某型半挂车车架静态特性研究

周美施，尹怀仙，张铁柱，张洪信 ，赵清海

(青岛大学 机电工程学院，山东 青岛 266071)

0 引言

随着物流业的兴盛，社会对汽车的运输效率、经济性提出了越来越高的要求，汽车向专业化、高速化、重型化发展[1-2]。如半挂车等专用汽车已成为运输各种特殊用途的主力车种。在我国，半挂车已成为重型专用汽车的第二大品种。车架作为半挂车最主要承载结构件，其性能好坏影响半挂车的使用安全。韩振南等建立某型半挂牵引车车架板桥单元有限元模型，根据有限元分析结果对模型进行适当改进[3]。刘大维等人应用NASTRAN有限元分析软件对某半挂车建立以板壳单元为基本单元的有限元模型，对车架强度进行静态及模态分析得到车架异常断裂原因，并对结构进行改造[4]。对于半挂车车架有限元模型多采用板壳单元模型，但是实体单元相对板壳单元其简化模型更接近实际，且精度较高。因此针对半挂车车架，建立基于实体单元的有限元模型，利用有限元软件对其进行弯扭工况下的静强度分析，对车架进行一定的结构改进。

1 半挂车架有限元模型

1.1 车架结构

该车架长为14 850mm，宽为900mm。由两根截面形状为槽形的纵梁，若干圆管形以及工字型横梁和一些加强筋焊接而成，横梁与纵梁的连接方式为横梁贯穿纵梁腹板，此种连接方式减少了焊缝，使得焊接变形减少。同时还具有腹板承受能力大，并且在偏载较大时，能使车架各处所产生的应力分布较均匀的特点。车架结构如图1所示，材料为16Mn，车架材料机械性能参数如表1所示。

图1 半挂车车架结构示意图

表1 车架材料参数

1.2 有限元模型的建立

将车架实体模型导入ANSYS Workbench中，去除车架各构件上局部的结构连接以及避绕线路等的安装小孔，结构工艺性要求的过度圆角等对车架强度、刚度影响不大的细小特征。车架还有许多的附属结构件，形状和结构较为复杂，且对整车强度、刚度贡献较小，也作出适当简化。单元类型选用带中间节点的四面体单元SOLID187，实体单元是一种最能表达实际零件信息的单元。因为实体单元不但可以表达零件的质量、惯性、材料等特性，而且实体单元可以从空间的角度来真实地逼近实体几何形状，几乎能反映全部的几何变化[5]。设置单元尺寸为0.01 m，车架有限元模型如图2所示，车架网格划分后共有个311 381节点，129 367个单元。

图2 车架有限元模型

2 计算求解分析

半挂车在行驶过程中载荷工况较为复杂，但在对车架进行静态分析时，半挂车架强度影响最大的工况为弯扭工况。因此只对车架弯扭工况进行静态特性分析。车架模型坐标系按照车辆行驶坐标系设定。

2.1 边界条件处理

车架是通过悬架系统、轮胎支撑在路面上，要准确地到车架应力分布需要考虑悬架与轮胎的作用。由于轮胎相比悬架系统刚度较大，轮胎刚度忽略不计。空气弹簧悬架该半挂车车架前后均采用具有较理想的弹性特性，且结构简单、减震效果较好的空气弹簧。在车架与悬架连接点处设置弹性支撑，刚度设置为78.5 N/m[6]。释放车架与悬架连接点Z方向上的自由度，车架其余5个自由度全部约束。

2.2 载荷处理

按照半挂车架承受自身重力设置重力加速度施加[5]，半挂车载货重40t，均匀加载到车架两根纵梁上。利用ANSYS Workbench对车架进行求解，得到半挂车架在弯扭工况下的应力云图和变形云图如图3、图4所示。

图3 原车架结构应力云图

图4 原车架结构变形云图

2.3 弯扭工况静态特性分析

1) 强度验算

考虑车辆在不平地面行驶引起的载荷增加，需要引入动载荷系数。根据行业标准，弯扭工况动载荷系数为2.5[7]，车架的许用应力[σ]为车架材料屈服强度除以动载荷系数，即350MPa/2.5=140MPa，通过有限元计算的得到弯扭工况的最大等效应力为228.95MPa，大于车架的许用应力。无法满足使用要求。因此需要对车架结构局部强化，提高车架静强度。

2) 刚度验算

车架的挠度对于长轴距的半挂车来说，是应该予以考虑的。半挂车车架纵梁的弯曲变形，取决于纵梁刚度，在静载情况下，允许纵梁的最大变形量ymax为：

ymax=0.002L

式中，L为半挂车轴距。

该半挂车的轴距为10 235mm，通过计算得到ymax为20.47mm，通过有限元计算得到车架纵梁的最大变形为7.92mm，小于允许的最大变形，说明车架刚度满足使用要求。

3 车架结构改进

根据弯扭工况应力云图可以看出车架前部纵梁与悬架连接处、车架中部纵梁等效应力较大。对车架结构进行改进设计，改进后车架纵梁腹板加厚5mm，纵梁宽度加大10mm。

利用改进措施修改车架三维实体模型，建立车架有限元模型，进行弯扭工况分析，得到车架最大等效应力为138.95MPa。和改进前结构相比，最大等效应力降低38%，改进后车架最大等效应力小于车架许用应力，车架纵梁最大变形为4.88mm，小于车架允许最大变形，说明改进后车架结构强度、刚度均满足使用要求及行驶要求。图5和图6分别给出改进后车架应力云图和变形云图。

图5 改进后车架结构应力云图

图6 改进后车架结构变形云图

4 结语

1) 建立了实体单元为基本单元的半挂车车架有限元模型，对车架进行了静态特性研究，车架弯扭工况最大应力为224.95MPa，大于车架的许用应力，无法满足强度要求。

2) 通过改进车架结构，进行模型验证，达到使用要求，为半挂车车架优化以及进一步改进提供参考依据。

[1] 刘翠. 中国专用汽车发展现状与趋势研究[D]. 郑州：河南农业大学,2010.

[2] 上官云飞,王丽荣,刘明强，等. 半挂牵引车车架结构强度有限元分析及优化[J]. 现代制造技术与装备,2007(6):33-34,39

[3] 韩振南,古迎春. DL4100型半挂牵引车车架弯扭工况强度分析及改进[J]. 汽车技术,2011(4):22-25.

[4] 刘大维,孙海霞,董振国，等. 半挂牵引车车架异常断裂原因分析[J]. 农业机械学报,2007,38(6):30-33.

[5] 王助成. 有限单元法[M]. 北京:清华大学出版社，2009.

[6] 张润东,孙桓五,帝瑞静，等. 某特种半挂车车架的静态特性研究[J]. 现代制造工程,2013(7):38-41.

[7] 徐韦锋,刘金合,栾国红，等. 厚板铝合金搅拌摩擦焊接头显微组织与力学性能[J]. 金属学报,2008,44(11):1404-1408.