全承載框架結構箱式半掛車車身靜強度分析

張永恒+林志敏

摘 要：針對全承載半掛車設計中存在的問題，選擇兩種骨架截面尺寸設計方案，運用ANSYS軟件計算了兩種方案的應力和變形，增大截面尺寸可使最大位移、最大應力減小約50%，質量增加19.74%。適宜的骨架截面尺寸可在方案一與方案二之間選取。

關鍵詞：半掛車車架 ?有限元分析 ?靜態分析 ?半掛車計算

中圖分類號：TP391.72 ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（b）-0104-02

The Static Strength Analysis of Frame Structure Box Type Semi-trailer

Zhang Yongheng ?Lin Zhimin

（School of Mechanical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu，730070，China）

Abstract：Counting in the problems existed in the design of full load semi-trailer， the stress and deformation of the frame are calculated with ANSYS for the two different plans of frame section sizes. It is shown that the maximum displacement and stress can be reduced by 50% with the increase of cross section size， meanwhile the mass of the frame is increased by 19.74%.the practical cross section size of the frame can be chosen between the two plans.

Key Words：Semi-trailer Frame;Finite Element Analysis;Static Analysis;Semi Trailer Calculation

隨著我國物流行業的快速發展，半掛車制造業應運而生[1]。半掛車底架通過前懸和后懸支撐在車軸上。根據運輸貨物的類型，常見的底架形式有平貨臺、階梯型貨臺及凹梁型貨臺三種[2-5]。為規范貨運半掛車的生產與使用管理，引導貨運半掛車車型的標準化發展，交通運輸部于2012年制訂了《甩掛運輸推薦車型基本要求（修訂版）》[6-7]。雖然文獻[6]對不同類型半掛車配置、載質量、外形尺寸等提出了明確要求，但在車架、車身、懸掛等結構方面生產企業仍有很大的設計空間。對于小型、散裝貨物，半掛車車身大多采用箱式全承載結構。由于箱式全承載結構未采用傳統的工字型或槽型縱、橫梁的車身結構，在承載能力不變的情況下全承載式結構可使半掛車自重降低近35%[8]。有數據顯示，車輛自重每降低1000 kg，可降低油耗6%～7%[9]。箱式半掛車在實際運用中由于強度和剛度不足會出現牽引銷座產生裂紋，箱體失穩導致“塌箱”等問題[10]。該文針對某三軸全承載箱式貨車車身的兩種骨架截面尺寸設計方案，運用ANSYS軟件計算其強度和變形，對計算結果進行分析、比較。

1 箱式半掛車概況

本三軸箱式半掛車為全承載框架結構。底架呈凹形，前懸通過牽引銷與牽引車連接，并支撐在牽引銷座上，后懸通過板彈簧支撐在三軸輪上，半掛車外形如圖1所示，基本參數如表1所示。半掛車骨架由矩形截面方管焊接而成，方管截面尺寸按兩種方案考慮。方案一：方管截面選三種規格，分別為100 mm×80 mm×3 mm、100 mm×50 mm×3 mm及50 mm× 50 mm×3 mm，牽引板厚為10 mm，后懸車輪護罩板厚為4 mm，骨架側圍立柱、車頂采用50 mm×50 mm×3 mm方管，側圍兩端立柱、底架縱梁采用100 mm×50 mm×3 mm方管，底架橫梁采用100 mm×80 mm×3 mm方管。方案二：方管截面選兩種規格，分別為55 mm×55 mm×3 mm和150 mm× 80 mm×3 mm，牽引板厚為12 mm，后懸車輪護罩板厚仍為為4 mm;方管及板的材料均為16Mn。

2 箱式半掛車靜力計算模型

為便于計算，首先對車廂實際結構進行簡化。忽略車身結構中的非承載構件;將車身骨架中的曲梁簡化為直梁;不考慮車廂蒙皮、地板、箱體前后端墻（門），不計側圍斜梁與立柱間的間隙，認為斜梁與立柱交會于一點。

計算目的是分析滿載時梁的強度和變形，采用ANSYS軟件進行計算和分析。由于骨架主要由梁和板組成，采用ANSYS中的BEAM 188單元和SHELL 181單元。建模時以方管截面幾何形心為參考坐標。

車底架前懸牽引板與牽引銷上端焊接，牽引銷下端與牽引車銷座連接，車廂可相對牽引銷座繞垂直軸（z軸）轉動，但在橫向和縱向受到約束，因此對牽引板牽引銷孔周圍節點的橫向（y軸）和縱向（x軸）位移進行約束，另外對其中一個節點的所有自由度進行約束。車底架后懸每一側有三組板彈簧，有四個懸掛點，板彈簧可繞y軸轉動，將約束施加于懸掛點上，對每個懸掛點的橫向和縱向位移進行約束。

總載荷按380000 N計算，分四跨按比例分配，分配后的載荷均勻分布在對應跨的橫梁和斜梁上。各跨長度、載荷及比例如表2所示。

各節點約束及底架加載情況如圖2所示。

所用材料的彈性模量E=207 GPa，密度ρ=7800 kg/m3，泊松比μ=0.3，強度極限=550 MPa，屈服極限=355 MPa。根據第四強度理論：endprint

（1）

許用應力為：

（安全系數取2.5） ? ? （2）

3 計算結果與分析

對方案一計算所得骨架橫向位移、垂向位移及綜合應力云圖分別見圖3、圖4所示。橫向變形最大（沿y軸正方向）和最小（沿y軸負方向）值分別出現在后懸靠前的立柱及前懸中部的立柱上。

從橫向位移云圖可以看出在前懸發生最小位移立柱對面的立柱上也有較大的橫向位移。側圍立柱上較大的橫向位移對車身外面的蒙皮有很大影響，嚴重時蒙皮會開裂，影響運送貨物的質量和安全。

由圖4可知，方案一的骨架有較大的垂向位移，車底架中部橫梁下凹。由于安裝牽引銷的平板上有一個節點對垂向位移進行了約束，因此底架大部分位置下沉。關于位移值，在車輛設計中沒有給定明確的限制值，但位移值過大意味著剛度不足，車輛運動中容易產生振動，一方面影響貨物安全，另一方面更易使結構發生疲勞破壞。計算表明，在考慮到車輪的彈性及板彈簧的變形后，垂向位移還會增加，車輛運行中會有較大的垂向振幅。

如圖5所示，方案一最大von Mises應力出現在牽引銷安裝位置，應力值達到253 MPa，該值大于計算中選用的許用應力，但低于材料的屈服極限，考慮到車輪的彈性及板彈簧的變形后，最大應力接近材料的屈服極限。

對方案二計算所得位移和應力云圖與方案一有相似的分布，但對應數值減小很多，同名參數最大值減少約50%。由ANSYS提取模型單元質量得，方案一模型總質量為2570.505 kg，方案二模型總質量為3077.967 kg，方案二比方案一質量增加19.74%。若追求小的變形，方案二增加的質量還是可以接受的。具體計算結果如表3所示。應當說方案二是較保守的設計，可行的截面尺寸可在方案一與方案二之間選取。在有約束的優化問題中，最優值在可行域的邊界上取得，因此選取合適的安全系數對于獲得最優值有重要影響。

4 結語

半掛車運輸靈活，適應性強，全承載箱式半掛車外觀整潔、質量小、載貨量大，有很大的應用市場。根據某實際車型，選取了兩種截面尺寸方案，經計算增大骨架截面尺寸能有效減少車身橫向和垂向位移，降低最大應力，適宜的骨架截面尺寸可在方案一與方案二之間選取。

參考文獻

[1] 劉海亮.我國半掛車的現狀及發展趨勢研究[J].黑龍江科技信息，2012（9）：114.

[2] 徐建全，蘇建登，陳銘年.平板式半掛車車架有限元分析[J].福建工程學院學報，2012，10（1）：45-49.

[3] 李楠，孫桓五，閏杰，等.階梯式半掛車車架疲勞壽命預測[J].機械工程與自動化，2012（5）：9-11.

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

[5] 翟正錕，崔俊杰，鄭偉茂，等.某鵝頸式半掛車車架有限元靜態分析[J].中國農機化學報，2014，35（2）：175-178.

[6] 張學禮，張紅衛，董金松.《貨運汔車列車（甩掛運輸）推薦車型基本要——半掛車》釋義[J].交通標準化，2011（24）：131-145

[7] 交通運輸部.甩掛運輸推薦車型基本要求（修訂版）[EB/OL].2012，http：//www.moc.gov.cn/zizhan/siju/daoluyunshusi/cheliangguanli/guanliwenjian/201207/P020120731497894635287.pdf.

[8] 王偉，王鐵，申晉憲.新型全承載式半掛車車身結構設計[J].專用汽車，2011（6）：56-57.

[9] 范葉，楊沿平，孟先春，等.汽車輕量化技術及其實施途徑[J].汽車工業研究，2006（7）：40-42.

[10] 王耀鑫.普通箱式半掛車技術改進方案分析與研究[J].農業裝備與車輛工程，2012（1）：50-53.endprint

（1）

許用應力為：

（安全系數取2.5） ? ? （2）

3 計算結果與分析

對方案一計算所得骨架橫向位移、垂向位移及綜合應力云圖分別見圖3、圖4所示。橫向變形最大（沿y軸正方向）和最小（沿y軸負方向）值分別出現在后懸靠前的立柱及前懸中部的立柱上。

從橫向位移云圖可以看出在前懸發生最小位移立柱對面的立柱上也有較大的橫向位移。側圍立柱上較大的橫向位移對車身外面的蒙皮有很大影響，嚴重時蒙皮會開裂，影響運送貨物的質量和安全。

由圖4可知，方案一的骨架有較大的垂向位移，車底架中部橫梁下凹。由于安裝牽引銷的平板上有一個節點對垂向位移進行了約束，因此底架大部分位置下沉。關于位移值，在車輛設計中沒有給定明確的限制值，但位移值過大意味著剛度不足，車輛運動中容易產生振動，一方面影響貨物安全，另一方面更易使結構發生疲勞破壞。計算表明，在考慮到車輪的彈性及板彈簧的變形后，垂向位移還會增加，車輛運行中會有較大的垂向振幅。

如圖5所示，方案一最大von Mises應力出現在牽引銷安裝位置，應力值達到253 MPa，該值大于計算中選用的許用應力，但低于材料的屈服極限，考慮到車輪的彈性及板彈簧的變形后，最大應力接近材料的屈服極限。

對方案二計算所得位移和應力云圖與方案一有相似的分布，但對應數值減小很多，同名參數最大值減少約50%。由ANSYS提取模型單元質量得，方案一模型總質量為2570.505 kg，方案二模型總質量為3077.967 kg，方案二比方案一質量增加19.74%。若追求小的變形，方案二增加的質量還是可以接受的。具體計算結果如表3所示。應當說方案二是較保守的設計，可行的截面尺寸可在方案一與方案二之間選取。在有約束的優化問題中，最優值在可行域的邊界上取得，因此選取合適的安全系數對于獲得最優值有重要影響。

4 結語

半掛車運輸靈活，適應性強，全承載箱式半掛車外觀整潔、質量小、載貨量大，有很大的應用市場。根據某實際車型，選取了兩種截面尺寸方案，經計算增大骨架截面尺寸能有效減少車身橫向和垂向位移，降低最大應力，適宜的骨架截面尺寸可在方案一與方案二之間選取。

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（1）

許用應力為：

（安全系數取2.5） ? ? （2）

3 計算結果與分析

對方案一計算所得骨架橫向位移、垂向位移及綜合應力云圖分別見圖3、圖4所示。橫向變形最大（沿y軸正方向）和最小（沿y軸負方向）值分別出現在后懸靠前的立柱及前懸中部的立柱上。

從橫向位移云圖可以看出在前懸發生最小位移立柱對面的立柱上也有較大的橫向位移。側圍立柱上較大的橫向位移對車身外面的蒙皮有很大影響，嚴重時蒙皮會開裂，影響運送貨物的質量和安全。

由圖4可知，方案一的骨架有較大的垂向位移，車底架中部橫梁下凹。由于安裝牽引銷的平板上有一個節點對垂向位移進行了約束，因此底架大部分位置下沉。關于位移值，在車輛設計中沒有給定明確的限制值，但位移值過大意味著剛度不足，車輛運動中容易產生振動，一方面影響貨物安全，另一方面更易使結構發生疲勞破壞。計算表明，在考慮到車輪的彈性及板彈簧的變形后，垂向位移還會增加，車輛運行中會有較大的垂向振幅。

如圖5所示，方案一最大von Mises應力出現在牽引銷安裝位置，應力值達到253 MPa，該值大于計算中選用的許用應力，但低于材料的屈服極限，考慮到車輪的彈性及板彈簧的變形后，最大應力接近材料的屈服極限。

對方案二計算所得位移和應力云圖與方案一有相似的分布，但對應數值減小很多，同名參數最大值減少約50%。由ANSYS提取模型單元質量得，方案一模型總質量為2570.505 kg，方案二模型總質量為3077.967 kg，方案二比方案一質量增加19.74%。若追求小的變形，方案二增加的質量還是可以接受的。具體計算結果如表3所示。應當說方案二是較保守的設計，可行的截面尺寸可在方案一與方案二之間選取。在有約束的優化問題中，最優值在可行域的邊界上取得，因此選取合適的安全系數對于獲得最優值有重要影響。

4 結語

半掛車運輸靈活，適應性強，全承載箱式半掛車外觀整潔、質量小、載貨量大，有很大的應用市場。根據某實際車型，選取了兩種截面尺寸方案，經計算增大骨架截面尺寸能有效減少車身橫向和垂向位移，降低最大應力，適宜的骨架截面尺寸可在方案一與方案二之間選取。

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[10] 王耀鑫.普通箱式半掛車技術改進方案分析與研究[J].農業裝備與車輛工程，2012（1）：50-53.endprint