半掛車車架有限元仿真與靜力分析

丁群燕

（武漢軟件工程職業學院，湖北 武漢430205）

半掛車車架有限元仿真與靜力分析

丁群燕

（武漢軟件工程職業學院，湖北 武漢430205）

運用有限元法對半掛車車架進行了靜力分析，得出靜載荷作用下車架的應力和應變分布規律，車架的靜強度和剛度均滿足使用要求。

半掛車；靜力分析；有限元

自60年代開始，國內外就開始運用有限元對車輛結構強度進行計算和分析。美國學者M，M，凱默本、J，A，沃爾夫等人也曾從理論和實驗上對車輛車架進行強度和剛度的分析。近幾十年來，我國已經普遍應用有限元法對車輛結構進行優化設計研究，而作為車輛結構件中結構與載荷都很復雜的重要部件的車架，也是開展結構分析研究的對象。現在，有限元法已經成為汽車結構分析的一種解決力學問題的常用分析方法。

半掛車車架作為載荷的重要承載件，其可靠性關系到半掛車能否正常行駛，以及半掛車的安全性。半掛車車架承受著來自傳動系和懸架的各種激勵，關系到半掛車的操控、安全和舒適等性能。應用有限元法對車架進行靜力仿真分析，能保證車架滿足強度和剛度要求，防止過大變形。

由于半掛車車架結構復雜且與普通車輛不同，需要考慮各部分的應力和變形，同時用經典力學方法分析其強度和剛度不可能得到精確的結果，有限元法以離散、逼近的靈活算法廣泛地運用于結構強度和剛度分析，已成為一種常用的效果最好的結構強度和剛度分析方法。

本文利用Proe三維軟件建模，用有限元模型導入到Ansys中計算某專用半掛車車架的應力和變形，然后分析受力、計算應力和變形情況，最后與實際情況對比分析車架結構的強度和剛度[1]。

1 半掛車車架模型的建立

半掛車車架結構比較復雜，因此本文采用三維建模軟件Proe建立車架幾何模型，采用中間格式IGS導入到Hypermesh中，經過幾何清理之后再進行網格劃分，然后再把有限元模型導入到Ansys中進行分析計算以及后處理。

本文所述某半掛車車架為鵝頸邊梁式結構，主要由2根主縱梁、2根邊梁、22根貫穿橫梁、10根邊橫梁、12根底橫梁焊接而成。縱梁為工字形截面，邊梁和橫梁為槽鋼。車架全長約12 940 mm，寬2 400 mm，縱梁中心間距約940 mm.各部件之間通過焊接相連，在Hypermesh前處理中用rigid剛性單元模擬焊接，該半掛車車架有限元模型共有127 588個單元，134 027個節點[2]。如圖1所示。

圖1 半掛車車架有限分析模型

本文采用殼單元SHELL63對某專用半掛車車架結構進行離散，該單元為4節點24自由度，可以承受平面內載荷和法向載荷。半掛車車架材料選用Q 345（16Mn).

2 半掛車車架靜力分析

半掛車車架靜態分析一方面是使車架在車輛滿載情況下應承受的靜力作用下，車架各部分產生的應力和變形均不超過車輛質量安全允許的范圍；另一方面通過靜態分析合理調整車架各部分的應力分布，使半掛車車架各部分的應力值達到均衡，從而最大限度地利用材料，減少材料的使用量，從而降低半掛車車架制造的成本和車架的重量，提高半掛車性能和運行經濟性。該半掛車車架額定載質量為100 t，根據實際受力狀況，模擬車架滿載靜態彎曲工況，載荷簡化為均布在主縱梁和邊梁的上翼板上。經計算，對于16Mn鋼，屈服極限σs=360 MPa，強度極限σb=620 MPa，根據文獻[1]取安全系數 k=1，4，所以車架的許用應力[σ]=σs/k≈ 257 MPa.

在有限元分析過程中，必須保證有足夠的約束條件，以消除車輛整體的剛性位移及求解車架上各節點的位移和應力。在不影響計算精度的條件下對模型做適度簡化，忽略鋼板彈簧及支架、輪胎對結構分析的影響。因此，在車架后端支架處節點實施垂直方向位移約束，車架前端牽引板處實施全位移約束。

3 半掛車車架應力分析

車架等效應力分布云圖如圖2所示，由圖中可以看出，應力變化較大的部位主要集中在車架前端牽引板后梁處，中間主縱梁鵝頸過渡處，以及主縱梁變截面處。其中，最大最大應力點出現在主縱梁變截面處，其余部位應力很小。因此，在結構優化設計中，這三個部位應是考慮重點加強的部位[3]。

圖2 半掛車車架等效應力云圖

車架主縱梁變截面處等效應力分布云圖如圖3所示，該車架在滿載時產生的最大應力為290.600 MPa，發生在主縱梁懸架第一個支架的位置。但該點并非真實的應力值最大點。這與車架有限元模型的簡化有關，在建模過程中，忽略了懸架支架的影響。相當于將鋼板彈簧直接與車架固接，表現在建模上即直接約束主縱梁下翼板上板簧支架處的節點。而實際的車架是通過支座與懸架連接的，并沒有直接接觸，因此不會在某一點產生破壞，所以這個小區域并非真正要進行強度校核的對象。

圖3 車架主縱梁變截面處等效應力云圖

圖4 是主縱梁鵝頸過渡處等效應力分布云圖。從圖中可以看出，車架靜力分析中真正的最大應力點在主縱梁前端下翼板鵝頸過渡圓角處，最大應力為207.574 MPa，小于材料的許用應力257 MPa，車架強度滿足要求。

圖4 車架主縱梁鵝頸過渡處等效應力云圖

4 變形分析

車架變形分布云圖如圖5所示，車架中間邊梁和主縱梁鵝頸處的變形最大，依次向前后遞減，而前端牽引板和后端鋼板彈簧支架處約束點附近的變形最小。最大位移為5.421 mm，遠小于允許的最大變形量，車架剛度滿足要求。

圖5 半掛車車架變形云圖

5 結論

本文利用有限元法對半掛車車架進行了靜力分析，建模中進行了必要的簡化，模擬了車架滿載靜態彎曲工況，分析了在靜載荷作用下車架應力和位移分布規律。計算結果表明車架結構的強度和剛度滿足設計要求。

[1]張國芬，張文明.SGA92150型半掛車車架的結構設計與強度和剛度分析[J].北京科技大學學報，2007，29（7）：744-749.

[2]高樹勛，張秀國.基于有限元分析的采煤機搖臂行星架機械受力研究[J].煤炭技術，2013，32（09）：22-24，

[3]林 程，陳思忠.重型半掛車車架有限元分析[J].車輛與動力技術，2004，96（4）：23-27.

Finite Element Simulation And Static-Analysis of Semi-trailerFrame

DING Qun-yan
（Wuhan Polytechnic College of Software and Engineering，Wuhan Hubei 430205，China）

Static analysis of the semi-trailer frame by the finite element method，obtained the stress and strain distribution law of frame under the static loading，the static strength and stiffness of the frame meet the requirements.

semi-trailer；static analysis；finite element

U463.32；U469.6

A

1672-545X（2017）09-0009-02

2017-06-18

丁群燕（1975-），女，湖北麻城人，副教授，碩士，主要從事機電產品技術研究。