半掛車車架縱梁結構分析與優(yōu)化

彭永香 杜 芳 付常偉 杜金科 李 萍

1.前言

隨著物流運輸的逐步發(fā)展，半掛車依靠其運輸效率高、結構簡單、機動性好、安全性高以及保養(yǎng)費用低等一系列優(yōu)勢，使其在現代物流運輸中的作用越來越大，其主要用于工程機械和一些不可拆卸貨物的長途運輸，是生活中常見的大型載重貨車，被廣泛用于工廠，工地等大型生產或工程所在地，所裝貨物在20噸到40噸，其車架作為其主要承重部件，其安全性要求較高。

由于車架結構復雜，在強度和剛度計算方面，如果采用傳統(tǒng)力學方法，難以得到精確的結果。有限元法以離散、逼近的靈活算法廣泛的運用于結構強度和剛度分析，已成為一種常用，且效果最好的結構強度和剛度分析方法。本文利用有限元軟件ANSYS對現有40噸載重半掛車車架進行應力和變形計算，明確現有車架縱梁的結構強度和剛度，為結構優(yōu)化提供基礎。通過在最大應力處進行加強，在整車架縱梁增重0.99%的條件下，將最大應力由 390MPa降低到223MPa，可以提高40噸載重半掛車車架的使用安全性。

2.總體結構

半掛車車架縱梁按照縱梁形式，可分為平板式、鵝頸式和凹梁式。平板式承載面大、強度高，但車架重心高，對道路要求高；凹梁式重心低，但需要一套起吊設備把貨物放到半掛車上，所以使用成本較高；鵝頸式具有兩者的優(yōu)點，可以兼顧重心低和適應道路要求兩方面的要求。

由于半掛車多用于長途運輸，運輸道路情況復雜，因此采用鵝頸式。為保證車架具有足夠的強度和剛度，選用Q690鋼板焊接而成。

2.1 總體布局

40噸載重半掛車車架縱梁總體布置見圖1所示。車架縱梁由前部鵝頸和后部縱梁構成。牽引車通過牽引銷與前部鵝頸支點1相連，車輪通過輪軸與車架輪軸座相連。本車架縱梁共兩根。

2.2 縱梁

圖1 半掛車車架總布局圖

縱梁是車架的主要承載構件，在半掛車行駛中主要受壓應力和彎曲應力。為滿足半掛車在運輸過程中的使用要求，縱梁采用具有抗彎性能良好的H形結構。為保證牽引裝置具有良好的活動范圍，車架縱梁的前部較高；而后部的貨箱較低，便于裝卸貨物，并增加半掛車在道路運輸過程中的穩(wěn)定性。在前后部連接處增加與腹板厚度一致的三角形加強肋，提高連接處的承載能力。為降低板材切割和焊接變形，上下翼緣厚度和寬度一致，同時為減輕車架的重量，縱梁的腹板厚度盡量減小。

3.有限元計算和分析

車架縱梁有限元計算大多采用梁單元和桿單元，這種模型規(guī)模小，但存在計算結果不全面，不精確的問題，同時也無法得到不同構件部位的應力分布。隨著計算機性能的不斷提高及有限元軟件的改進，使利用三維實體單元（Solid）對車架進行全面精確分析成為可能。本文采用Solid單元，對40噸載重半掛車車架縱梁進行分析，計算各部位的應力情況，找出薄弱環(huán)節(jié)，為車架縱梁設計和優(yōu)化提供參考。

3.1 有限元模型

由于40噸載重半掛車車架縱梁結構左右對稱，為減少計算量，取一半作為計算對象。首先用Auto CAD建立實體模型，然后將此模型導入到ANSYS中建立有限元模型。由于車架縱梁的形狀復雜，尺寸變化大，如果采用八面體或者其他精度較高的實體單元，計算量巨大，而采用屈棱四面體不僅能較好的適應不規(guī)則形狀而且可以滿足精度要求。因此，車架縱梁分析中采用10節(jié)點二階單元的Solid187，單元網格大小手動制定。

3.2 載荷和邊界條件

由于半掛車在正常使用時，前面部分經過牽引銷與牽引車連接，后面部分通過輪軸、車輪支撐與車輪連接，因此，對車架的約束為：前部鵝頸支撐點處為三維面約束，后部縱梁四個支撐點為三維線約束。

貨物通過上蓋板作用在整個車架上，因此全車架上承受均勻載荷的加載方式。整車架滿載重量為40噸，所以此模型所承受的載荷為滿載載重的1/2，方向垂直向下。

3.3 計算結果與分析

3.3.1 原始車架縱梁設計的計算與分析

分析結果包括等效應力和總變形的最大值和最小值。該模型最大應力為390MPa，最大應力部位為后部縱梁與前部鵝頸連接的加強肋三角區(qū)。根據專用車設計規(guī)范，取安全系數k=1.4，因此，車架制造板材的許用屈服強度ReL=390MPa×1.4=546MPa。現有縱梁車架選用Q690鋼板焊接而成，在強度方面富余量較大。

滿載時車架縱梁的最大位移為12.03mm，最大位移部位為前部鵝頸與后部梁連接的三角區(qū)。半掛車車架縱梁的彎曲變形，主要取決于縱梁的剛度，此車架最大軸距Lmax=8460mm，根據專用車設計要求，在靜載荷情況下，允許縱梁的最大變形量為ymax=0.003×L=25.38mm。因此，該車架縱梁結構在剛度方面滿足專用車設計要求。同時，從現場使用情況看，縱梁縱向變形不超過12mm，與有限元計算結果基本吻合。

3.3.2 車架設計優(yōu)化

根據原始車架縱梁結構的計算與分析，發(fā)現車架的薄弱環(huán)節(jié)為后部梁與前部鵝頸連接處的加強肋。為此，對原始車架縱梁加強肋進行結構優(yōu)化，通過對上下加強肋下面焊接10mm鋼板，以降低該處應力值。加強肋優(yōu)化后，整體車架增重14.32kg，較原設計增重0.99%。為驗證結構優(yōu)化結果，按照前述方法進行了優(yōu)化后車架結構的有限元計算模擬。

3.3.3 有限元分析

分析結果包括等效應力和總變形的最大值和最小值。根據專用車設計規(guī)范，取安全系數k=1.4，因此，車架制造的板材的需要屈服強度ReL=223×1.4=312MPa。與原始車架縱梁結構相比，許用屈服強度降低42.86%。

滿載時車架的最大位移為9.41mm，滿足專用車設計要求，且與原始車架縱梁相比降低21.78%，最大位移部位為前部鵝頸與后部梁連接的三角區(qū)。從現場應用情況看，縱梁縱向變形不超過9mm，與有限元計算結果基本吻合。

4.結論

本文利用有限元軟件ANSYS，采用曲棱四面體實體單元Solid187對車架縱梁進行應力和變形計算，找出車架縱梁受力的薄弱環(huán)節(jié)，并對原有加強肋進行優(yōu)化，優(yōu)化后，整體縱梁增重率0.99%，最大應力降低率42.86%。

（1）原車架縱梁結構滿載時，最大應力部位為后部梁與前部鵝頸連接的加強肋的三角區(qū)，最大應力達390MPa；最大位移部位為前部鵝頸與后部梁連接的三角區(qū)，最大位移為12.03mm，滿足專用車設計要求。

（2）根據最大應力和部位，對原有加強肋進行優(yōu)化。與原結構相比，整體縱梁增重14.32kg，增重0.99%。

（3）縱梁優(yōu)化后，車架縱梁結構滿載時，最大應力部位為前部鵝頸連接銷處，最大應力為223MPa，較原始車架縱梁結構降低42.86%；最大位移部位為前部鵝頸與后部梁連接的三角區(qū)，最大位移為9.41mm，滿足專用車設計要求，且較原結構降低21.78%。

參考文獻略