高 慶， 徐建建， 宿 峰

(1.山東信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造系，濰坊 261061；2.山東輕工職業(yè)學(xué)院 紡織服裝系，淄博 255300)

隨著物流及快遞業(yè)的高速發(fā)展，以靈活、高效運輸物資著稱的半掛車在物資交換的運輸方式中起著越來越重要的作用，集裝箱骨架車就是一種適應(yīng)“大”物流和“高速”快遞的新型半掛車.現(xiàn)有的集裝箱骨架車大多由碳鋼材質(zhì)的鋼板和型材制作，碳鋼產(chǎn)品重量大，且在潮濕環(huán)境中極容易生銹，大面積的生銹可能影響材料性能，因此，碳鋼產(chǎn)品在制作完成后必須進(jìn)行表面處理(噴涂、噴漆等).因此，尋找使用力學(xué)性能更優(yōu)的新材料是半掛車輕量化的重要途徑之一.鋁合金材料因其剛度大、強度高、密度小等良好性能成為汽車輕量化選擇的理想材料[1].在滿足強度和剛度的情況下，鋁制骨架車身比鋼制骨架車身重量輕1/3，能使成本明顯降低，進(jìn)而使運輸效率大幅度提高.

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者在半掛車車架輕量化方面作了大量的工作[2-8]，取得了很多有價值的研究成果，如總結(jié)了車架底盤的總體建模規(guī)律，構(gòu)造了車架的數(shù)學(xué)模型等.但以往研究多集中于鋼制車架，對鋁合金車架等新材料車架的研究少之又少.因此，對鋁合金骨架車車架建立有限元模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行靜態(tài)和模態(tài)分析，為分析新材料車架的剛度、強度及振動情況提供理論基礎(chǔ)，是急需解決的問題.

文中以某企業(yè)設(shè)計生產(chǎn)的輕量化鋁合金骨架車車架為研究對象，由三維建模軟件SolidWorks建立了某公司研發(fā)的輕量化鋁合金骨架車車架的三維模型，再通過SolidWorks插件中的simulation分析模塊對車架三維模型在4種特殊工況(彎曲(滿載)、扭轉(zhuǎn)(滿載)、緊急制動及轉(zhuǎn)彎)下進(jìn)行了靜力學(xué)有限元分析，獲得了該車架模型的位移和應(yīng)力分布情況.對車架三維模型進(jìn)行有限元模態(tài)分析，預(yù)測外部激勵和該車架設(shè)計結(jié)構(gòu)之間的相互影響，獲得了該車架1-16階的模態(tài)頻率和振型特征.

1 車架有限元模型建立

1.1 結(jié)構(gòu)分析

鋁合金骨架車車架結(jié)構(gòu)為焊接式，如圖1所示，主要包括：用于承載車輛自重和物資重量的左右工字型縱梁，縱梁由兩組翼板型材和中間腹板焊接而成；兩縱梁中間焊接有多組前后橫梁，共同組成車架結(jié)構(gòu)；在車架前側(cè)鵝頸處有起加強作用的加強板；在車架前側(cè)有安裝牽引銷的牽引銷板.整個車架采用6061T6鋁-鎂-硅系可熱處理強化鋁合金，其具有再加工性好且加工后不易變形、電鍍性與耐腐蝕性良好、焊接性能強、抗氧化性好、易拋光和上色膜等特點.6061-T6鋁合金密度為2.7 g/cm3，強度(抗拉)為310 MPa，屈服強度為276 MPa.

圖1 鋁合金骨架車車架三維模型圖

1.2 結(jié)構(gòu)簡化

為了能正確反映出鋁合金車架的相關(guān)力學(xué)性能，建立三維模型時省略去了車架上很多附件結(jié)構(gòu)，例如工具箱、軟管箱、燈架支撐桿、側(cè)防護(hù)架等，在進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析時它們對應(yīng)力、應(yīng)變的分布及模態(tài)頻率和振型影響不大.此外，對于車架的結(jié)構(gòu)圓角、倒角等工藝設(shè)計也不予考慮.

1.3 網(wǎng)格劃分

在保證真實反映力學(xué)性能的前提下，可以選取較少的節(jié)點和單元[9]，對車架的所有模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格簡化處理.在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，網(wǎng)格劃分的細(xì)密度會影響到計算的精度和速度，因此，對車架結(jié)構(gòu)的不同區(qū)域部位采取不同網(wǎng)格細(xì)密度的劃分：薄壁和厚壁連接處、應(yīng)力集中易產(chǎn)生區(qū)等相對重要區(qū)域和部位，要劃分多而細(xì)密的網(wǎng)格；對于起輔助和加強作用的加強板、肋板等部位，可以劃分稀疏的網(wǎng)格.最終劃分好網(wǎng)格的車架有限元模型，如圖2所示，共有182 021個實體單元solid，322 772個節(jié)點.

圖2 車架有限元模型

2 靜態(tài)分析

文中選取了具有代表意義的4種基本工況進(jìn)行分析，它們分別是車輛滿載時車架的彎曲變形時的彎曲工況、車架靜態(tài)扭轉(zhuǎn)時的扭轉(zhuǎn)工況、車輛制動時的制動工況、車輛轉(zhuǎn)彎時的轉(zhuǎn)彎工況[10-11].這些工況都是骨架車在行駛過程中經(jīng)常遇到的工作狀況.

《GB1589-2016》規(guī)定三軸半掛車最大允許總質(zhì)量限值為40 000 kg，因此，縱梁和橫梁上平面承受的最大載荷為40 000 kg，方向垂直于平面向下.車架的重力視為慣性載荷，取重力加速度9 800 mm/s2，方向為豎直向下.

2.1 彎曲工況

分析彎曲工況主要是分析滿載且勻速行駛或靜止?fàn)顟B(tài)時車架結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、應(yīng)力分布情況，從而評價出車架等相關(guān)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)剛度和靜態(tài)強度.在車架的前后左右共設(shè)計了六套吊耳和支座，可連接空氣懸掛或板簧懸掛.

車架結(jié)構(gòu)的彎曲工況分析主要是分析在滿載勻速行駛時的車架應(yīng)力和變形，對車架結(jié)構(gòu)的靜強度和剛度進(jìn)行評價.彎曲工況邊界條件為：在X、Y、Z三個方向上，對車架牽引銷滑板處施加固定約束，在垂直于Y方向上對位于車架最后側(cè)吊耳和固定支架施加垂直的位移約束.施加約束和力的情況如圖3、4所示.

圖4 彎曲工況載荷示意圖

由圖5、6可以得出：彎曲工況下，在牽引板與車架縱梁的連接部分獲得最大為113.6 MPa的等效應(yīng)力值，另外，縱梁在最前側(cè)車橋處也存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，車架剩余部分的應(yīng)力值基本都在70 MPa以下.由于鋁合金車架材料的屈服極限為275 MPa，從圖中可以看出：車架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值小于其屈服極限.因此，鋁合金車架結(jié)構(gòu)的強度滿足材料性能要求.可以看出，由于車架中前面沒有支撐，也在一定程度上造成了車架后面的剛度較低，由半掛車車架的剛度檢驗標(biāo)準(zhǔn)可知，各點處的最大位移不得大于20 mm，從圖中可知，骨架車車架由于變形而產(chǎn)生的最大位移量為14.32 mm，符合要求.

圖5 應(yīng)力云圖(彎曲工況)

圖6 位移云圖(彎曲工況)

2.2 扭轉(zhuǎn)工況

半掛車低速行駛在坑坑洼洼的路面上時，非對稱支撐或非對稱載荷會產(chǎn)生靜態(tài)下的扭轉(zhuǎn)矩，而迫使車架發(fā)生靜態(tài)下的扭轉(zhuǎn)，這是在半掛車工作過程中的一種常見危險工況.扭轉(zhuǎn)工況邊界條件為：在X、Y、Z三個方向上對車架牽引銷滑板施加的固定約束，視為最后面的車橋的左輪處于懸空狀態(tài)，所以，對于右側(cè)最后面的懸掛支撐不加任何約束，在垂直于Y方向上對其余固定支架和吊耳處施加位移約束.施加約束和力的情況如圖7、8所示.

圖7 扭轉(zhuǎn)工況約束示意圖

圖8 扭轉(zhuǎn)工況載荷示意圖

由圖9、10可以看出：扭轉(zhuǎn)工況與彎曲工況類似的是在牽引板與車架縱梁的連接部分仍然會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，兩者的不同部分主要表現(xiàn)在左側(cè)縱梁的后輪懸架安裝處也存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，而其它懸架安裝處應(yīng)力分布比較均勻，無應(yīng)力集中現(xiàn)象.車架剩余部分的應(yīng)力值都較小.此工況下，車架結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力(VonMises)為109.2 MPa，其值小于車架設(shè)計結(jié)構(gòu)和材料性能對強度要求值(275 MPa)，因此，可以認(rèn)為此車架結(jié)構(gòu)在此工況下強度是符合要求的.在鋁合金車架縱梁的中前部分和左縱梁后部都產(chǎn)生了較大變形，其因車架變形產(chǎn)生的最大位移量為15.12 mm，小于規(guī)定值(20 mm)，符合要求.

圖9 應(yīng)力云圖(扭轉(zhuǎn)工況)

圖10 位移云圖(扭轉(zhuǎn)工況)

2.3 制動工況

半掛車由于外部狀況，會出現(xiàn)緊急剎車制動的情況，此時半掛車車架會受到裝載的貨物的壓力和車輛本身重力的作用，以及它們沿著車輛行駛方向產(chǎn)生的慣性力作用.由于在行駛過程中各個車軸的軸荷是不同的，因此，制動時不同車軸的軸荷會產(chǎn)生較大改變，造成車架內(nèi)部的縱橫梁的內(nèi)應(yīng)力也發(fā)生較大改變.制動時按照各個車輪是同時間發(fā)生抱死現(xiàn)象的情況來進(jìn)行計算，需要在半掛車行駛方向(縱向)上施加一個加速度去模擬制動工況的情況.按車架產(chǎn)生的最大附著系數(shù)為0.7來計算，則在X軸方向獲得的制動加速度為-0.7 g.制動工況約束條件為：車架牽引銷滑板處施加X、Y、Z三個方向的全部約束，在車架后部固定支架和吊耳處也實施X、Y、Z三個方向的全部約束.施加約束和力的情況如圖11、12所示.

圖11 制動工況約束示意圖

圖12 制動工況載荷示意圖

根據(jù)車架應(yīng)力分布圖13可知：制動工況也與扭轉(zhuǎn)工況、彎曲工況類似，在牽引板與車架縱梁的連接部分會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，獲得的最大等效應(yīng)力(VonMises)為114 MPa，小于車架材料的屈服極限，認(rèn)為強度合格.制動時產(chǎn)生的慣性力(縱向)會使車架后部產(chǎn)生較大的應(yīng)力分布變化，而前端應(yīng)力分布變化較小.圖14可以看出車架產(chǎn)生的最大變形量為13.58 mm，最大變形處同樣是發(fā)生車架受力時中前部沒有支撐的部分，在慣性力(縱向)的作用下，車架的后段也明顯的產(chǎn)生了一定位移.

圖13 應(yīng)力云圖(制動工況)

圖14 位移云圖(制動工況)

2.4 轉(zhuǎn)彎工況

車輛在正常行駛過程中需要經(jīng)常轉(zhuǎn)彎，因此，轉(zhuǎn)彎工況也是一個需要研究的特殊工況.在整個轉(zhuǎn)彎工況過程中，車架需要承受來自裝載貨物的壓力和自身的重量，由于轉(zhuǎn)彎過程類似圓周運動過程，所有車架還要承受離心力的作用.在分析過程中，用一個側(cè)傾載荷來代替離心力的作用，側(cè)傾載荷會使幾個車軸承受的垂直載荷發(fā)生突變，最終導(dǎo)致車架的應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)生變化.載荷情況除同彎曲工況外，在Z正方向上加載0.4 g的離心力.轉(zhuǎn)彎工況約束條件為：車架牽引銷滑板處施加X、Y、Z三個方向的全部約束，在車架后部固定支架和吊耳處也實施X、Y、Z三個方向的全部約束.施加約束和力的情況如圖15、16所示.

圖15 轉(zhuǎn)彎工況約束示意圖

從圖17可以看出:車架的等效應(yīng)力(VonMises)最大值為155.7 MPa，小于鋁合金車架材料的屈服極限，認(rèn)為強度合格，所示的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在牽引板與車架縱梁的連接部分.另外，縱梁最后懸掛安裝處的應(yīng)力值也比較大且集中.從圖18可以看出：車架因變形產(chǎn)生的位移最大量為18.57 mm，小于規(guī)定值(20 mm)，最大變形處同樣是發(fā)生車架受力時中前部沒有支撐的部分.轉(zhuǎn)彎過程中，由于離心力的存在會使車架在左右方向上產(chǎn)生明顯的位移現(xiàn)象.

圖16 轉(zhuǎn)彎工況載荷示意圖

圖17 應(yīng)力云圖(轉(zhuǎn)彎工況)

圖18 位移云圖(轉(zhuǎn)彎工況)

2.5 數(shù)據(jù)分析

表1 各工況最大應(yīng)力和安全系數(shù)

3 模態(tài)分析

模態(tài)分析是分析結(jié)構(gòu)振動的一種常用方法，它主要研究的對象為某結(jié)構(gòu)的振型和本身固有頻率[12].要想設(shè)計出合理的車架結(jié)構(gòu)，使其振動頻率不在共振的頻率范圍內(nèi)，就必須通過車架模態(tài)分析結(jié)果，去預(yù)測外部激勵和該車架設(shè)計結(jié)構(gòu)之間的相互影響.由模態(tài)分析結(jié)果可知，車架結(jié)構(gòu)的前6階是剛體模態(tài)，模態(tài)頻率值為0，沒有分析研究的實際意義.車架結(jié)構(gòu)后10階模態(tài)的固有頻率和振型如表2、圖19-23所示.

圖19 第7階和8階振型圖

圖20 第9階和10階振型圖

圖21 第11階和12階振型圖

圖22 第13階和14階振型圖

圖23 第15階和16階振型圖

表2 固有頻率和振型特征

由固有頻率可以知道：

(1)車架的16階模態(tài)較為分散地分布在0～50 Hz頻率帶中，車架結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率無突變現(xiàn)象，頻率值分布比較分散，這樣可有效避免與外部激勵頻率重合而引發(fā)共振.

(2)半掛車在行駛過程中，一般認(rèn)為車架的固有頻率是10～15 Hz[13-14]，而該車架的第7階扭轉(zhuǎn)和第8階橫向彎曲模態(tài)不在這個頻段范圍內(nèi)，因此,車身不會產(chǎn)生較大幅度振動現(xiàn)象.

(3)骨架車行駛在各種路況上，其路況條件不同也會對車輛產(chǎn)生不同的外部激勵，在較平坦公路或高速路上，車架受到的外部激勵在1～20 Hz之間，并且多為垂直振動[15].在分析中得到，第12階為垂直彎曲頻率，其頻率值不在此外部激勵范圍之內(nèi).故不會由路面的外部激勵引起車架大振幅共振現(xiàn)象.

(4)第15階和16階在車架后側(cè)局部模態(tài)變化幅度較大，模態(tài)較多，顯示剛度較弱，因此,在車架后側(cè)局部范圍內(nèi)可能產(chǎn)生疲勞破壞.

(5)半掛車正常行駛時，主車發(fā)動機的工作頻率一般在48-52 Hz之間，除了第16階模態(tài)頻率比較接近之外，其它階的模態(tài)都遠(yuǎn)低于發(fā)動機的工作頻率.

綜上所述，該車架正常行駛時，無大幅度振動現(xiàn)象產(chǎn)生，也不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，說明結(jié)構(gòu)設(shè)計合理.

4 結(jié) 論

通過對某骨架車車架建立三維模型，根據(jù)靜力學(xué)有限元分析原理，對車架模型在4種特殊工況(彎曲(滿載)、扭轉(zhuǎn)(滿載)、緊急制動及轉(zhuǎn)彎)下進(jìn)行了靜力學(xué)有限元分析，獲得了該車架模型的位移和應(yīng)力分布情況，驗證了車架的剛度和強度是符合要求的.根據(jù)有限元模態(tài)分析原理，對車架三維模型進(jìn)行有限元模態(tài)分析，預(yù)測外部激勵和該車架設(shè)計結(jié)構(gòu)之間的相互影響，獲得了該車架1-16階的模態(tài)頻率和振型特征，驗證了車架在正常行駛過程中無大幅度振動和共振現(xiàn)象的出現(xiàn).此種分析方法為機械企業(yè)快速研發(fā)生產(chǎn)新車型提供了可靠的依據(jù).