基于HyperWorks的自卸半掛車車架有限元分析及輕量化設(shè)計(jì)

王彥崗 韋仁寶 李會 何江龍

【摘 要】對某自卸半掛車車架，應(yīng)用Hyperworks軟件建立有限元模型，在4種典型工況下進(jìn)行剛強(qiáng)度仿真分析。結(jié)果表明，原有結(jié)構(gòu)車架應(yīng)力水平較低，彈性變形較小，可以進(jìn)一步開展輕量化設(shè)計(jì)。分別采用LG750L和LG980LE材料對車架“工”字梁進(jìn)行優(yōu)化后，結(jié)構(gòu)材料厚度減薄，整體剛度減弱，結(jié)構(gòu)應(yīng)力有所增大，但由于材料許用應(yīng)力增大，所以相應(yīng)的安全系數(shù)符合設(shè)計(jì)要求，整個車架分別減重6.4%和13.7%，達(dá)到了較好的輕量化效果，提高了整車的運(yùn)營效益，為自卸半掛車輕量化設(shè)計(jì)提供了理論支持。

【關(guān)鍵詞】Hyperworks;自卸半掛車;車架;有限元;輕量化

【中圖分類號】U469.53 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）03-0029-04

自卸半掛車的發(fā)展，提高了運(yùn)輸效率，延長了經(jīng)濟(jì)運(yùn)距，近年來廣泛應(yīng)用于公路運(yùn)輸和工程建設(shè)領(lǐng)域[1]。近年來，隨著相關(guān)法規(guī)的完善和行業(yè)的競爭日趨激烈，市場對自卸半掛車的輕量化要求也越來越高。本研究以某自卸半掛車車架為對象，應(yīng)用Hyperworks軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度仿真分析，在滿足車架強(qiáng)度和剛度的前提下，進(jìn)行材料升級和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，盡量使車架輕量化，以獲得最大的燃油經(jīng)濟(jì)性，大幅度降低運(yùn)輸成本[2-3]。此車按最大載重60 t設(shè)計(jì)，主要運(yùn)載砂石和煤等貨物。某輕量化自卸半掛車如圖1所示。

1 有限元建模

1.1 材料特性參數(shù)

自卸半掛車車架原始結(jié)構(gòu)“工”字梁和橫梁均采用Q355B材質(zhì)，“工”字梁上、下翼板均為10 mm，腹板為6 mm;焊縫采用50 kg焊絲，橫梁縱梁交錯對接處均滿焊。車架輕量化要求“工”字梁分別采用LG750L、LG980LE高強(qiáng)鋼，從結(jié)構(gòu)和厚度上進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。材料性能參數(shù)見表1。

1.2 網(wǎng)格劃分

該車架零件由鋼板直接拼焊或折彎成型后拼焊而成，零部件的幾何尺寸遠(yuǎn)大于板厚，所以對車架采用殼單元（PSHELL）進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元類型以四邊形單元為主[4]。為保證計(jì)算效率，本仿真分析采用的網(wǎng)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)見表2。

1.3 有限元模型

自卸半掛車的車架與車廂通過傾翻軸和舉升油缸座連接，在有限元分析過程中，如果單獨(dú)分析車架，不容易確定其邊界條件，所以在分析車架結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度時將車架與車廂一起建模，應(yīng)用Hyperworks軟件對整個模型進(jìn)行計(jì)算分析。整體仿真有限元模型如圖2所示。

1.4 載荷工況及邊界

自卸半掛車的工作狀況很復(fù)雜，為了便于對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，主要選取影響車架剛強(qiáng)度的4個典型工況：顛簸工況、舉升工況、轉(zhuǎn)彎工況和扭轉(zhuǎn)工況[5]，各工況施加的載荷及邊界條件分別如下：載荷施加：在顛簸路況，將動載荷以靜載荷施加的形式模擬貨物對車輛的沖擊，按2.5倍的動載系數(shù)加載;整個車廂被舉起傾倒貨物時，底部和車架處于分離的臨界狀態(tài)，可理解為車廂與副車架之間的角度為1°;在轉(zhuǎn)彎時，貨物在離心力的作用下擠壓車廂邊板，作用力的大小和加速度有關(guān)，考慮0.5 g的加速度，即按1.5倍動載系數(shù)加載;在凹凸不平路面，車架左右縱梁受載不對稱導(dǎo)致車架受到扭轉(zhuǎn)載荷的作用，假設(shè)左后輪與右前輪懸空，其他車輪正常著地，取動載系數(shù)為1.5。？譺？訛邊界條件：4種工況均對車架牽引銷所在平面的節(jié)點(diǎn)釋放Z方向（車架高度方向）的轉(zhuǎn)動自由度，約束其余5個自由度。顛簸工況和轉(zhuǎn)彎工況相同，對所有懸架吊耳處節(jié)點(diǎn)的X、Y、Z方向的平動自由度進(jìn)行約束;在底板與車架接觸區(qū)域添加接觸。舉升工況，約束部位為所有懸架吊耳處節(jié)點(diǎn)的X、Y、Z方向的平動自由度。扭轉(zhuǎn)工況，在保證與實(shí)際情況相吻合且消除剛體位移的前提下，釋放車架右側(cè)第1懸架前吊耳、左側(cè)第3懸架后吊耳所有自由度，約束懸架其他吊耳處節(jié)點(diǎn)的X、Y、Z方向的平動自由度[6]。

2 分析結(jié)果

2.1 顛簸工況

滿載顛簸工況下車架位移和等效應(yīng)力云圖如圖3所示。從圖3（a）可以看出，車架變形從兩端向中間逐漸增大，主要變形集中在第一懸掛與牽引板之間位置，即車架“工”字梁鵝頸位置，最大變形量為4.9 mm。從圖3（b）可以看出，車架在第一懸架附近受力較大，而且存在局部應(yīng)力集中，位于第一懸架與“工”字梁下翼板交接處，最大等效應(yīng)力為421.8 MPa。

2.2 舉升工況

滿載舉升工況下，車架位移和等效應(yīng)力云圖如圖4所示。從圖4（a）可以看出，車架變形從第一懸架往車架前端逐步增大，最大變形位于車架“工”字梁最前端位置，變形量為8.0 mm。從圖4（b）可以看出，在車廂舉升狀態(tài)車架受力主要集中在油缸支座附近，最大等效應(yīng)力為513.5 MPa，位于油缸支座橫梁中間位置處。

2.3 轉(zhuǎn)彎工況

滿載轉(zhuǎn)彎工況下車架位移和應(yīng)力云圖如圖5所示。從圖5（a）可以看出，車架變形主要在車架的前半部分，在第一懸架后部較大，從第一懸架往前又逐步增大，到車架“工”字梁最前端位置時變形最大，變形量為2.5 mm。從圖5（b）可以看出，車架整體應(yīng)力水平較低，最大等效應(yīng)力為214.2 MPa，位于車架腹板后端轉(zhuǎn)軸圓孔開口處。

2.4 扭轉(zhuǎn)工況

滿載扭轉(zhuǎn)工況下車架位移和等效應(yīng)力云圖如圖6所示。從圖6（a）可以看出，車架變形呈不規(guī)則分布，在車架右側(cè)“工”字梁第一懸架位置和左側(cè)“工”字梁后端翻轉(zhuǎn)軸端部位置變形最大，在后者處最大變形量為3.7 mm。從圖6（b）可以看出，車架受力主要集中在一側(cè)“工”字梁尾端，最大等效應(yīng)力為341.9 MPa，位于最后懸架后端與“工”字梁下翼板交接處。

2.5 各工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形及安全系數(shù)

Q355B材料屈服強(qiáng)度為463 MPa，安全系數(shù)=屈服強(qiáng)度/實(shí)際等效應(yīng)力值。綜合以上不同工況下各組件的應(yīng)力和變形分析，各工況部件最大等效應(yīng)力及變形量見表3。B8DB1989-432E-4534-9651-7DDC738404FD

從上述分析結(jié)果可得：除舉升工況油缸支座橫梁等局部位置存在應(yīng)力集中外，車架整體應(yīng)力安全系數(shù)在1.3左右，變形量較小，滿足材料性能要求，可考慮升級至LG750L或者LG980LE材料，提高強(qiáng)度安全系數(shù)，同時減薄結(jié)構(gòu)部件厚度，實(shí)現(xiàn)減重目標(biāo)。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 材料升級

基于上文的分析結(jié)果，自卸半掛車車架應(yīng)力水平較低、彈性變形較小，表明車架整體剛度、強(qiáng)度性能較好，目前車架采用Q355B材料，可以通過材料升級與結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。初步擬定采用LG750L和LG980LE材料代替原有大梁Q355B材料，進(jìn)行減薄設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)輕量化。方案一：“工”字梁材料由Q355B升級為LG750L;方案二：“工”字梁材料由Q355B升級為LG980LE，載重均為60 t。部件尺寸調(diào)整情況見表4。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對車架結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較高位置，如油缸支座橫梁中間位置、懸架與“工”字梁下翼板交接處和車架“工”字梁鵝頸位置等，可通過增加支撐橫梁、改變連接方式、加強(qiáng)三角筋和增加腹板補(bǔ)強(qiáng)板等結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行局部改進(jìn)，改善周邊受力情況，減少應(yīng)力集中（如圖7所示）。

4 優(yōu)化結(jié)果

為便于與車架原結(jié)構(gòu)在同條件下分析對比，只對材料升級的車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，優(yōu)化模型未包含局部改進(jìn)結(jié)構(gòu)。

4.1 方案一優(yōu)化結(jié)果

用LG750L替代Q355B優(yōu)化后，車架位移和等效應(yīng)力仿真結(jié)果如圖8所示，優(yōu)化后扭轉(zhuǎn)工況車架位移和等效應(yīng)力仿真結(jié)果如圖9所示。

（1）顛簸工況。車架最大變形量為5.4 mm，位于車架“工”字梁鵝頸位置;車架最大等效應(yīng)力為595.2 MPa，位于第一懸架前端與“工”字梁下翼板交接處;鵝頸折彎處最大等效應(yīng)力為203.4 MPa。

（2）扭轉(zhuǎn)工況。車架最大變形量為8.7 mm，位于右側(cè)第一懸架附近的“工”字梁上翼面位置;車架最大等效應(yīng)力為507 MPa，位于左側(cè)第一懸架前端與“工”字梁下翼板交接處;鵝頸折彎處最大等效應(yīng)力為179.3 MPa。

4.2 方案二優(yōu)化結(jié)果

應(yīng)用同樣的方法，對用LG980LE替代Q355B優(yōu)化后的車架進(jìn)行分析。顛簸工況。車架最大變形量為4.1 mm，位于車架“工”字梁鵝頸位置;車架最大等效應(yīng)力為741.1 MPa，位于第一懸架與“工”字梁下翼板交接處，鵝頸折彎處最大等效應(yīng)力為161.9 MPa。？譺？訛扭轉(zhuǎn)工況。車架最大變形量 為6.5 mm，位于右側(cè)第一懸架附近的“工”字梁上翼面位置;車架最大等效應(yīng)力為431.1 MPa，位于左側(cè)第一懸架與“工”字梁下翼板交接處。

4.3 優(yōu)化前后對比

優(yōu)化前后車架變形與應(yīng)力水平對比見表5。

5 結(jié)束語

應(yīng)用Hyperworks軟件對某自卸半掛車的車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛強(qiáng)度有限元仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果對其進(jìn)行材料升級、尺寸調(diào)整及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到如下結(jié)：原車架結(jié)構(gòu)采用Q355B材料，應(yīng)力水平較低、彈性變形量較小，表明車架整體剛度、強(qiáng)度性能較好，可以通過材料升級與結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。？譺？訛分別采用LG750L和LG980LE材料對車架進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)構(gòu)厚度減薄，整體剛度稍有減弱，結(jié)構(gòu)應(yīng)力有所增大，但是材料升級后，許用應(yīng)力增大，相應(yīng)的安全系數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。？材料升級后，相比整個車架原始重量1 559 kg分別減重100 kg和213 kg，降幅達(dá)6.4%和13.7%，達(dá)到了較好的輕量化效果。對車架結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較高位置，進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減少應(yīng)力集中，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)進(jìn)一步提高。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]馮晉祥.專用汽車[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]徐達(dá)，叢錫堂.專用汽車構(gòu)造與設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，2008.

[3]孫海珍，邢濤，王濤，等.一種小鵝頸式半掛車車架的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].專用汽車，2020（4）：79-81.

[4]張勝蘭，鄭冬黎.基于Hyperworks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2021.

[5]董志明，丁浩然.自卸車工況分析及典型工況下車架應(yīng)力計(jì)算[J].機(jī)械工程師，2009（9）：113-114.

[6]李楚琳.Hyperworks分析應(yīng)用實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.B8DB1989-432E-4534-9651-7DDC738404FD