有限元分析在半掛車上的實戰(zhàn)運(yùn)用

摘要：受輕量化趨勢影響，市場上通常使用性能更好的材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合的方法，使用有限元仿真技術(shù)輔助設(shè)計，來減少產(chǎn)品的研發(fā)周期。由于專用車車型眾多，沒有相應(yīng)的分析規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，加上受人為因素和環(huán)境條件影響，有限元結(jié)果與實際產(chǎn)品使用存在不小的偏差，很多人質(zhì)疑有限元研發(fā)僅僅存在于理論階段。據(jù)此，通過對半掛車研發(fā)設(shè)計和產(chǎn)品使用中暴露的問題，發(fā)現(xiàn)運(yùn)用有限元分析具備有可行性和實戰(zhàn)性，并為半掛車產(chǎn)品研發(fā)提供了可視化的有效參考答案。

關(guān)鍵詞：半掛車；有限元分析；可行性；實戰(zhàn)性

中圖分類號：U469.5? 收稿日期：2023-11-13

DOI：1019999/jcnki1004-0226202401011

1 前言

近年來，隨著相關(guān)法規(guī)的完善和行業(yè)競爭日趨激烈，市場對半掛車輕量化要求越來越高。很多企業(yè)在滿足使用要求前提下，采用強(qiáng)度更高和厚度更薄的板材，再通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，進(jìn)而達(dá)到降低整車重量。本研究以38 m?粉罐半掛車和13 m鵝頸半掛車為對象，應(yīng)用HyperWorks軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真分析。通過實際車輛建立分析模型，分析結(jié)果與售后的車輛進(jìn)行對比，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)再優(yōu)化設(shè)計，得出有限元分析在結(jié)構(gòu)研發(fā)設(shè)計和優(yōu)化上具備有很強(qiáng)的實戰(zhàn)性。

2 有限元模型建立

2.1 材料特性參數(shù)

本文通過兩種車型作為研究對象，一種車型38 m?粉罐半掛車，整車使用板材為T610L；另一種車型13 m鵝頸半掛車，小零部件使用板材為T700，腹板和下翼板使用板材為T980。材料性能參數(shù)見表1。

2.2 網(wǎng)格劃分

整車由薄鋼板直接拼焊、折彎或者卷制成型后拼焊而成，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［1-2］。既可以承受法向載荷，也可以承受面內(nèi)張力載荷，單元的每個單元節(jié)點有6個自由度，網(wǎng)格平均尺寸10 mm。為保證計算效率，本仿真采用的網(wǎng)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)見表2［3］。

2.3 有限元模型

38 m?粉罐半掛車三維模型及有限元模型如圖1和圖2所示；13 m鵝頸半掛車三維模型及有限元模型如圖3和圖4所示。

2.4 載荷與邊界條件

分析中通常采用靜止工況、顛簸工況、剎車工況、轉(zhuǎn)彎工況、扭轉(zhuǎn)工況去綜合分析。半掛車主要承受自重、貨物重量及慣性力載荷的作用，由于多種載荷聯(lián)合作用，所以采取逐步施加載荷的方法。第一個載荷步施加由于罐車自重產(chǎn)生的重力載荷，即在豎直方向上施加加速度大小為9.8 m/s2的慣性力載荷；第二個載荷步施加貨物的自重，采用均布載荷施加于貨物與車架接觸的底面；第三個力施加慣性力載荷，根據(jù)不同的工況，將慣性力施加在不同的部位［4］。

對于不同的工況，采用不同的約束條件，分析過程中忽略制造過程中板材厚度減薄及焊接焊縫問題。本課題主要研究有限元分析結(jié)果與實際產(chǎn)品使用情況的對比，舉例說明與實際使用吻合度高的工況，由于篇幅限制，其余工況不再作贅述。

以38 m?粉罐車為例，在作業(yè)時，車輛處于靜止工況，車輛所受到的載荷為車體自重、罐體內(nèi)物料重量以及罐體承受0.2 MPa壓力均布載荷。邊界條件為牽引銷處以及后三軸全部處于約束狀態(tài)。

13 m鵝頸半掛車以剎車工況為例，取制動加速度5 m/s2，載荷由車體自重、貨物重量和慣性力組成。邊界條件為牽引銷處承受三種作用力合力，后三軸全部處于約束狀態(tài)。

3 分析結(jié)果與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 38 m?粉罐車靜止工況及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從應(yīng)變云圖結(jié)果上看，筒體前后兩段，距離封頭位置1.5 m前后有明顯的變形，最大變形量為20.0 mm，如圖5所示。從車輛售后反饋圖片，實際出現(xiàn)罐體坍塌位置接近分析應(yīng)變云圖結(jié)果，如圖6所示。

在距離兩端封頭1.2 m左右增加兩道環(huán)筋，再通過有限元計算，變形量從20.0 mm變?yōu)?0.4 mm，如圖7和圖8所示。實際售后車輛也使用此方案進(jìn)行優(yōu)化，更改后客戶繼續(xù)使用，后續(xù)再未出現(xiàn)類似罐體坍塌情況。后續(xù)合同訂單車輛的設(shè)計，按照此優(yōu)化方案加工制造。

3.2 13 m鵝頸半掛車剎車工況及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從應(yīng)力云圖結(jié)果上看，在鵝頸后區(qū)域存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，分別在前腹板處、前下翼板、大撐以及懸架前端腹板和下翼板處，應(yīng)力分別為939.5 MPa、692.1 MPa、1 048.5 MPa、1 748.1 MPa和1 995.4 MPa。如圖9～圖13所示。從車輛售后反饋圖片，實際出現(xiàn)大梁斷裂位置在鵝頸后方，接近應(yīng)力云圖應(yīng)力集中區(qū)域部位，如圖14所示。

由于應(yīng)力集中是多種因素綜合造成的，有板材厚度使用不當(dāng)，也有結(jié)構(gòu)布置不合理。需要挪動、減少或增加零部件，或者調(diào)整板材厚度，從而使結(jié)構(gòu)更趨于合理，結(jié)構(gòu)改動示意，如圖15～圖17所示。結(jié)構(gòu)方案改動后，更改三維及有限元模型，再進(jìn)行電腦計算分析，應(yīng)力下降到分別為486.1 MPa、477.5 MPa、566.6 MPa、637.9 MPa和691.8 MPa。在整車重量增加40 kg情況下，避免了由于輕量化導(dǎo)致的腹板開裂或者斷大梁的情況。如圖18～圖22所示。

優(yōu)化后，最大等效應(yīng)力數(shù)值明顯降低。前后結(jié)構(gòu)應(yīng)力及強(qiáng)度安全系數(shù)對比，結(jié)構(gòu)更具有合理性。容易出問題的部位前腹板處安全系數(shù)2.08，整體其余位置安全系數(shù)在1.50左右，如表3所示。整車結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中，在車輛實際使用情況，也未出現(xiàn)類似斷裂情況。

4 結(jié)果分析

對38 m?粉罐半掛車和13 m鵝頸半掛車進(jìn)行建模和有限元分析，同時將應(yīng)變云圖、應(yīng)力云圖以及與實際車輛使用過程中的狀態(tài)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，有限元對結(jié)構(gòu)分析不只是理論階段，也不只是產(chǎn)品開發(fā)階段，而是貫穿于從產(chǎn)品開發(fā)到成熟的整個階段的運(yùn)用。相比于以往經(jīng)驗設(shè)計研發(fā)，有限元分析為產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計提供了一種可視化的參考答案，可以縮短研發(fā)時間，加速產(chǎn)品的成熟。

5 結(jié)語

本文應(yīng)用Hyperworks對38 m?粉罐半掛車和13 m鵝頸半掛車結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)分析結(jié)果與實際售后車輛出現(xiàn)的問題很接近。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)，進(jìn)而解決實際工程遇到的問題，有限元分析具備有可行性和實戰(zhàn)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]王鈺棟，金磊，洪清泉，等Hypermesh＆Hyperview應(yīng)用技巧與高級實例[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[2]田建輝，孫金娟，韓興本，等Hypermesh實用工程技術(shù)[M]北京：北京理工大學(xué)出版社，2020.

[3]王彥崗，韋仁寶，李會，等基于HyperWroks的自卸半掛車車架有限元分析及輕量化設(shè)計[J]企業(yè)科技與發(fā)展，2022（3）：29-32.

[4]張書斌鋁合金液罐車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度的有限元分析[J]機(jī)械設(shè)計與制造工程2017（1）：16-18.

作者簡介：

王大俊，男，1988年生，工程師，研究方向為粉罐半掛車、液罐半掛車、罐式集裝箱及普通半掛車的產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計和CAE結(jié)構(gòu)分析。