和等效應(yīng)力云圖，以此判斷車輛能否安全行駛；通過模態(tài)分析，研究車架前6階固有頻率，避免共振，為設(shè)計分析提供參考。

1 半掛車車架三維模型的建立[2]

試驗骨架式集裝箱半掛車，其額定載荷為38噸，車架總長14720mm，總寬2500mm。[3]

1.1 原始半掛車車架三維模型

半掛車車架主要由若干橫梁、縱梁、工具箱等形成。本文的模型是在UG軟件中建立的，由于骨架式集裝箱半掛車整車的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜性，零件重多，為了節(jié)約建模時間，在不影響車架整體性能、零件固定以及各零件間裝配關(guān)系的前提下，將為了滿足行車使用要求或構(gòu)造而在車架上設(shè)置的卻對三維模型的建立沒必要的次要構(gòu)件去除，得到如圖1所示。

圖 1 半掛車車架原始三維模型

1.2 簡化后半掛車車架三維模型

為了建立有限元模型時有限元前處理的簡便，需要減少網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量以提高計算的精度與速度，故仍需對圖1簡化：

1）忽略車架上對結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響不大的所有工藝所需圓角、倒角以及細(xì)小折彎等，以便減少網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量、減少計算量和節(jié)約計算時間；并將距離應(yīng)力較遠的過渡圓弧簡化為直角。

2）忽略半掛車車架上直徑較小或僅是為了滿足功能而設(shè)置的工藝孔、鉚接孔 、安裝孔、吊環(huán)孔、路線孔以及螺栓孔等。

3）忽略半掛車車架上的非承載結(jié)構(gòu)：忽略不重要的且承受的載荷很小甚至于無的結(jié)構(gòu)，例如支腿座板、支腿座加強筋。

4）去除半掛車車架上的附屬部件：側(cè)防護（左右側(cè)防護、側(cè)防護多功能架、側(cè)防護立桿、側(cè)防護支架）；側(cè)燈支架、側(cè)燈支架座；工具箱、工具箱前后吊帶、工具箱前后支撐。

最終簡化后的半掛車車架模型如圖2所示。

圖2 半掛車車架簡化后三維模型

2 半掛車車架有限元模型的建立

2.1 材料屬性

半掛車車架主要由若干橫梁和縱梁等焊接而成，車架材料采用 16MnL，其車架力學(xué)參數(shù)如下表所示（見表 1）。對于車架單元類型的挑選，主要取決于半掛車車架結(jié)構(gòu)的物理幾何形狀、計算精度、載荷類型等。

表1 半掛車車架力學(xué)參數(shù)

2.2 網(wǎng)格劃分

本文首先定義有限元模型的網(wǎng)格精度，其中網(wǎng)格相關(guān)度設(shè)為50，劃分質(zhì)量設(shè)為 Medium，定義劃分的方法為自動網(wǎng)格劃分形式。因為半掛車車架結(jié)構(gòu)模型比較規(guī)則，所以在進行網(wǎng)格劃分時，根據(jù)網(wǎng)格劃分原則，網(wǎng)格類型主要選擇六面體形式為主的網(wǎng)格進行劃分，具體示意圖如下（見圖 3）。半掛車車架進行網(wǎng)格劃分后，節(jié)點數(shù)量為546194個，總單元數(shù)量為178311個。

圖3 半掛車車架有限元模型

2.3 約束及施加載荷

根據(jù)骨架式集裝箱半掛車實際行駛情況，選擇在約束狀

態(tài)下分析車架的模態(tài)分布，這樣更能準(zhǔn)確反映出半掛車車架的震動分布情況。本實驗使用靜強度分析，來驗證半掛車車架整體結(jié)構(gòu)在承受額定載荷為38噸的情況下，車架是否能夠安全運行。全部額定載荷分布在上翼板，且取 1.8的動載荷。如表2所示設(shè)置半掛車車架有限元模型的邊界約束。

表2 半掛車車架有限元模型的邊界約束

3 半掛車車架靜力分析

半掛車車架整體結(jié)構(gòu)在承受 38噸額定載荷的情況下進行靜力分析，分別得到在滿載工況、滿載轉(zhuǎn)向工況、滿載制動工況下的總變形量云圖（Total Deformation）和等效應(yīng)力云圖（Equivalent Stress），此來判斷半掛車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，車輛是否能夠安全穩(wěn)定行駛。[4]

3.1 滿載工況

對半掛車車架在滿載工況下分析得到總變形量云圖如圖4，最大位移值 0.34941mm，發(fā)生在車架結(jié)構(gòu)邊緣位置，與實際相符。

而在半掛車車架其他位置上，其結(jié)構(gòu)的變形量則很小，其中主要以藍色以及綠色為主。并且從車架整體結(jié)構(gòu)上看，其最大位移值較小，故而并不會影響半掛車車架結(jié)構(gòu)的正常運行，因此半掛車車架在滿載工況下，車輛能夠安全穩(wěn)定的運行。

圖4 滿載工況下的總變形量云圖

通過滿載工況下半掛車車架等效應(yīng)力云圖如圖5可以清晰的了解到，半掛車車架的最大Mises應(yīng)力值為 216Mpa，且最大值發(fā)生在車架結(jié)構(gòu)的支撐連接位置，與實際情形比較相符。最大應(yīng)力數(shù)值低于材料的屈服強度，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)較大。

而在半掛車車架其他位置上，大部分的Mises應(yīng)力值都相對都比較小，如圖所示云圖主要以藍色以及綠色為主，這說明半掛車車架在滿載工況下，車架能夠正常運行，車輛不會發(fā)生破壞。

圖5 滿載工況下的等效應(yīng)力云圖

3.2 滿載轉(zhuǎn)向工況

對半掛車車架的滿載轉(zhuǎn)向工況下分析，得到總變形量云圖如圖6，最大位移值為0.2765mm，它發(fā)生在車架結(jié)構(gòu)的中間位置，與實際相符。

從車架整體結(jié)構(gòu)上看，主要以藍色以及綠色為主，且由于最大位移值較小，故而并不會影響到半掛車車架結(jié)構(gòu)的正常運行，因此車架在滿載轉(zhuǎn)向工況下，車輛能夠安全穩(wěn)定的運行。

圖6 滿載轉(zhuǎn)向工況下的總變形量云圖

圖7 滿載轉(zhuǎn)向工況下的等效應(yīng)力云圖

滿載轉(zhuǎn)向工況下等效應(yīng)力云圖如圖 7，車架最大 Mises應(yīng)力值 290.43Mpa，且最大值在車架結(jié)構(gòu)的前端支撐連接位置，與實際相符。最大應(yīng)力數(shù)值低于材料的屈服強度，安全系數(shù)較大。

而等效應(yīng)力云圖中主要以藍色以及綠色為主，這說明車架在滿載轉(zhuǎn)向工況下，能夠正常的運行，車輛不會發(fā)生破壞。

3.3 滿載制動工況

對半掛車車架滿載制動工況下分析得總變形量云圖如圖8，且最大位移值0.23103mm，在車架中間位置，與實際相符。

且車架整體結(jié)構(gòu)以藍色以及綠色為主，故不會影響到車架結(jié)構(gòu)正常運行，因此在滿載制動工況下，車輛能夠安全穩(wěn)定的運行。

圖8 滿載制動工況下的總變形量云圖

滿載制動工況下半掛車車架模型的等效應(yīng)力云圖如圖 9所示，其最大Mises應(yīng)力值為264.93Mpa，且最大值在車架結(jié)構(gòu)的前端支撐連接位置，與實際相符。最大應(yīng)力數(shù)值低于屈服強度，安全系數(shù)較大。

而半掛車車架其他位置，大部分Mises應(yīng)力值都較小且以藍色以及綠色為主，這說明半掛車車架在滿載制動工況下，車架結(jié)構(gòu)能夠正常的運行，車輛不會發(fā)生破壞。

圖9 滿載制動工況下的等效應(yīng)力云圖

4 半掛車車架模態(tài)分析[5]

由于現(xiàn)實情況的影響，半掛車車架承受的載荷復(fù)雜，不僅是來自貨物，還要承受由于路面行駛狀況復(fù)雜而產(chǎn)生的來自地面的沖擊載荷，當(dāng)車輛行駛使，車輛接到外界產(chǎn)生某一激勵，這與我們所駕駛的半掛車的某一階的固有頻率相同，這時，車輛就會共振，從而對人、車造成傷害。因此，對半掛車車架的有限元模態(tài)分析是為了獲得其各階的固有頻率，以此盡量避免共振。本文分析得到前6階的頻率數(shù)值（見圖10和表3）。[6]

圖10 1～6階的頻率數(shù)值

表3 車架模態(tài)分析結(jié)果

且車架的前6階振型云圖如下圖所示（見圖11～圖16）。

圖11 第1階振型圖

圖12 第2階振型圖

圖13 第3階振型圖

圖14 第4階振型圖

圖15 第5階振型圖

圖16 第6階振型圖

5 總結(jié)

本文基于UG和ANSYS Workbench軟件對半掛車車架進行設(shè)計與有限元分析，判斷車架設(shè)計是否合理安全。

（1）通過靜力分析分別得到滿載、滿載轉(zhuǎn)向和滿載制動工況下的總變形量以及等效應(yīng)力云圖，得出各工況下車架都能安全行駛。

（2）通過模態(tài)分析得到車架的前6階固有頻率，與車架受到的外界激振頻率比較，從而避免共振。