一種邊縱梁式鋼鋁結構廂式半掛車開發及優化設計

林樹生

摘 要：廂式半掛車是我國長途物流的主要運輸工具，特別是快遞行業90%以上采用這類密閉廂式半掛車。本文對廂式半掛車的開發、設計進行研究，主要目的是滿足目前快遞行業車輛轉型升級的需要，設計出一款貼切市場、滿足輕量化發展方向要求的廂式半掛車產品。本次研究，采用理論結合實際的研究方法，先闡述了快遞廂式半掛車發展的現狀，再分析鋁合金在半掛車上的應用；之后根據具體需求展開邊梁式車架鋼鋁拼裝廂式半掛車的實際設計，通過搭建有限元模型、優化工況荷載等方式完成優化設計，以仿真結果優化驗證設計的可行性與合理性，以能夠設計出輕量化低能耗、大容積、高可靠和高效率的廂式半掛車產品。

關鍵詞：邊縱梁式車架 鋼鋁 廂式半掛車 開發 優化設計

隨著現代社會市場經濟的安全高效發展，我國政府對各個行業提出了“節能減排”、“綠色環保”的要求，同時不斷加大對運輸行業的超載、超限和非法改裝的打擊力度?；诖朔N背景，如何設計出符合輕量化需求、具有節能環保低能耗和合法合規特征的半掛車產品，是需要重點思考的問題。同時在半掛車的開發設計中，設計人員以實際情況明確設計思路，根據不同的產品特征靈活選擇合適的車架類型，以及布置方式[1]。之后，借助現代系統完成有限元模型搭建、工況荷載分析，進一步完善設計，完成符合要求的快遞類廂式半掛車產品。

1 快遞廂式半掛車發展現狀

目前快遞物流車作為我國體量最大的公路載體，其保有量和增量在“十三五”頗具亮點，但骨架車+非標箱的運輸模式，具有違規風險阻斷了正軌有實力半掛車生產企業的進入，現有運行產品超長、超寬、超高，產品參差不齊。隨著運輸行業的不斷規范和安全運輸主體責任的明確，快遞物流運輸半掛車已開啟向合規車輛的轉變。同時，快遞行業的快速發展，促使快遞公司一次性訂單量越來越大和產品要求更高端化，決定其選擇的生產廠家必定為有實力的大公司。因此，開發一款可靠、高效、輕量化、低耗能的廂式半掛車具有廣闊的市場前景。

2 鋁合金在半掛車上的應用分析

高強鋼在我國半掛車上使用最多，其設計水平、工藝制造水平基本成熟。而鋁合金具有密度小、耐腐蝕等特點，且型材易擠壓成型，故近年來鋁合金在半掛車上應用快速升溫。但其強度低、焊接接口易脆裂，目前更多應用在液罐車、冷藏車、骨架車等運輸鋼性較好的車輛上。從裝載受力特點和運輸安全的角度考慮，承載式半掛車對材料選擇與結構設計有著很高的標準要求。目前仍然是以鋼鐵作為主要材料，鋁合金因價格、產品特性、結構設計等原因而很少使用，這與國外有著較大差距。而歐美的半掛車，已有80%以上使用鋁合金廂體；在日本，鋁合金半掛車廂體的市場份額甚至超過90%。從材料性能方面考慮，常見鋁合金系列中，1系、3系、4系、5系低鎂、8系鋁合金屬于低強度材料，無法應用于大重量承力部件；2系、7系鋁合金屬于中強度材料，但由于價格昂貴、抗應力腐蝕敏感性差等特點，多用于軍工、航空航天、高端民品等領域的非承力焊接部件；5系、6系高鎂鋁合金屬于中等強度材料，具有優良的耐蝕性與焊接性，是半掛車的輕量化潛在目標材料。

3 邊梁式車架鋼鋁拼裝廂式半掛車的開發及優化設計

3.1 確定開發車型選擇

2021年高速公路貨車收費由計重改為按軸數收費，對于快遞行業裝載重量一般在12～15噸每百立方的特點，依據標準GB 1589-2016《汽車掛車及汽車列車外廓尺寸軸荷及質量限值》作為設計依據，選擇單軸半掛與4*2牽引車組成3軸列車即可滿足運輸載重要求，而公路收費比兩軸半掛車的少18.6%，因此，單軸廂式半掛車是合規車輛轉變后的快遞最佳選擇。

3.2 車架設計

一般來說，車架需要根據不同工況和運輸需求選擇，不同形式車架滿足不同的半掛車使用需求[2]，具體如下。

（1）中梁式半掛車車架。中梁式車架結構，主要是兩根主縱梁+兩根邊梁通過橫梁連接而成，目前90%以上半掛車多采用中梁式車架。

（2）邊梁式半掛車車架。邊梁式車架，就是由左右兩根邊縱梁通過橫梁構成的車架，無中縱梁，邊梁既是縱梁；目前在框架式轎運半掛車上應用。此類車架在提升車架扭轉剛度、提高運載能力方面具有絕對優勢，快遞物流廂式半掛車可優選該結構，滿足大容積和側穩定性需求。

（3）綜合式車架。綜合式車架就是指集合了邊梁式車架、中梁式車架特征的車架結構。在車架的前端采用邊梁式結構，降低車架高度以降低重心；在車架的中部采用中梁式結構，便于安裝輪胎、懸架構件。

本次要設計的廂式半掛車的車架產品，車架結構需要具備多拉快跑可靠的特征，因此，確定車架類型為邊梁式，極大地滿足了長途快遞物流大容積、穩定性好、車架車廂一體式設計等各種需求，是一種突破現有市場結構的創新設計，提高產品開發與設計的經濟效益。

本次設計的邊縱梁車架不需要考慮寬度因素，兩邊縱梁外側寬度與車輛同寬即可（見圖1車架方案）

3.3 車廂設計

2020年10月，由工信部指導、中國汽車工程學會牽頭組織編制的《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》中也提出了未來5-15年商用車油耗目標，即相較2019年水平，到2025年油耗降低8%以上，面對愈發嚴格的排放標準和日漸緊迫的“雙碳”目標壓力，整車輕量化與供應鏈低碳化成為了我國汽車產業達成“雙碳”目標的重要突破口之一。

整車輕量化就是在保證車輛強度和安全性能前提下，降低整備質量，從而提高動力性、燃油經濟性，實現節能減排的目的。

當今油價持續攀升、治超治限持續加嚴，輕量化的車意味著合規裝載的貨物更多，在保障道路交通安全的同時，可以有效提升貨運效率與盈利率。例如載貨車每減重1000kg，按年行駛10萬公里計算，用戶可獲益3.5-7萬元。對于快遞車輛年行駛30萬公里左右，收益性更加可觀。因此本廂式半掛車車廂僅用于隔檔快遞類輕泡貨物，借鑒在用車輛經驗，全鋁車身即可滿足要求。但是本車型技術難點在于鋼車架與鋁車廂的連接方式和強度問題，通過反復分析論證，可以選定圖2的四種螺栓連接方式。

4 車架的優化設計

4.1 車架構成輸入

車架做為承受汽車的載荷和從車輪傳來的沖擊。車架設計和結構的好壞直接決定車輛的成敗，因此車架必需進行校核與優化，特別是本文開發的車輛采用鋁制車廂，分擔車架的載荷有限，獨立對車架進行校核分析：采用全高強鋼結構，主要材質為Q700合金鋼，采用焊接連接方式；車架構成包括：縱梁、橫梁、面板、牽引機構、前后端梁等。

4.2 搭建有限元模型

根據已經確定的半掛車車架類型、車架結構、各構件材料材質、載荷布置及大小等信息資料，搭建車架的有限元模型。（1）幾何清理。在車架模型搭建過程中，需要對其進行幾何清理，簡化計算過程，這樣可以將大量繁雜的計算過程簡單化。幾何清理中，對車架模型中的部分圓弧部位進行網格化較為困難，但是這種情況對車架模型的影響很微小，因此，在幾何清理的過程中可以刪除這些細小特征，以便于網格化處理[3]。（2）由于車架結構規格較大，為了避免在求解的過程中產生大量計算量，設定網格大小為10mm，對某些復雜部分結構的網格大小設定為6mm-8mm，以四邊形網格形式呈現，確保求解精度。（3）完成網格化之后，對車架的各個部分網格進行連接，以焊接為連接方式，在Hypermesh軟件中實現。車架焊接方式較為單一，可以采用縫合焊工藝，形成直線焊接縫軌跡；采用塞焊工藝，形成圓形焊接軌跡。采用REE2剛性單元模擬螺栓連接形式，對螺栓孔網格進行加密，同時添加washer。完成焊接與螺栓連接的建模之后，就可以得到車架的有限元模型。

本車架模型情況：長13750mm，寬2500mm，網格數量424707，三角形網格數量4808。

4.3 優化工況荷載

半掛車在行駛的過程中會面臨很多工況，因此，需要對車架的工況荷載進行優化，促使其滿足半掛車的使用需求。不同工況條件下，車架承受的荷載不同，本文采用靜力學對緊急制動、緊急轉彎、彎曲三種極端情況的工況進行分析。結合構件變形規定參數，對有限元模型進行重量加載，促使質量單元均勻分布于車架上翼面上，重量參數18t。隨后開展靜強度分析，充分考慮動載系數條件，設計彎曲工況的荷載系數為2.0，設計制動工況、轉彎工況的動荷載系數為1.3。根據實際行駛情況、標準要求，擬定工況條件如表1。

4.4 基于仿真結果的優化

在完成上述的有限元模型搭建、工況荷載優化之后，將有限元模型的搭建成果轉化成bdf模式，在Nastran軟件中求解分析，得到的結果導入Hyperview軟件中，生成極端工況條件的位移圖、應力云圖[4]。從生成的仿真結果來看，車架的整體剛度分布均勻，在承受18t時，最大位移發生在鵝頸處，位移大小為49mm，位移方向為豎直向下。車架平均應力在250-270MPa之間，且均勻分布，但是在車架輪罩位置和鵝頸位置存在部分應力集中情況，局部達到500MPa（見圖3應力云圖）。可以得知這些部位是安全隱患，需要進一步調節或加強處理這一位置，適當減少應力強度，提高可靠性，使車輛運載安全系數更高。

5 結語

綜上所述，本次研究的單軸邊縱梁式鋼鋁結構廂式半掛車經過優化后滿足運輸工況要求。設計時考慮了實際運營需求和作業環境選擇了合適的車架類型，才能夠開發出契合需求的半掛車。在今后的開發與設計中，建議要多方考慮，靈活選擇不同的車架；同時考慮節能減排要求，通過搭建有限元模型完成車架設計，減輕整車的重量，促使其滿足市場的輕量化車架需要；也可以適當調整結構型，提升車架部分構件強度，避免其在長時間作業之下疲勞產生斷裂，提升邊縱梁式半掛車車架的應用水平。在當下鋁焊普及不足的情況下，考慮到維修及時性和便利性，本次研究的廂式車型先采用鋼鋁混合結構，即車廂采用鋁合金，車架采取高強鋼焊接再拼裝而成的方式，日后再逐步走向全鋁化。

參考文獻：

[1]田甜，翟豪瑞.某半掛車的設計與分析[J].汽車實用技術，2020，45（23）：66-69.

[2]彭永香，杜芳，付常偉，杜金科，李萍.半掛車車架縱梁結構分析與優化[J].中國鋼鐵業，2019（05）：59-60.

[3]郭海剛，趙富鐸，王永靜. 一種能上叉車的半掛車車架結構設計[C]//.第十五屆河南省汽車工程科技學術研討會論文集，2018：108-109.

[4]趙陽. 基于準動態模型的半掛車縱梁輕量化優化[C]//.2018中國汽車工程學會年會論文集，2018：1405-1409.