有限元分析在半挂车上的实战运用

摘要：受轻量化趋势影响，市场上通常使用性能更好的材料和结构优化相结合的方法，使用有限元仿真技术辅助设计，来减少产品的研发周期。由于专用车车型众多，没有相应的分析规范和标准，加上受人为因素和环境条件影响，有限元结果与实际产品使用存在不小的偏差，很多人质疑有限元研发仅仅存在于理论阶段。据此，通过对半挂车研发设计和产品使用中暴露的问题，发现运用有限元分析具备有可行性和实战性，并为半挂车产品研发提供了可视化的有效参考答案。

关键词：半挂车；有限元分析；可行性；实战性

中图分类号：U469.5  收稿日期：2023-11-13

DOI：1019999/jcnki1004-0226202401011

1 前言

近年来，随着相关法规的完善和行业竞争日趋激烈，市场对半挂车轻量化要求越来越高。很多企业在满足使用要求前提下，采用强度更高和厚度更薄的板材，再通过结构优化的方法，进而达到降低整车重量。本研究以38 m?粉罐半挂车和13 m鹅颈半挂车为对象，应用HyperWorks软件进行结构仿真分析。通过实际车辆建立分析模型，分析结果与售后的车辆进行对比，然后进行结构再优化设计，得出有限元分析在结构研发设计和优化上具备有很强的实战性。

2 有限元模型建立

2.1 材料特性参数

本文通过两种车型作为研究对象，一种车型38 m?粉罐半挂车，整车使用板材为T610L；另一种车型13 m鹅颈半挂车，小零部件使用板材为T700，腹板和下翼板使用板材为T980。材料性能参数见表1。

2.2 网格划分

整车由薄钢板直接拼焊、折弯或者卷制成型后拼焊而成，零部件的几何尺寸远大于板厚，所以对车架采用壳单元（PSHELL）进行网格划分，网格单元类型以四边形单元为主［1-2］。既可以承受法向载荷，也可以承受面内张力载荷，单元的每个单元节点有6个自由度，网格平均尺寸10 mm。为保证计算效率，本仿真采用的网格质量标准见表2［3］。

2.3 有限元模型

38 m?粉罐半挂车三维模型及有限元模型如图1和图2所示；13 m鹅颈半挂车三维模型及有限元模型如图3和图4所示。

2.4 载荷与边界条件

分析中通常采用静止工况、颠簸工况、刹车工况、转弯工况、扭转工况去综合分析。半挂车主要承受自重、货物重量及惯性力载荷的作用，由于多种载荷联合作用，所以采取逐步施加载荷的方法。第一个载荷步施加由于罐车自重产生的重力载荷，即在竖直方向上施加加速度大小为9.8 m/s2的惯性力载荷；第二个载荷步施加货物的自重，采用均布载荷施加于货物与车架接触的底面；第三个力施加惯性力载荷，根据不同的工况，将惯性力施加在不同的部位［4］。

对于不同的工况，采用不同的约束条件，分析过程中忽略制造过程中板材厚度减薄及焊接焊缝问题。本课题主要研究有限元分析结果与实际产品使用情况的对比，举例说明与实际使用吻合度高的工况，由于篇幅限制，其余工况不再作赘述。

以38 m?粉罐车为例，在作业时，车辆处于静止工况，车辆所受到的载荷为车体自重、罐体内物料重量以及罐体承受0.2 MPa压力均布载荷。边界条件为牵引销处以及后三轴全部处于约束状态。

13 m鹅颈半挂车以刹车工况为例，取制动加速度5 m/s2，载荷由车体自重、货物重量和惯性力组成。边界条件为牵引销处承受三种作用力合力，后三轴全部处于约束状态。

3 分析结果与结构优化

3.1 38 m?粉罐车静止工况及结构优化

从应变云图结果上看，筒体前后两段，距离封头位置1.5 m前后有明显的变形，最大变形量为20.0 mm，如图5所示。从车辆售后反馈图片，实际出现罐体坍塌位置接近分析应变云图结果，如图6所示。

在距离两端封头1.2 m左右增加两道环筋，再通过有限元计算，变形量从20.0 mm变为10.4 mm，如图7和图8所示。实际售后车辆也使用此方案进行优化，更改后客户继续使用，后续再未出现类似罐体坍塌情况。后续合同订单车辆的设计，按照此优化方案加工制造。

3.2 13 m鹅颈半挂车刹车工况及结构优化

从应力云图结果上看，在鹅颈后区域存在严重的应力集中，分别在前腹板处、前下翼板、大撑以及悬架前端腹板和下翼板处，应力分别为939.5 MPa、692.1 MPa、1 048.5 MPa、1 748.1 MPa和1 995.4 MPa。如图9～图13所示。从车辆售后反馈图片，实际出现大梁断裂位置在鹅颈后方，接近应力云图应力集中区域部位，如图14所示。

由于应力集中是多种因素综合造成的，有板材厚度使用不当，也有结构布置不合理。需要挪动、减少或增加零部件，或者调整板材厚度，从而使结构更趋于合理，结构改动示意，如图15～圖17所示。结构方案改动后，更改三维及有限元模型，再进行电脑计算分析，应力下降到分别为486.1 MPa、477.5 MPa、566.6 MPa、637.9 MPa和691.8 MPa。在整车重量增加40 kg情况下，避免了由于轻量化导致的腹板开裂或者断大梁的情况。如图18～图22所示。

优化后，最大等效应力数值明显降低。前后结构应力及强度安全系数对比，结构更具有合理性。容易出问题的部位前腹板处安全系数2.08，整体其余位置安全系数在1.50左右，如表3所示。整车结构未出现明显应力集中，在车辆实际使用情况，也未出现类似断裂情况。

4 结果分析

对38 m?粉罐半挂车和13 m鹅颈半挂车进行建模和有限元分析，同时将应变云图、应力云图以及与实际车辆使用过程中的状态进行对比发现，有限元对结构分析不只是理论阶段，也不只是产品开发阶段，而是贯穿于从产品开发到成熟的整个阶段的运用。相比于以往经验设计研发，有限元分析为产品研发和设计提供了一种可视化的参考答案，可以缩短研发时间，加速产品的成熟。

5 结语

本文应用Hyperworks对38 m?粉罐半挂车和13 m鹅颈半挂车结构进行有限元分析，发现分析结果与实际售后车辆出现的问题很接近。通过优化结构，进而解决实际工程遇到的问题，有限元分析具备有可行性和实战性。

参考文献：

[1]王钰栋，金磊，洪清泉，等Hypermesh＆Hyperview应用技巧与高级实例[M]北京：机械工业出版社，2014.

[2]田建辉，孙金娟，韩兴本，等Hypermesh实用工程技术[M]北京：北京理工大学出版社，2020.

[3]王彦岗，韦仁宝，李会，等基于HyperWroks的自卸半挂车车架有限元分析及轻量化设计[J]企业科技与发展，2022（3）：29-32.

[4]张书斌铝合金液罐车结构强度与刚度的有限元分析[J]机械设计与制造工程2017（1）：16-18.

作者简介：

王大俊，男，1988年生，工程师，研究方向为粉罐半挂车、液罐半挂车、罐式集装箱及普通半挂车的产品研发设计和CAE结构分析。