一種邊縱梁式鋼鋁結(jié)構(gòu)廂式半掛車開發(fā)及優(yōu)化設(shè)計

林樹生

摘 要：廂式半掛車是我國長途物流的主要運輸工具，特別是快遞行業(yè)90%以上采用這類密閉廂式半掛車。本文對廂式半掛車的開發(fā)、設(shè)計進行研究，主要目的是滿足目前快遞行業(yè)車輛轉(zhuǎn)型升級的需要，設(shè)計出一款貼切市場、滿足輕量化發(fā)展方向要求的廂式半掛車產(chǎn)品。本次研究，采用理論結(jié)合實際的研究方法，先闡述了快遞廂式半掛車發(fā)展的現(xiàn)狀，再分析鋁合金在半掛車上的應(yīng)用；之后根據(jù)具體需求展開邊梁式車架鋼鋁拼裝廂式半掛車的實際設(shè)計，通過搭建有限元模型、優(yōu)化工況荷載等方式完成優(yōu)化設(shè)計，以仿真結(jié)果優(yōu)化驗證設(shè)計的可行性與合理性，以能夠設(shè)計出輕量化低能耗、大容積、高可靠和高效率的廂式半掛車產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：邊縱梁式車架 鋼鋁 廂式半掛車 開發(fā) 優(yōu)化設(shè)計

隨著現(xiàn)代社會市場經(jīng)濟的安全高效發(fā)展，我國政府對各個行業(yè)提出了“節(jié)能減排”、“綠色環(huán)保”的要求，同時不斷加大對運輸行業(yè)的超載、超限和非法改裝的打擊力度?；诖朔N背景，如何設(shè)計出符合輕量化需求、具有節(jié)能環(huán)保低能耗和合法合規(guī)特征的半掛車產(chǎn)品，是需要重點思考的問題。同時在半掛車的開發(fā)設(shè)計中，設(shè)計人員以實際情況明確設(shè)計思路，根據(jù)不同的產(chǎn)品特征靈活選擇合適的車架類型，以及布置方式[1]。之后，借助現(xiàn)代系統(tǒng)完成有限元模型搭建、工況荷載分析，進一步完善設(shè)計，完成符合要求的快遞類廂式半掛車產(chǎn)品。

1 快遞廂式半掛車發(fā)展現(xiàn)狀

目前快遞物流車作為我國體量最大的公路載體，其保有量和增量在“十三五”頗具亮點，但骨架車+非標箱的運輸模式，具有違規(guī)風(fēng)險阻斷了正軌有實力半掛車生產(chǎn)企業(yè)的進入，現(xiàn)有運行產(chǎn)品超長、超寬、超高，產(chǎn)品參差不齊。隨著運輸行業(yè)的不斷規(guī)范和安全運輸主體責(zé)任的明確，快遞物流運輸半掛車已開啟向合規(guī)車輛的轉(zhuǎn)變。同時，快遞行業(yè)的快速發(fā)展，促使快遞公司一次性訂單量越來越大和產(chǎn)品要求更高端化，決定其選擇的生產(chǎn)廠家必定為有實力的大公司。因此，開發(fā)一款可靠、高效、輕量化、低耗能的廂式半掛車具有廣闊的市場前景。

2 鋁合金在半掛車上的應(yīng)用分析

高強鋼在我國半掛車上使用最多，其設(shè)計水平、工藝制造水平基本成熟。而鋁合金具有密度小、耐腐蝕等特點，且型材易擠壓成型，故近年來鋁合金在半掛車上應(yīng)用快速升溫。但其強度低、焊接接口易脆裂，目前更多應(yīng)用在液罐車、冷藏車、骨架車等運輸鋼性較好的車輛上。從裝載受力特點和運輸安全的角度考慮，承載式半掛車對材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計有著很高的標準要求。目前仍然是以鋼鐵作為主要材料，鋁合金因價格、產(chǎn)品特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計等原因而很少使用，這與國外有著較大差距。而歐美的半掛車，已有80%以上使用鋁合金廂體；在日本，鋁合金半掛車廂體的市場份額甚至超過90%。從材料性能方面考慮，常見鋁合金系列中，1系、3系、4系、5系低鎂、8系鋁合金屬于低強度材料，無法應(yīng)用于大重量承力部件；2系、7系鋁合金屬于中強度材料，但由于價格昂貴、抗應(yīng)力腐蝕敏感性差等特點，多用于軍工、航空航天、高端民品等領(lǐng)域的非承力焊接部件；5系、6系高鎂鋁合金屬于中等強度材料，具有優(yōu)良的耐蝕性與焊接性，是半掛車的輕量化潛在目標材料。

3 邊梁式車架鋼鋁拼裝廂式半掛車的開發(fā)及優(yōu)化設(shè)計

3.1 確定開發(fā)車型選擇

2021年高速公路貨車收費由計重改為按軸數(shù)收費，對于快遞行業(yè)裝載重量一般在12～15噸每百立方的特點，依據(jù)標準GB 1589-2016《汽車掛車及汽車列車外廓尺寸軸荷及質(zhì)量限值》作為設(shè)計依據(jù)，選擇單軸半掛與4*2牽引車組成3軸列車即可滿足運輸載重要求，而公路收費比兩軸半掛車的少18.6%，因此，單軸廂式半掛車是合規(guī)車輛轉(zhuǎn)變后的快遞最佳選擇。

3.2 車架設(shè)計

一般來說，車架需要根據(jù)不同工況和運輸需求選擇，不同形式車架滿足不同的半掛車使用需求[2]，具體如下。

（1）中梁式半掛車車架。中梁式車架結(jié)構(gòu)，主要是兩根主縱梁+兩根邊梁通過橫梁連接而成，目前90%以上半掛車多采用中梁式車架。

（2）邊梁式半掛車車架。邊梁式車架，就是由左右兩根邊縱梁通過橫梁構(gòu)成的車架，無中縱梁，邊梁既是縱梁；目前在框架式轎運半掛車上應(yīng)用。此類車架在提升車架扭轉(zhuǎn)剛度、提高運載能力方面具有絕對優(yōu)勢，快遞物流廂式半掛車可優(yōu)選該結(jié)構(gòu)，滿足大容積和側(cè)穩(wěn)定性需求。

（3）綜合式車架。綜合式車架就是指集合了邊梁式車架、中梁式車架特征的車架結(jié)構(gòu)。在車架的前端采用邊梁式結(jié)構(gòu)，降低車架高度以降低重心；在車架的中部采用中梁式結(jié)構(gòu)，便于安裝輪胎、懸架構(gòu)件。

本次要設(shè)計的廂式半掛車的車架產(chǎn)品，車架結(jié)構(gòu)需要具備多拉快跑可靠的特征，因此，確定車架類型為邊梁式，極大地滿足了長途快遞物流大容積、穩(wěn)定性好、車架車廂一體式設(shè)計等各種需求，是一種突破現(xiàn)有市場結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計，提高產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計的經(jīng)濟效益。

本次設(shè)計的邊縱梁車架不需要考慮寬度因素，兩邊縱梁外側(cè)寬度與車輛同寬即可（見圖1車架方案）

3.3 車廂設(shè)計

2020年10月，由工信部指導(dǎo)、中國汽車工程學(xué)會牽頭組織編制的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》中也提出了未來5-15年商用車油耗目標，即相較2019年水平，到2025年油耗降低8%以上，面對愈發(fā)嚴格的排放標準和日漸緊迫的“雙碳”目標壓力，整車輕量化與供應(yīng)鏈低碳化成為了我國汽車產(chǎn)業(yè)達成“雙碳”目標的重要突破口之一。

整車輕量化就是在保證車輛強度和安全性能前提下，降低整備質(zhì)量，從而提高動力性、燃油經(jīng)濟性，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

當(dāng)今油價持續(xù)攀升、治超治限持續(xù)加嚴，輕量化的車意味著合規(guī)裝載的貨物更多，在保障道路交通安全的同時，可以有效提升貨運效率與盈利率。例如載貨車每減重1000kg，按年行駛10萬公里計算，用戶可獲益3.5-7萬元。對于快遞車輛年行駛30萬公里左右，收益性更加可觀。因此本廂式半掛車車廂僅用于隔檔快遞類輕泡貨物，借鑒在用車輛經(jīng)驗，全鋁車身即可滿足要求。但是本車型技術(shù)難點在于鋼車架與鋁車廂的連接方式和強度問題，通過反復(fù)分析論證，可以選定圖2的四種螺栓連接方式。

4 車架的優(yōu)化設(shè)計

4.1 車架構(gòu)成輸入

車架做為承受汽車的載荷和從車輪傳來的沖擊。車架設(shè)計和結(jié)構(gòu)的好壞直接決定車輛的成敗，因此車架必需進行校核與優(yōu)化，特別是本文開發(fā)的車輛采用鋁制車廂，分擔(dān)車架的載荷有限，獨立對車架進行校核分析：采用全高強鋼結(jié)構(gòu)，主要材質(zhì)為Q700合金鋼，采用焊接連接方式；車架構(gòu)成包括：縱梁、橫梁、面板、牽引機構(gòu)、前后端梁等。

4.2 搭建有限元模型

根據(jù)已經(jīng)確定的半掛車車架類型、車架結(jié)構(gòu)、各構(gòu)件材料材質(zhì)、載荷布置及大小等信息資料，搭建車架的有限元模型。（1）幾何清理。在車架模型搭建過程中，需要對其進行幾何清理，簡化計算過程，這樣可以將大量繁雜的計算過程簡單化。幾何清理中，對車架模型中的部分圓弧部位進行網(wǎng)格化較為困難，但是這種情況對車架模型的影響很微小，因此，在幾何清理的過程中可以刪除這些細小特征，以便于網(wǎng)格化處理[3]。（2）由于車架結(jié)構(gòu)規(guī)格較大，為了避免在求解的過程中產(chǎn)生大量計算量，設(shè)定網(wǎng)格大小為10mm，對某些復(fù)雜部分結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格大小設(shè)定為6mm-8mm，以四邊形網(wǎng)格形式呈現(xiàn)，確保求解精度。（3）完成網(wǎng)格化之后，對車架的各個部分網(wǎng)格進行連接，以焊接為連接方式，在Hypermesh軟件中實現(xiàn)。車架焊接方式較為單一，可以采用縫合焊工藝，形成直線焊接縫軌跡；采用塞焊工藝，形成圓形焊接軌跡。采用REE2剛性單元模擬螺栓連接形式，對螺栓孔網(wǎng)格進行加密，同時添加washer。完成焊接與螺栓連接的建模之后，就可以得到車架的有限元模型。

本車架模型情況：長13750mm，寬2500mm，網(wǎng)格數(shù)量424707，三角形網(wǎng)格數(shù)量4808。

4.3 優(yōu)化工況荷載

半掛車在行駛的過程中會面臨很多工況，因此，需要對車架的工況荷載進行優(yōu)化，促使其滿足半掛車的使用需求。不同工況條件下，車架承受的荷載不同，本文采用靜力學(xué)對緊急制動、緊急轉(zhuǎn)彎、彎曲三種極端情況的工況進行分析。結(jié)合構(gòu)件變形規(guī)定參數(shù)，對有限元模型進行重量加載，促使質(zhì)量單元均勻分布于車架上翼面上，重量參數(shù)18t。隨后開展靜強度分析，充分考慮動載系數(shù)條件，設(shè)計彎曲工況的荷載系數(shù)為2.0，設(shè)計制動工況、轉(zhuǎn)彎工況的動荷載系數(shù)為1.3。根據(jù)實際行駛情況、標準要求，擬定工況條件如表1。

4.4 基于仿真結(jié)果的優(yōu)化

在完成上述的有限元模型搭建、工況荷載優(yōu)化之后，將有限元模型的搭建成果轉(zhuǎn)化成bdf模式，在Nastran軟件中求解分析，得到的結(jié)果導(dǎo)入Hyperview軟件中，生成極端工況條件的位移圖、應(yīng)力云圖[4]。從生成的仿真結(jié)果來看，車架的整體剛度分布均勻，在承受18t時，最大位移發(fā)生在鵝頸處，位移大小為49mm，位移方向為豎直向下。車架平均應(yīng)力在250-270MPa之間，且均勻分布，但是在車架輪罩位置和鵝頸位置存在部分應(yīng)力集中情況，局部達到500MPa（見圖3應(yīng)力云圖）?？梢缘弥@些部位是安全隱患，需要進一步調(diào)節(jié)或加強處理這一位置，適當(dāng)減少應(yīng)力強度，提高可靠性，使車輛運載安全系數(shù)更高。

5 結(jié)語

綜上所述，本次研究的單軸邊縱梁式鋼鋁結(jié)構(gòu)廂式半掛車經(jīng)過優(yōu)化后滿足運輸工況要求。設(shè)計時考慮了實際運營需求和作業(yè)環(huán)境選擇了合適的車架類型，才能夠開發(fā)出契合需求的半掛車。在今后的開發(fā)與設(shè)計中，建議要多方考慮，靈活選擇不同的車架；同時考慮節(jié)能減排要求，通過搭建有限元模型完成車架設(shè)計，減輕整車的重量，促使其滿足市場的輕量化車架需要；也可以適當(dāng)調(diào)整結(jié)構(gòu)型，提升車架部分構(gòu)件強度，避免其在長時間作業(yè)之下疲勞產(chǎn)生斷裂，提升邊縱梁式半掛車車架的應(yīng)用水平。在當(dāng)下鋁焊普及不足的情況下，考慮到維修及時性和便利性，本次研究的廂式車型先采用鋼鋁混合結(jié)構(gòu)，即車廂采用鋁合金，車架采取高強鋼焊接再拼裝而成的方式，日后再逐步走向全鋁化。

參考文獻：

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