有限元分析在半掛車上的實戰運用

摘要：受輕量化趨勢影響，市場上通常使用性能更好的材料和結構優化相結合的方法，使用有限元仿真技術輔助設計，來減少產品的研發周期。由于專用車車型眾多，沒有相應的分析規范和標準，加上受人為因素和環境條件影響，有限元結果與實際產品使用存在不小的偏差，很多人質疑有限元研發僅僅存在于理論階段。據此，通過對半掛車研發設計和產品使用中暴露的問題，發現運用有限元分析具備有可行性和實戰性，并為半掛車產品研發提供了可視化的有效參考答案。

關鍵詞：半掛車；有限元分析；可行性；實戰性

中圖分類號：U469.5? 收稿日期：2023-11-13

DOI：1019999/jcnki1004-0226202401011

1 前言

近年來，隨著相關法規的完善和行業競爭日趨激烈，市場對半掛車輕量化要求越來越高。很多企業在滿足使用要求前提下，采用強度更高和厚度更薄的板材，再通過結構優化的方法，進而達到降低整車重量。本研究以38 m?粉罐半掛車和13 m鵝頸半掛車為對象，應用HyperWorks軟件進行結構仿真分析。通過實際車輛建立分析模型，分析結果與售后的車輛進行對比，然后進行結構再優化設計，得出有限元分析在結構研發設計和優化上具備有很強的實戰性。

2 有限元模型建立

2.1 材料特性參數

本文通過兩種車型作為研究對象，一種車型38 m?粉罐半掛車，整車使用板材為T610L；另一種車型13 m鵝頸半掛車，小零部件使用板材為T700，腹板和下翼板使用板材為T980。材料性能參數見表1。

2.2 網格劃分

整車由薄鋼板直接拼焊、折彎或者卷制成型后拼焊而成，零部件的幾何尺寸遠大于板厚，所以對車架采用殼單元（PSHELL）進行網格劃分，網格單元類型以四邊形單元為主［1-2］。既可以承受法向載荷，也可以承受面內張力載荷，單元的每個單元節點有6個自由度，網格平均尺寸10 mm。為保證計算效率，本仿真采用的網格質量標準見表2［3］。

2.3 有限元模型

38 m?粉罐半掛車三維模型及有限元模型如圖1和圖2所示；13 m鵝頸半掛車三維模型及有限元模型如圖3和圖4所示。

2.4 載荷與邊界條件

分析中通常采用靜止工況、顛簸工況、剎車工況、轉彎工況、扭轉工況去綜合分析。半掛車主要承受自重、貨物重量及慣性力載荷的作用，由于多種載荷聯合作用，所以采取逐步施加載荷的方法。第一個載荷步施加由于罐車自重產生的重力載荷，即在豎直方向上施加加速度大小為9.8 m/s2的慣性力載荷；第二個載荷步施加貨物的自重，采用均布載荷施加于貨物與車架接觸的底面；第三個力施加慣性力載荷，根據不同的工況，將慣性力施加在不同的部位［4］。

對于不同的工況，采用不同的約束條件，分析過程中忽略制造過程中板材厚度減薄及焊接焊縫問題。本課題主要研究有限元分析結果與實際產品使用情況的對比，舉例說明與實際使用吻合度高的工況，由于篇幅限制，其余工況不再作贅述。

以38 m?粉罐車為例，在作業時，車輛處于靜止工況，車輛所受到的載荷為車體自重、罐體內物料重量以及罐體承受0.2 MPa壓力均布載荷。邊界條件為牽引銷處以及后三軸全部處于約束狀態。

13 m鵝頸半掛車以剎車工況為例，取制動加速度5 m/s2，載荷由車體自重、貨物重量和慣性力組成。邊界條件為牽引銷處承受三種作用力合力，后三軸全部處于約束狀態。

3 分析結果與結構優化

3.1 38 m?粉罐車靜止工況及結構優化

從應變云圖結果上看，筒體前后兩段，距離封頭位置1.5 m前后有明顯的變形，最大變形量為20.0 mm，如圖5所示。從車輛售后反饋圖片，實際出現罐體坍塌位置接近分析應變云圖結果，如圖6所示。

在距離兩端封頭1.2 m左右增加兩道環筋，再通過有限元計算，變形量從20.0 mm變為10.4 mm，如圖7和圖8所示。實際售后車輛也使用此方案進行優化，更改后客戶繼續使用，后續再未出現類似罐體坍塌情況。后續合同訂單車輛的設計，按照此優化方案加工制造。

3.2 13 m鵝頸半掛車剎車工況及結構優化

從應力云圖結果上看，在鵝頸后區域存在嚴重的應力集中，分別在前腹板處、前下翼板、大撐以及懸架前端腹板和下翼板處，應力分別為939.5 MPa、692.1 MPa、1 048.5 MPa、1 748.1 MPa和1 995.4 MPa。如圖9～圖13所示。從車輛售后反饋圖片，實際出現大梁斷裂位置在鵝頸后方，接近應力云圖應力集中區域部位，如圖14所示。

由于應力集中是多種因素綜合造成的，有板材厚度使用不當，也有結構布置不合理。需要挪動、減少或增加零部件，或者調整板材厚度，從而使結構更趨于合理，結構改動示意，如圖15～圖17所示。結構方案改動后，更改三維及有限元模型，再進行電腦計算分析，應力下降到分別為486.1 MPa、477.5 MPa、566.6 MPa、637.9 MPa和691.8 MPa。在整車重量增加40 kg情況下，避免了由于輕量化導致的腹板開裂或者斷大梁的情況。如圖18～圖22所示。

優化后，最大等效應力數值明顯降低。前后結構應力及強度安全系數對比，結構更具有合理性。容易出問題的部位前腹板處安全系數2.08，整體其余位置安全系數在1.50左右，如表3所示。整車結構未出現明顯應力集中，在車輛實際使用情況，也未出現類似斷裂情況。

4 結果分析

對38 m?粉罐半掛車和13 m鵝頸半掛車進行建模和有限元分析，同時將應變云圖、應力云圖以及與實際車輛使用過程中的狀態進行對比發現，有限元對結構分析不只是理論階段，也不只是產品開發階段，而是貫穿于從產品開發到成熟的整個階段的運用。相比于以往經驗設計研發，有限元分析為產品研發和設計提供了一種可視化的參考答案，可以縮短研發時間，加速產品的成熟。

5 結語

本文應用Hyperworks對38 m?粉罐半掛車和13 m鵝頸半掛車結構進行有限元分析，發現分析結果與實際售后車輛出現的問題很接近。通過優化結構，進而解決實際工程遇到的問題，有限元分析具備有可行性和實戰性。

參考文獻：

[1]王鈺棟，金磊，洪清泉，等Hypermesh＆Hyperview應用技巧與高級實例[M]北京：機械工業出版社，2014.

[2]田建輝，孫金娟，韓興本，等Hypermesh實用工程技術[M]北京：北京理工大學出版社，2020.

[3]王彥崗，韋仁寶，李會，等基于HyperWroks的自卸半掛車車架有限元分析及輕量化設計[J]企業科技與發展，2022（3）：29-32.

[4]張書斌鋁合金液罐車結構強度與剛度的有限元分析[J]機械設計與制造工程2017（1）：16-18.

作者簡介：

王大俊，男，1988年生，工程師，研究方向為粉罐半掛車、液罐半掛車、罐式集裝箱及普通半掛車的產品研發設計和CAE結構分析。