半掛車車架結(jié)構(gòu)有限元分析

半掛車車架作為主要承載件，承受著車內(nèi)外的各種載荷，其可靠性關(guān)系到半掛車能否正常行駛，以及半掛車的安全性，是影響整車性能的關(guān)鍵部件。運用有限元方法，在設(shè)計初階段對車架進行強度、剛度校核，有助于縮短車架開發(fā)周期；同時，對強度、剛度足夠富余的位置進行減材料設(shè)計，實現(xiàn)車架輕量化設(shè)計，提升半掛車整體性能。

圖1所示是市場某款半掛車車架，額定載重量34t。本案例將對車架施加多種工況下的邊界條件和載荷，進行靜力學(xué)分析，校核強度和剛度是否滿足要求，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化打好基礎(chǔ)。

圖1半掛車車架三維模型圖

建立仿真模型

將車架三維模型導(dǎo)入HyperMesh中進行幾何清理和抽取中面。使用板殼單元劃分網(wǎng)格，總單元數(shù)量433144，三角形單元占比小于1%。賦予幾何材料參數(shù)和厚度，車架材料為Q345和Q700，如圖2所示。

圖2 車架網(wǎng)格模型

焊接是主要應(yīng)用于金屬構(gòu)件之間的一種連接方式，本實例采用hypermesh中seam面板處理焊接結(jié)構(gòu)，以reb3+棱柱實體單元模擬焊接。如圖3所示。

車輛結(jié)構(gòu)有限元分析時，板簧結(jié)構(gòu)的簡化對最終分析結(jié)果有很大影響，查閱相關(guān)文獻（柴山,郭明.車輛鋼板彈簧懸架的有限元模型），本文采用等效弧形薄板模型模擬鋼板彈簧，使用與實際鋼板彈簧弧高、弧長、剛度等參數(shù)相等的一條縱向弧形薄板來模擬實際的鋼板彈簧，采用四邊形殼單元劃分薄板。如圖4所示。

圖3  HyperMesh模擬縫焊連接的示意圖圖4板簧等效示意圖

邊界條件及工況

集裝箱半掛車在運輸過程中存在多種工況，不同工況下車架受到的載荷也不相同。車輛結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析一般研究彎曲、扭轉(zhuǎn)、緊急制動、轉(zhuǎn)彎這四種典型工況，這幾種工況的邊界條件和載荷有所差異。本案例進行靜力學(xué)分析所選工況的描述如下表1所示：

表1邊界工況描述表

結(jié)果分析

工況1——彎曲工況

對車架縱梁與橫梁表面施加333200N的集中力，并施加重力加速度9.8m/s^2。

圖5 彎曲工況車架變形云圖

圖6彎曲工況車架局部應(yīng)力云圖

1)最大變形量約為16mm。其原因是由于此處距離前部牽引銷和后部懸架較遠，剛度較小。

2)車架板料本身最大應(yīng)力都未超過345Mpa，主要是焊接處焊核達到了屈服強度，表明該處屬于高應(yīng)力區(qū)域。

工況2——扭轉(zhuǎn)工況

載荷與彎曲工況相同。釋放左前輪板簧底部所有自由度。

圖7 扭轉(zhuǎn)工況車架變形云圖

圖8 扭轉(zhuǎn)工況車架局部應(yīng)力云圖

1)車架最大變形量約為24mm。車架變形不對稱，主要原因是左前輪板簧無約束。

2)扭轉(zhuǎn)工況下，相比彎曲工況，高應(yīng)力區(qū)域更為明顯且增大了?？v梁階梯處是通過焊接的方式將兩個縱梁連接起來，此處受力最大，對焊接要求較高。可適當(dāng)增加加強筋厚度。

工況3——緊急制動工況

集中力：333200N，均勻分布在梁的表面。重力加速度9.8m/s^2。慣性力：GB7258-2017《機動車運行技術(shù)條件》規(guī)定半掛車滿載時緊急制動減速度不小于5m/s^2。本實例取緊急制動加速度5m/s^2。

圖9緊急制動工況車架變形云圖

圖10 緊急制動車架局部應(yīng)力云圖

1)車架最大變形量約為15.4mm。橫梁受到集裝箱對其慣性力作用，在X方向發(fā)生形變，最大值在連接處，大小約2mm。

2)緊急制動工況下，車架高應(yīng)力區(qū)域與扭轉(zhuǎn)差不多，橫梁與縱梁連接處焊核強度滿足要求，未出現(xiàn)高應(yīng)力現(xiàn)象。

工況4——轉(zhuǎn)彎工況

集中力：333200N，均勻分布在梁的表面。重力加速度9.8m/s^2。慣性力：慣性加速度3m/s^2。

圖11轉(zhuǎn)彎工況車架變形云圖

圖12轉(zhuǎn)彎工況車架局部應(yīng)力云圖

1)最大變形量約為28mm。由于轉(zhuǎn)彎慣性影響，橫梁在Y方向發(fā)生形變，大小約20mm。

2)縱梁階梯處極少量焊核應(yīng)力超過700Mpa，部分超過345Mpa。可適當(dāng)增加加強筋厚度。

分析總結(jié)

對半掛車車架進行了四種工況下的靜力學(xué)分析，結(jié)論如下：

1)四種工況下，車架的高應(yīng)力區(qū)域基本相同，主要集中在縱梁階梯連接處和牽引銷連接處。四種工況下都有部分焊核超過材料屈服強度。

2)車架板件自身強度滿足要求，高應(yīng)力區(qū)域主要出現(xiàn)在焊接處，表明需要多關(guān)注焊接質(zhì)量，焊接性能不達標(biāo)，直接影響車架整體性能。

3)各工況下的車架變形為：轉(zhuǎn)彎工況28mm>扭轉(zhuǎn)工況24mm>彎曲工況16mm>緊急制動工況15.4mm。變形最大位置主要發(fā)生牽引銷與第一排板簧之間，主要是原因是此區(qū)間沒有其他約束支撐，剛度小，易發(fā)生變形。可通過調(diào)節(jié)軸距、縱梁間距以及合理排布橫梁位置來提高剛度，從而減小變形量。

建議

1)增大縱梁階梯連接處加強筋的厚度。增大牽引銷處橫梁厚度。

2)橫梁之間增加連接件，從而提高剛度，如圖13所示。

圖13車架修改建議圖