某壓載掛車車架靜態特征與模態分析

陳鳴澗，楊振宇，李陸寬，王文迎，劉柏旭

(山東理工大學機械工程學院，山東 淄博 255000)

壓載掛車車架為中央箱形截面梁式，用于運輸起重機配重。目前，壓載掛車在歐洲得到了廣泛應用，因其特殊的車架形態非常適合壓載運輸，再加上日益繁忙的吊裝作業需求，以Mammoet、Sarens、Felbermayr為主的各著名吊裝公司爭先搶購各種型號的壓載掛車。歐洲主要壓載掛車生產商為德國的Goldhofer公司和荷蘭的Nooteboom公司，生產的壓載掛車軸數為5～8軸、額定載質量為40～100 t。

大型起重機配重塊往往密度較大，單位面積對載貨臺的壓力也就偏大，國內一般利用傳統鵝頸式半掛車來運輸各種型號的配重塊，其車架為焊接框架結構，由縱梁、主橫梁、貫穿梁、邊梁以及底板等組成，縱梁為工字鋼[1]。通過分析以往的關于鵝頸式半掛車車架靜力學研究案例可以得出，目前導致鵝頸半掛車車架開裂的主要工況因素是彎曲工況和扭轉工況[2]。車架的最大應力基本出現在后懸架處和鵝頸部位，且當車架處于滿載扭轉工況下時，應力值最大，會造成車架的疲勞斷裂和變形[3]。

車架是半掛車的主要承載部件，它能否滿足半掛車在使用過程中的強度、剛度及振動要求，是衡量半掛車質量的重要指標[4]。本文針對常見實際工況對壓載掛車車架進行靜態特征分析，通過研究滿載彎曲、滿載扭轉、滿載搓板路工況下車架應力及變形情況，驗證其運輸起重機配重時的強度和剛度,并對車架結構進行有限元模態分析，辨識車架結構動態性能，分析其結構設計是否合理。

1 車架有限元模型建立

本文研究的壓載掛車屬于特種運輸半掛車，其車架為中央箱形截面梁式，載質量為45 t。該壓載掛車車架主要由一根中央矩形截面主梁、若干三角加強筋和邊梁等結構焊接而成，車架分為前部的非載貨區與中、后部的載貨區，載貨區可放置配重塊、液壓支腿等機械部件；非載貨區可安置壓載箱(通過增大牽引車驅動軸軸荷的方式來增大扭矩，便于坡路運輸)。該壓載掛車車架非載貨區底盤通過牽引銷與牽引車的鞍座連接，整車設置為五軸載荷模式，車架的主要參數見表1。

表1 車架主要參數

壓載掛車車架材料采用16Mn低合金結構鋼，其彈性模量為216 000 MPa，泊松比為0.31，密度為7 870 kg/m3，屈服強度為450 MPa。

利用UG建立五軸壓載掛車車架的幾何模型，并將其導入HyperMesh中建立有限元模型，導入時去除載貨區邊緣的索孔以及車架中的倒角、圓角以及車架附屬結構(例如防護架、工具箱、油箱座等)。本文選擇三維四面體單元對車架模型進行網格劃分，將基本單元格大小設置為60 mm，并對連接點以及應力集中區域進行細致的網格劃分，一共劃分出104 198個有限元單元，最終的車架有限元模型如圖1所示。

圖1 車架有限元模型

2 車架有限元靜力學分析

本文主要對壓載掛車車架進行滿載彎曲、滿載扭轉、滿載搓板路3種工況下的有限元靜力學動強度分析，主要分析其正常直線行駛時的地形適應性。

2.1 滿載彎曲工況

車架需要足夠的彎曲剛度來保證半掛車在各種復雜工況下的整車工作。彎曲工況指當車輛全部的車輪與地面接觸并在路況良好的路面上以恒定的速度行駛時，車架對其壓載情況的狀態響應。

約束處理：約束牽引銷局部X,Y軸方向的全部自由度以及Z軸方向的平動自由度；所有懸架與車架接觸處約束X,Y,Z軸方向的平動自由度。

載荷處理：在車架載貨區中部建立一個寬度為1 530 mm的平面承受垂直于載貨臺向下的45 t均布載荷，并使其貫穿整個載貨區。車架在外力作用下原為直線的軸線發生變形成為曲線，從而能夠模擬配重塊安放在載貨臺時重力作用于載貨臺面的工況，此時動載荷系數取2。

結果分析：通過有限元分析，分別得到圖2、圖3所示車架彎曲工況下的形變量云圖和應力分布云圖。由圖2可知，車架最大變形量為1.694 mm，位于車架中后部的兩側邊梁處，對于主要壓載部位影響較小。由圖3可知，第一車橋下方懸架的連接處出現了輕微的應力集中現象，最大應力為52.50 MPa，車架大部分應力值小于30 MPa且分布均勻，沒有發生應力值突變現象，故車架滿足強度要求，有較高的抗彎剛度。

圖2 滿載彎曲工況形變量云圖

圖3 滿載彎曲工況應力云圖

2.2 滿載扭轉工況

扭轉工況是半掛車最危險的工況之一，當車輛在凹凸不平的道路上行駛時，若干車輪抬起或落下，其對側車輪仍與地面接觸，從而使得左右車輪形成相對高度差，即車輛受到非對稱載荷作用，產生靜態扭轉矩，從而使車架產生扭轉變形。

約束處理：約束牽引銷局部X,Y軸方向的全部自由度以及Z軸方向的平動自由度；1,3,5車橋左懸架與車架接觸處約束X,Y,Z軸方向的平動自由度；2,4車橋右懸架與車架接觸處約束X,Y,Z軸方向的平動自由度。

載荷處理：載荷處理方式與彎曲工況完全相同。

結果分析：圖4和圖5分別是車架處于扭轉工況下的形變量云圖和應力分布云圖。由圖4可知，車架最大變形為2.03 mm，發生在車架左前方的邊梁以及左后方邊梁處。由圖5可知，第一車橋右側吊耳處出現了應力集中現象，最大應力為92.04 MPa。本壓載掛車車架所用材料的屈服強度為450 MPa，根據國家標準，選取安全系數為2.5[5]，而扭轉工況下的安全系數為材料的屈服強度除以最大應力，即450/92.04=4.89，滿足工況需求，說明車架處于扭轉工況時結構安全。從車架整體應力分布來看，整體應力水平較低，且由于懸架的減震作用，該處的實際應力是小于最大應力的，但盡管如此，也應盡量避免使車架長期在該工況下運行，從而延長車架使用壽命。

圖4 滿載扭轉工況形變量云圖

圖5 滿載扭轉工況應力云圖

2.3 滿載搓板路工況

當半掛車行駛于道路狀況惡劣的山區路段時，常常會處于所謂搓板路工況，此種工況模擬的是車架在崎嶇路面上行駛時左右兩側車輪同時抬起或落下的狀態。

約束處理：約束牽引銷局部X,Y軸方向的全部自由度以及Z軸方向的平動自由度；約束1,3,5車橋左右懸架與車架接觸處的X,Y,Z軸方向的平動自由度。

載荷處理：載荷處理方式與彎曲工況完全相同。

結果分析：圖6和圖7分別是車架在搓板路工況下的形變量云圖和應力分布云圖。由圖6可知，車架最大變形為1.95 mm，發生在車架中后部兩側邊梁處。由圖7可知，第三車橋兩側吊耳處出現了應力集中現象，最大應力為60.67 MPa，此現象是由于2，4車橋懸架自由度釋放后車架載貨臺下降，使得第三車橋懸架承受了車體大部分重力造成的。通過對比車架處于搓板路工況、扭轉工況、彎曲工況的形變及應力分布情況可以看出，搓板路工況分析結果綜合了彎曲、扭轉工況，其條件相比扭轉工況更為極端，更符合國內實際工況條件，所以車架有限元分析時應當獨立分析搓板路工況，而不應將其歸結到扭轉工況中去，搓板路工況對于半掛車車架在國內工況下的適應性研究分析有著極其重要的意義[6]。

圖6 滿載搓板路工況形變量云圖

圖7 滿載搓板路工況應力云圖

2.4 車架結構改進措施及驗算

由工況分析可知，壓載掛車車架處于滿載扭轉工況時，其釋放了自由度的前懸架的對側懸架吊耳處易產生應力集中現象，應力值為92.04 MPa。針對此現象，本文采取的改進措施為在產生應力集中的一側懸架吊耳處增加如圖8所示的三角加強筋，對實體模型進行修改和分析，并對扭轉工況重新計算后，得到該懸架吊耳處的最大應力為63.50 MPa。而三角加強筋作為附件，其承受的最大應力為127 MPa，有效消除了懸架部位的應力集中，減小了最大應力值，改進后懸架吊耳處的應力分布如圖9所示。

圖8 三角加強筋

圖9 改進后懸架吊耳處的應力分布

3 車架模態分析

模態分析是對機械結構的固有頻率和模態振型的研究，是研究結構動力特征的一種方法，一般應用在工程振動領域。通過對壓載掛車車架進行模態分析，預測車架結構在某頻段內，在外部或內部各種振源作用下產生的實際振動響應，從而通過合理設計結構以避開共振頻率[4]。通過計算分析可得車架前6階模態頻率為趨近于0，可近似看作剛體模態，對模態分析意義不大。剛體模態前10階模態的固有頻率和振型如表2、圖10～圖14所示。

圖14 第15,16階振型

表2 車架前16階模態的固有頻率和振型

圖10 第7,8階振型

圖11 第9,10階振型

圖12 第11,12階振型

圖13 第13,14階振型

通過研究模態分析結果可以看出，車架的振動頻率很低,振幅很小，振型主要是垂直彎曲和復合振動。車架的 7～16 階頻率分布在 6.63～38.42 Hz，且頻率過渡相對穩定，無突變情況。車輛行駛時，激勵源主要來自于路面和發動機，一般較好路面的激勵頻率為20 Hz以下的垂直彎曲，此振動對車架的影響最為嚴重。由模態分析結果可知，模態頻率在20 Hz以下的振型無垂直彎曲，且模態頻率在 20 Hz 以內的僅有 7，8，9 階模態，其模態頻率分別為 6.63，11.65，15.86 Hz, 這3階模態的振幅都很小，因而對車架影響較小。車架部分的固有頻率為10～15 Hz，由表2可知，車架的1階彎曲和1階扭轉頻率均不在此范圍內。

依據上述分析可知，該壓載掛車車架正常行駛時可有效避免共振現象，不會引起較大振幅，說明該壓載掛車車架結構設計合理。

4 結束語

本文研究表明，五軸壓載掛車相比于國內傳統鵝頸式半掛車，在壓載運輸方面有明顯優勢。通過與傳統雙邊梁式半掛車車架的有限元分析結果的對比可知，壓載掛車車架在承受極端載荷情況下變形程度大大降低，且應力分布較為均勻，此現象表明中央梁式車架結構在重型運輸狀態下具有較長的使用壽命。此外還通過模態分析驗證了壓載掛車車架結構設計的合理性，并確定了車架振幅較大的位置，有利于對車架結構的進一步優化。本文的研究結果對今后國內重型運輸特種半掛車的研究和發展具有一定的指導意義。