某半掛車的設計與分析

田甜，翟豪瑞

（鹽城工學院汽車工程學院，江蘇 鹽城 224051）

前言

半掛車車架作為整車的主要承載基體，承受著來自車輛自身與外部各種形式的復雜載荷，也是許多專用工作裝置以及重要總成的安裝基礎。本文結合實際情況，參照半掛車整車車架參數，建立了車架的三維模型，對其簡化后，導入到有限元分析軟件ANSYS Workbench進行分析。[1]在承受38噸額定載荷情況下進行靜力分析，分別得到滿載、滿載轉向、滿載制動工況下的總變形量和等效應力云圖，以此判斷車輛能否安全行駛；通過模態分析，研究車架前6階固有頻率，避免共振，為設計分析提供參考。

1 半掛車車架三維模型的建立[2]

試驗骨架式集裝箱半掛車，其額定載荷為38噸，車架總長14720mm，總寬2500mm。[3]

1.1 原始半掛車車架三維模型

半掛車車架主要由若干橫梁、縱梁、工具箱等形成。本文的模型是在UG軟件中建立的，由于骨架式集裝箱半掛車整車的結構比較復雜性，零件重多，為了節約建模時間，在不影響車架整體性能、零件固定以及各零件間裝配關系的前提下，將為了滿足行車使用要求或構造而在車架上設置的卻對三維模型的建立沒必要的次要構件去除，得到如圖1所示。

圖 1 半掛車車架原始三維模型

1.2 簡化后半掛車車架三維模型

為了建立有限元模型時有限元前處理的簡便，需要減少網格劃分數量以提高計算的精度與速度，故仍需對圖1簡化：

1）忽略車架上對結構應力影響不大的所有工藝所需圓角、倒角以及細小折彎等，以便減少網格劃分數量、減少計算量和節約計算時間；并將距離應力較遠的過渡圓弧簡化為直角。

2）忽略半掛車車架上直徑較小或僅是為了滿足功能而設置的工藝孔、鉚接孔 、安裝孔、吊環孔、路線孔以及螺栓孔等。

3）忽略半掛車車架上的非承載結構：忽略不重要的且承受的載荷很小甚至于無的結構，例如支腿座板、支腿座加強筋。

4）去除半掛車車架上的附屬部件：側防護（左右側防護、側防護多功能架、側防護立桿、側防護支架）；側燈支架、側燈支架座；工具箱、工具箱前后吊帶、工具箱前后支撐。

最終簡化后的半掛車車架模型如圖2所示。

圖2 半掛車車架簡化后三維模型

2 半掛車車架有限元模型的建立

2.1 材料屬性

半掛車車架主要由若干橫梁和縱梁等焊接而成，車架材料采用 16MnL，其車架力學參數如下表所示（見表 1）。對于車架單元類型的挑選，主要取決于半掛車車架結構的物理幾何形狀、計算精度、載荷類型等。

表1 半掛車車架力學參數

2.2 網格劃分

本文首先定義有限元模型的網格精度，其中網格相關度設為50，劃分質量設為 Medium，定義劃分的方法為自動網格劃分形式。因為半掛車車架結構模型比較規則，所以在進行網格劃分時，根據網格劃分原則，網格類型主要選擇六面體形式為主的網格進行劃分，具體示意圖如下（見圖 3）。半掛車車架進行網格劃分后，節點數量為546194個，總單元數量為178311個。

圖3 半掛車車架有限元模型

2.3 約束及施加載荷

根據骨架式集裝箱半掛車實際行駛情況，選擇在約束狀

態下分析車架的模態分布，這樣更能準確反映出半掛車車架的震動分布情況。本實驗使用靜強度分析，來驗證半掛車車架整體結構在承受額定載荷為38噸的情況下，車架是否能夠安全運行。全部額定載荷分布在上翼板，且取 1.8的動載荷。如表2所示設置半掛車車架有限元模型的邊界約束。

表2 半掛車車架有限元模型的邊界約束

3 半掛車車架靜力分析

半掛車車架整體結構在承受 38噸額定載荷的情況下進行靜力分析，分別得到在滿載工況、滿載轉向工況、滿載制動工況下的總變形量云圖（Total Deformation）和等效應力云圖（Equivalent Stress），此來判斷半掛車車架結構設計是否合理，車輛是否能夠安全穩定行駛。[4]

3.1 滿載工況

對半掛車車架在滿載工況下分析得到總變形量云圖如圖4，最大位移值 0.34941mm，發生在車架結構邊緣位置，與實際相符。

而在半掛車車架其他位置上，其結構的變形量則很小，其中主要以藍色以及綠色為主。并且從車架整體結構上看，其最大位移值較小，故而并不會影響半掛車車架結構的正常運行，因此半掛車車架在滿載工況下，車輛能夠安全穩定的運行。

圖4 滿載工況下的總變形量云圖

通過滿載工況下半掛車車架等效應力云圖如圖5可以清晰的了解到，半掛車車架的最大Mises應力值為 216Mpa，且最大值發生在車架結構的支撐連接位置，與實際情形比較相符。最大應力數值低于材料的屈服強度，結構安全系數較大。

而在半掛車車架其他位置上，大部分的Mises應力值都相對都比較小，如圖所示云圖主要以藍色以及綠色為主，這說明半掛車車架在滿載工況下，車架能夠正常運行，車輛不會發生破壞。

圖5 滿載工況下的等效應力云圖

3.2 滿載轉向工況

對半掛車車架的滿載轉向工況下分析，得到總變形量云圖如圖6，最大位移值為0.2765mm，它發生在車架結構的中間位置，與實際相符。

從車架整體結構上看，主要以藍色以及綠色為主，且由于最大位移值較小，故而并不會影響到半掛車車架結構的正常運行，因此車架在滿載轉向工況下，車輛能夠安全穩定的運行。

圖6 滿載轉向工況下的總變形量云圖

圖7 滿載轉向工況下的等效應力云圖

滿載轉向工況下等效應力云圖如圖 7，車架最大 Mises應力值 290.43Mpa，且最大值在車架結構的前端支撐連接位置，與實際相符。最大應力數值低于材料的屈服強度，安全系數較大。

而等效應力云圖中主要以藍色以及綠色為主，這說明車架在滿載轉向工況下，能夠正常的運行，車輛不會發生破壞。

3.3 滿載制動工況

對半掛車車架滿載制動工況下分析得總變形量云圖如圖8，且最大位移值0.23103mm，在車架中間位置，與實際相符。

且車架整體結構以藍色以及綠色為主，故不會影響到車架結構正常運行，因此在滿載制動工況下，車輛能夠安全穩定的運行。

圖8 滿載制動工況下的總變形量云圖

滿載制動工況下半掛車車架模型的等效應力云圖如圖 9所示，其最大Mises應力值為264.93Mpa，且最大值在車架結構的前端支撐連接位置，與實際相符。最大應力數值低于屈服強度，安全系數較大。

而半掛車車架其他位置，大部分Mises應力值都較小且以藍色以及綠色為主，這說明半掛車車架在滿載制動工況下，車架結構能夠正常的運行，車輛不會發生破壞。

圖9 滿載制動工況下的等效應力云圖

4 半掛車車架模態分析[5]

由于現實情況的影響，半掛車車架承受的載荷復雜，不僅是來自貨物，還要承受由于路面行駛狀況復雜而產生的來自地面的沖擊載荷，當車輛行駛使，車輛接到外界產生某一激勵，這與我們所駕駛的半掛車的某一階的固有頻率相同，這時，車輛就會共振，從而對人、車造成傷害。因此，對半掛車車架的有限元模態分析是為了獲得其各階的固有頻率，以此盡量避免共振。本文分析得到前6階的頻率數值（見圖10和表3）。[6]

圖10 1～6階的頻率數值

表3 車架模態分析結果

且車架的前6階振型云圖如下圖所示（見圖11～圖16）。

圖11 第1階振型圖

圖12 第2階振型圖

圖13 第3階振型圖

圖14 第4階振型圖

圖15 第5階振型圖

圖16 第6階振型圖

5 總結

本文基于UG和ANSYS Workbench軟件對半掛車車架進行設計與有限元分析，判斷車架設計是否合理安全。

（1）通過靜力分析分別得到滿載、滿載轉向和滿載制動工況下的總變形量以及等效應力云圖，得出各工況下車架都能安全行駛。

（2）通過模態分析得到車架的前6階固有頻率，與車架受到的外界激振頻率比較，從而避免共振。