周美施，尹懷仙，張鐵柱，張洪信 ，趙清海

(青島大學 機電工程學院，山東 青島 266071)

0 引言

隨著物流業(yè)的興盛，社會對汽車的運輸效率、經濟性提出了越來越高的要求，汽車向專業(yè)化、高速化、重型化發(fā)展[1-2]。如半掛車等專用汽車已成為運輸各種特殊用途的主力車種。在我國，半掛車已成為重型專用汽車的第二大品種。車架作為半掛車最主要承載結構件，其性能好壞影響半掛車的使用安全。韓振南等建立某型半掛牽引車車架板橋單元有限元模型，根據(jù)有限元分析結果對模型進行適當改進[3]。劉大維等人應用NASTRAN有限元分析軟件對某半掛車建立以板殼單元為基本單元的有限元模型，對車架強度進行靜態(tài)及模態(tài)分析得到車架異常斷裂原因，并對結構進行改造[4]。對于半掛車車架有限元模型多采用板殼單元模型，但是實體單元相對板殼單元其簡化模型更接近實際，且精度較高。因此針對半掛車車架，建立基于實體單元的有限元模型，利用有限元軟件對其進行彎扭工況下的靜強度分析，對車架進行一定的結構改進。

1 半掛車架有限元模型

1.1 車架結構

該車架長為14 850mm，寬為900mm。由兩根截面形狀為槽形的縱梁，若干圓管形以及工字型橫梁和一些加強筋焊接而成，橫梁與縱梁的連接方式為橫梁貫穿縱梁腹板，此種連接方式減少了焊縫，使得焊接變形減少。同時還具有腹板承受能力大，并且在偏載較大時，能使車架各處所產生的應力分布較均勻的特點。車架結構如圖1所示，材料為16Mn，車架材料機械性能參數(shù)如表1所示。

圖1 半掛車車架結構示意圖

表1 車架材料參數(shù)

1.2 有限元模型的建立

將車架實體模型導入ANSYS Workbench中，去除車架各構件上局部的結構連接以及避繞線路等的安裝小孔，結構工藝性要求的過度圓角等對車架強度、剛度影響不大的細小特征。車架還有許多的附屬結構件，形狀和結構較為復雜，且對整車強度、剛度貢獻較小，也作出適當簡化。單元類型選用帶中間節(jié)點的四面體單元SOLID187，實體單元是一種最能表達實際零件信息的單元。因為實體單元不但可以表達零件的質量、慣性、材料等特性，而且實體單元可以從空間的角度來真實地逼近實體幾何形狀，幾乎能反映全部的幾何變化[5]。設置單元尺寸為0.01 m，車架有限元模型如圖2所示，車架網格劃分后共有個311 381節(jié)點，129 367個單元。

圖2 車架有限元模型

2 計算求解分析

半掛車在行駛過程中載荷工況較為復雜，但在對車架進行靜態(tài)分析時，半掛車架強度影響最大的工況為彎扭工況。因此只對車架彎扭工況進行靜態(tài)特性分析。車架模型坐標系按照車輛行駛坐標系設定。

2.1 邊界條件處理

車架是通過懸架系統(tǒng)、輪胎支撐在路面上，要準確地到車架應力分布需要考慮懸架與輪胎的作用。由于輪胎相比懸架系統(tǒng)剛度較大，輪胎剛度忽略不計?？諝鈴椈蓱壹茉摪霋燔囓嚰芮昂缶捎镁哂休^理想的彈性特性，且結構簡單、減震效果較好的空氣彈簧。在車架與懸架連接點處設置彈性支撐，剛度設置為78.5 N/m[6]。釋放車架與懸架連接點Z方向上的自由度，車架其余5個自由度全部約束。

2.2 載荷處理

按照半掛車架承受自身重力設置重力加速度施加[5]，半掛車載貨重40t，均勻加載到車架兩根縱梁上。利用ANSYS Workbench對車架進行求解，得到半掛車架在彎扭工況下的應力云圖和變形云圖如圖3、圖4所示。

圖3 原車架結構應力云圖

圖4 原車架結構變形云圖

2.3 彎扭工況靜態(tài)特性分析

1) 強度驗算

考慮車輛在不平地面行駛引起的載荷增加，需要引入動載荷系數(shù)。根據(jù)行業(yè)標準，彎扭工況動載荷系數(shù)為2.5[7]，車架的許用應力[σ]為車架材料屈服強度除以動載荷系數(shù)，即350MPa/2.5=140MPa，通過有限元計算的得到彎扭工況的最大等效應力為228.95MPa，大于車架的許用應力。無法滿足使用要求。因此需要對車架結構局部強化，提高車架靜強度。

2) 剛度驗算

車架的撓度對于長軸距的半掛車來說，是應該予以考慮的。半掛車車架縱梁的彎曲變形，取決于縱梁剛度，在靜載情況下，允許縱梁的最大變形量ymax為：

ymax=0.002L

式中，L為半掛車軸距。

該半掛車的軸距為10 235mm，通過計算得到y(tǒng)max為20.47mm，通過有限元計算得到車架縱梁的最大變形為7.92mm，小于允許的最大變形，說明車架剛度滿足使用要求。

3 車架結構改進

根據(jù)彎扭工況應力云圖可以看出車架前部縱梁與懸架連接處、車架中部縱梁等效應力較大。對車架結構進行改進設計，改進后車架縱梁腹板加厚5mm，縱梁寬度加大10mm。

利用改進措施修改車架三維實體模型，建立車架有限元模型，進行彎扭工況分析，得到車架最大等效應力為138.95MPa。和改進前結構相比，最大等效應力降低38%，改進后車架最大等效應力小于車架許用應力，車架縱梁最大變形為4.88mm，小于車架允許最大變形，說明改進后車架結構強度、剛度均滿足使用要求及行駛要求。圖5和圖6分別給出改進后車架應力云圖和變形云圖。

圖5 改進后車架結構應力云圖

圖6 改進后車架結構變形云圖

4 結語

1) 建立了實體單元為基本單元的半掛車車架有限元模型，對車架進行了靜態(tài)特性研究，車架彎扭工況最大應力為224.95MPa，大于車架的許用應力，無法滿足強度要求。

2) 通過改進車架結構，進行模型驗證，達到使用要求，為半掛車車架優(yōu)化以及進一步改進提供參考依據(jù)。

[1] 劉翠. 中國專用汽車發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢研究[D]. 鄭州：河南農業(yè)大學,2010.

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[3] 韓振南,古迎春. DL4100型半掛牽引車車架彎扭工況強度分析及改進[J]. 汽車技術,2011(4):22-25.

[4] 劉大維,孫海霞,董振國，等. 半掛牽引車車架異常斷裂原因分析[J]. 農業(yè)機械學報,2007,38(6):30-33.

[5] 王助成. 有限單元法[M]. 北京:清華大學出版社，2009.

[6] 張潤東,孫桓五,帝瑞靜，等. 某特種半掛車車架的靜態(tài)特性研究[J]. 現(xiàn)代制造工程,2013(7):38-41.

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