鋁合金廂式半掛車有限元分析

祝 哮，李 冰，徐 鑫，張德偉，劉瑞萍，王東輝

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

在中國經濟飛速發展，道路運輸日趨發達的背景下，特種車輛在汽車工業中占據著重要位置。廂式半掛車是特種車行業內相對常見的車型[1]。目前市場上的半掛車多以鋼制為主，為響應國家節能減排、綠色出行的方針政策，半掛車輕量化刻不容緩。鋁合金因其密度低、比強度高、加工性能優及出眾的環保性能等被廣泛應用到半掛車的制造中去[2]。

半掛車結構復雜，載貨種類繁多，運行的道路多樣，導致廂式掛車所受載荷復雜，因此車體結構需要具有足夠的強度和剛度以抵抗破壞和變形。

本文采用有限元法對半掛車車架強度進行計算，并依據JT/T 389—2010標準分析廂體剛度，保證半掛車可靠運行的同時，實現結構的輕量化。

1 有限元模型的建立

廂式半掛車車架采用主縱梁結構，兩根縱梁及橫梁均為“工字型”擠壓型材，廂體框架及廂板為組合模擠壓型材。材料均為Al-Mg-Si合金。主要采用焊接和螺接的方式進行連接。建模過程中，在不影響力學特性的前提下，對結構的細小特征、非承載的附屬部件進行簡化[3]，有限元模型如圖1所示。

圖1 廂式半掛車有限元模型

2 車架強度仿真模擬

考慮廂式半掛車的實際服役狀況的不同，在不同工況時，完成車架及廂體的裝配，對帶廂體結構的半掛車進行分析。廂式半掛車的額定載重為30 t，將載荷施加于廂體內。

2.1 彎曲工況

彎曲工況主要考慮半掛車在路面靜止或以恒定速度行駛在路面上時，車體的受力及變形情況。當路面不平整而顛簸時，在車體滿載的情況下，加載2 G的加速度，以保證結構的安全系數。

車架結構的應力云圖，如圖2所示。

圖2 水平彎曲工況應力云圖

可以看出，車架最大應力為183.2 MPa，位于縱梁處。低于材料(6082-T6)屈服極限，車架結構滿足使用要求。

2.2 扭轉工況

當半掛車在行駛過程中時，車架受到非對稱載荷的作用，產生靜態扭矩，即出現扭轉工況，此時，半掛車車架發生扭轉后將產生應力及變形[4-5]，可用來評價車架結構的可靠性。而扭轉工況是車身結構可靠性分析中較嚴苛的一種工況。

通過仿真運算，車架最大應力出現在車架與懸架的連接位置，應力值為241.4 MPa，且低于材料的屈服強度。因此，車架具有較好的使用可靠性。計算云圖如圖3所示。

圖3 扭轉工況應力云圖

3 廂體剛度仿真模擬

由于廂式半掛車載貨的多樣性及路況的不確定性，廂體結構需具有足夠的剛度來抵抗變形，以保證不影響其使用功能。根據JT/T 389—2010要求對前墻和側墻進行載荷施加，要求載荷卸載后部件的殘余變形不大于12 mm。

3.1 前墻剛度

半掛車在遇到緊急制動等工況時，廂體內的貨物會對前墻產生較大的沖擊。根據標準要求，對前墻施加0.4×額定載重的載荷，以壓強的形式加載。仿真分析結果云圖如圖4所示。

(a)加載；(b)卸載

由圖可知，在前墻施加載荷時變形為89.3 mm。卸載后，前墻的殘余變形為8.6 mm，小于目標值12 mm。滿足法規要求，表明廂體前墻具有足夠的剛度可抵抗變形。

3.2 側墻剛度

滿載的半掛車在發生轉向工況時，廂體內的貨物會對側墻產生沖擊作用。根據標準要求，對側墻施加0.3×額定載重的載荷，然后卸載。加載和卸載位移云圖如圖5所示。

由圖可知，加載載荷時變形為86.2 mm。卸載后，側墻的殘余變形為9.6 mm，小于目標值12 mm。滿足法規要求，表明廂體具有足夠的剛度。

4 結論

通過對廂式半掛車車架強度和廂體剛度的分析，結論如下：

1)水平彎曲和扭轉工況下，車架的最大應力均低于材料的屈服強度(安全系數取2)，滿足材料的強度要求。

(a)加載;(b)卸載

2)廂體前墻和側墻施加法規規定的載荷后，永久變形滿足法規JT/T 389—2010要求。廂體具有足夠的剛度抵抗變形能力。

綜上，廂式半掛車在強度和剛度方面滿足30 t載荷的設計要求，從而保證半掛車的可靠使用。