全承載框架結(jié)構(gòu)箱式半掛車車身靜強(qiáng)度分析

張永恒+林志敏

摘 要：針對(duì)全承載半掛車設(shè)計(jì)中存在的問題，選擇兩種骨架截面尺寸設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用ANSYS軟件計(jì)算了兩種方案的應(yīng)力和變形，增大截面尺寸可使最大位移、最大應(yīng)力減小約50%，質(zhì)量增加19.74%。適宜的骨架截面尺寸可在方案一與方案二之間選取。

關(guān)鍵詞：半掛車車架 ?有限元分析 ?靜態(tài)分析 ?半掛車計(jì)算

中圖分類號(hào)：TP391.72 ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）11（b）-0104-02

The Static Strength Analysis of Frame Structure Box Type Semi-trailer

Zhang Yongheng ?Lin Zhimin

（School of Mechanical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu，730070，China）

Abstract：Counting in the problems existed in the design of full load semi-trailer， the stress and deformation of the frame are calculated with ANSYS for the two different plans of frame section sizes. It is shown that the maximum displacement and stress can be reduced by 50% with the increase of cross section size， meanwhile the mass of the frame is increased by 19.74%.the practical cross section size of the frame can be chosen between the two plans.

Key Words：Semi-trailer Frame;Finite Element Analysis;Static Analysis;Semi Trailer Calculation

隨著我國物流行業(yè)的快速發(fā)展，半掛車制造業(yè)應(yīng)運(yùn)而生[1]。半掛車底架通過前懸和后懸支撐在車軸上。根據(jù)運(yùn)輸貨物的類型，常見的底架形式有平貨臺(tái)、階梯型貨臺(tái)及凹梁型貨臺(tái)三種[2-5]。為規(guī)范貨運(yùn)半掛車的生產(chǎn)與使用管理，引導(dǎo)貨運(yùn)半掛車車型的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，交通運(yùn)輸部于2012年制訂了《甩掛運(yùn)輸推薦車型基本要求（修訂版）》[6-7]。雖然文獻(xiàn)[6]對(duì)不同類型半掛車配置、載質(zhì)量、外形尺寸等提出了明確要求，但在車架、車身、懸掛等結(jié)構(gòu)方面生產(chǎn)企業(yè)仍有很大的設(shè)計(jì)空間。對(duì)于小型、散裝貨物，半掛車車身大多采用箱式全承載結(jié)構(gòu)。由于箱式全承載結(jié)構(gòu)未采用傳統(tǒng)的工字型或槽型縱、橫梁的車身結(jié)構(gòu)，在承載能力不變的情況下全承載式結(jié)構(gòu)可使半掛車自重降低近35%[8]。有數(shù)據(jù)顯示，車輛自重每降低1000 kg，可降低油耗6%～7%[9]。箱式半掛車在實(shí)際運(yùn)用中由于強(qiáng)度和剛度不足會(huì)出現(xiàn)牽引銷座產(chǎn)生裂紋，箱體失穩(wěn)導(dǎo)致“塌箱”等問題[10]。該文針對(duì)某三軸全承載箱式貨車車身的兩種骨架截面尺寸設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用ANSYS軟件計(jì)算其強(qiáng)度和變形，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析、比較。

1 箱式半掛車概況

本三軸箱式半掛車為全承載框架結(jié)構(gòu)。底架呈凹形，前懸通過牽引銷與牽引車連接，并支撐在牽引銷座上，后懸通過板彈簧支撐在三軸輪上，半掛車外形如圖1所示，基本參數(shù)如表1所示。半掛車骨架由矩形截面方管焊接而成，方管截面尺寸按兩種方案考慮。方案一：方管截面選三種規(guī)格，分別為100 mm×80 mm×3 mm、100 mm×50 mm×3 mm及50 mm× 50 mm×3 mm，牽引板厚為10 mm，后懸車輪護(hù)罩板厚為4 mm，骨架側(cè)圍立柱、車頂采用50 mm×50 mm×3 mm方管，側(cè)圍兩端立柱、底架縱梁采用100 mm×50 mm×3 mm方管，底架橫梁采用100 mm×80 mm×3 mm方管。方案二：方管截面選兩種規(guī)格，分別為55 mm×55 mm×3 mm和150 mm× 80 mm×3 mm，牽引板厚為12 mm，后懸車輪護(hù)罩板厚仍為為4 mm;方管及板的材料均為16Mn。

2 箱式半掛車靜力計(jì)算模型

為便于計(jì)算，首先對(duì)車廂實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化。忽略車身結(jié)構(gòu)中的非承載構(gòu)件;將車身骨架中的曲梁簡化為直梁;不考慮車廂蒙皮、地板、箱體前后端墻（門），不計(jì)側(cè)圍斜梁與立柱間的間隙，認(rèn)為斜梁與立柱交會(huì)于一點(diǎn)。

計(jì)算目的是分析滿載時(shí)梁的強(qiáng)度和變形，采用ANSYS軟件進(jìn)行計(jì)算和分析。由于骨架主要由梁和板組成，采用ANSYS中的BEAM 188單元和SHELL 181單元。建模時(shí)以方管截面幾何形心為參考坐標(biāo)。

車底架前懸牽引板與牽引銷上端焊接，牽引銷下端與牽引車銷座連接，車廂可相對(duì)牽引銷座繞垂直軸（z軸）轉(zhuǎn)動(dòng)，但在橫向和縱向受到約束，因此對(duì)牽引板牽引銷孔周圍節(jié)點(diǎn)的橫向（y軸）和縱向（x軸）位移進(jìn)行約束，另外對(duì)其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有自由度進(jìn)行約束。車底架后懸每一側(cè)有三組板彈簧，有四個(gè)懸掛點(diǎn)，板彈簧可繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，將約束施加于懸掛點(diǎn)上，對(duì)每個(gè)懸掛點(diǎn)的橫向和縱向位移進(jìn)行約束。

總載荷按380000 N計(jì)算，分四跨按比例分配，分配后的載荷均勻分布在對(duì)應(yīng)跨的橫梁和斜梁上。各跨長度、載荷及比例如表2所示。

各節(jié)點(diǎn)約束及底架加載情況如圖2所示。

所用材料的彈性模量E=207 GPa，密度ρ=7800 kg/m3，泊松比μ=0.3，強(qiáng)度極限=550 MPa，屈服極限=355 MPa。根據(jù)第四強(qiáng)度理論：endprint

（1）

許用應(yīng)力為：

（安全系數(shù)取2.5） ? ? （2）

3 計(jì)算結(jié)果與分析

對(duì)方案一計(jì)算所得骨架橫向位移、垂向位移及綜合應(yīng)力云圖分別見圖3、圖4所示。橫向變形最大（沿y軸正方向）和最?。ㄑ貀軸負(fù)方向）值分別出現(xiàn)在后懸靠前的立柱及前懸中部的立柱上。

從橫向位移云圖可以看出在前懸發(fā)生最小位移立柱對(duì)面的立柱上也有較大的橫向位移。側(cè)圍立柱上較大的橫向位移對(duì)車身外面的蒙皮有很大影響，嚴(yán)重時(shí)蒙皮會(huì)開裂，影響運(yùn)送貨物的質(zhì)量和安全。

由圖4可知，方案一的骨架有較大的垂向位移，車底架中部橫梁下凹。由于安裝牽引銷的平板上有一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)垂向位移進(jìn)行了約束，因此底架大部分位置下沉。關(guān)于位移值，在車輛設(shè)計(jì)中沒有給定明確的限制值，但位移值過大意味著剛度不足，車輛運(yùn)動(dòng)中容易產(chǎn)生振動(dòng)，一方面影響貨物安全，另一方面更易使結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞。計(jì)算表明，在考慮到車輪的彈性及板彈簧的變形后，垂向位移還會(huì)增加，車輛運(yùn)行中會(huì)有較大的垂向振幅。

如圖5所示，方案一最大von Mises應(yīng)力出現(xiàn)在牽引銷安裝位置，應(yīng)力值達(dá)到253 MPa，該值大于計(jì)算中選用的許用應(yīng)力，但低于材料的屈服極限，考慮到車輪的彈性及板彈簧的變形后，最大應(yīng)力接近材料的屈服極限。

對(duì)方案二計(jì)算所得位移和應(yīng)力云圖與方案一有相似的分布，但對(duì)應(yīng)數(shù)值減小很多，同名參數(shù)最大值減少約50%。由ANSYS提取模型單元質(zhì)量得，方案一模型總質(zhì)量為2570.505 kg，方案二模型總質(zhì)量為3077.967 kg，方案二比方案一質(zhì)量增加19.74%。若追求小的變形，方案二增加的質(zhì)量還是可以接受的。具體計(jì)算結(jié)果如表3所示。應(yīng)當(dāng)說方案二是較保守的設(shè)計(jì)，可行的截面尺寸可在方案一與方案二之間選取。在有約束的優(yōu)化問題中，最優(yōu)值在可行域的邊界上取得，因此選取合適的安全系數(shù)對(duì)于獲得最優(yōu)值有重要影響。

4 結(jié)語

半掛車運(yùn)輸靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，全承載箱式半掛車外觀整潔、質(zhì)量小、載貨量大，有很大的應(yīng)用市場(chǎng)。根據(jù)某實(shí)際車型，選取了兩種截面尺寸方案，經(jīng)計(jì)算增大骨架截面尺寸能有效減少車身橫向和垂向位移，降低最大應(yīng)力，適宜的骨架截面尺寸可在方案一與方案二之間選取。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉海亮.我國半掛車的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)研究[J].黑龍江科技信息，2012（9）：114.

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[3] 李楠，孫桓五，閏杰，等.階梯式半掛車車架疲勞壽命預(yù)測(cè)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2012（5）：9-11.

[4] 張潤東，孫桓五，帝瑞靜，等.某特種半掛車車架的靜態(tài)特性研究現(xiàn)[J].現(xiàn)代制造工，2013（7）：38-41.

[5] 翟正錕，崔俊杰，鄭偉茂，等.某鵝頸式半掛車車架有限元靜態(tài)分析[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2014，35（2）：175-178.

[6] 張學(xué)禮，張紅衛(wèi)，董金松.《貨運(yùn)汔車列車（甩掛運(yùn)輸）推薦車型基本要——半掛車》釋義[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2011（24）：131-145

[7] 交通運(yùn)輸部.甩掛運(yùn)輸推薦車型基本要求（修訂版）[EB/OL].2012，http：//www.moc.gov.cn/zizhan/siju/daoluyunshusi/cheliangguanli/guanliwenjian/201207/P020120731497894635287.pdf.

[8] 王偉，王鐵，申晉憲.新型全承載式半掛車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].專用汽車，2011（6）：56-57.

[9] 范葉，楊沿平，孟先春，等.汽車輕量化技術(shù)及其實(shí)施途徑[J].汽車工業(yè)研究，2006（7）：40-42.

[10] 王耀鑫.普通箱式半掛車技術(shù)改進(jìn)方案分析與研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2012（1）：50-53.endprint

（1）

許用應(yīng)力為：

（安全系數(shù)取2.5） ? ? （2）

3 計(jì)算結(jié)果與分析

對(duì)方案一計(jì)算所得骨架橫向位移、垂向位移及綜合應(yīng)力云圖分別見圖3、圖4所示。橫向變形最大（沿y軸正方向）和最?。ㄑ貀軸負(fù)方向）值分別出現(xiàn)在后懸靠前的立柱及前懸中部的立柱上。

從橫向位移云圖可以看出在前懸發(fā)生最小位移立柱對(duì)面的立柱上也有較大的橫向位移。側(cè)圍立柱上較大的橫向位移對(duì)車身外面的蒙皮有很大影響，嚴(yán)重時(shí)蒙皮會(huì)開裂，影響運(yùn)送貨物的質(zhì)量和安全。

由圖4可知，方案一的骨架有較大的垂向位移，車底架中部橫梁下凹。由于安裝牽引銷的平板上有一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)垂向位移進(jìn)行了約束，因此底架大部分位置下沉。關(guān)于位移值，在車輛設(shè)計(jì)中沒有給定明確的限制值，但位移值過大意味著剛度不足，車輛運(yùn)動(dòng)中容易產(chǎn)生振動(dòng)，一方面影響貨物安全，另一方面更易使結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞。計(jì)算表明，在考慮到車輪的彈性及板彈簧的變形后，垂向位移還會(huì)增加，車輛運(yùn)行中會(huì)有較大的垂向振幅。

如圖5所示，方案一最大von Mises應(yīng)力出現(xiàn)在牽引銷安裝位置，應(yīng)力值達(dá)到253 MPa，該值大于計(jì)算中選用的許用應(yīng)力，但低于材料的屈服極限，考慮到車輪的彈性及板彈簧的變形后，最大應(yīng)力接近材料的屈服極限。

對(duì)方案二計(jì)算所得位移和應(yīng)力云圖與方案一有相似的分布，但對(duì)應(yīng)數(shù)值減小很多，同名參數(shù)最大值減少約50%。由ANSYS提取模型單元質(zhì)量得，方案一模型總質(zhì)量為2570.505 kg，方案二模型總質(zhì)量為3077.967 kg，方案二比方案一質(zhì)量增加19.74%。若追求小的變形，方案二增加的質(zhì)量還是可以接受的。具體計(jì)算結(jié)果如表3所示。應(yīng)當(dāng)說方案二是較保守的設(shè)計(jì)，可行的截面尺寸可在方案一與方案二之間選取。在有約束的優(yōu)化問題中，最優(yōu)值在可行域的邊界上取得，因此選取合適的安全系數(shù)對(duì)于獲得最優(yōu)值有重要影響。

4 結(jié)語

半掛車運(yùn)輸靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，全承載箱式半掛車外觀整潔、質(zhì)量小、載貨量大，有很大的應(yīng)用市場(chǎng)。根據(jù)某實(shí)際車型，選取了兩種截面尺寸方案，經(jīng)計(jì)算增大骨架截面尺寸能有效減少車身橫向和垂向位移，降低最大應(yīng)力，適宜的骨架截面尺寸可在方案一與方案二之間選取。

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（1）

許用應(yīng)力為：

（安全系數(shù)取2.5） ? ? （2）

3 計(jì)算結(jié)果與分析

對(duì)方案一計(jì)算所得骨架橫向位移、垂向位移及綜合應(yīng)力云圖分別見圖3、圖4所示。橫向變形最大（沿y軸正方向）和最?。ㄑ貀軸負(fù)方向）值分別出現(xiàn)在后懸靠前的立柱及前懸中部的立柱上。

從橫向位移云圖可以看出在前懸發(fā)生最小位移立柱對(duì)面的立柱上也有較大的橫向位移。側(cè)圍立柱上較大的橫向位移對(duì)車身外面的蒙皮有很大影響，嚴(yán)重時(shí)蒙皮會(huì)開裂，影響運(yùn)送貨物的質(zhì)量和安全。

由圖4可知，方案一的骨架有較大的垂向位移，車底架中部橫梁下凹。由于安裝牽引銷的平板上有一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)垂向位移進(jìn)行了約束，因此底架大部分位置下沉。關(guān)于位移值，在車輛設(shè)計(jì)中沒有給定明確的限制值，但位移值過大意味著剛度不足，車輛運(yùn)動(dòng)中容易產(chǎn)生振動(dòng)，一方面影響貨物安全，另一方面更易使結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞。計(jì)算表明，在考慮到車輪的彈性及板彈簧的變形后，垂向位移還會(huì)增加，車輛運(yùn)行中會(huì)有較大的垂向振幅。

如圖5所示，方案一最大von Mises應(yīng)力出現(xiàn)在牽引銷安裝位置，應(yīng)力值達(dá)到253 MPa，該值大于計(jì)算中選用的許用應(yīng)力，但低于材料的屈服極限，考慮到車輪的彈性及板彈簧的變形后，最大應(yīng)力接近材料的屈服極限。

對(duì)方案二計(jì)算所得位移和應(yīng)力云圖與方案一有相似的分布，但對(duì)應(yīng)數(shù)值減小很多，同名參數(shù)最大值減少約50%。由ANSYS提取模型單元質(zhì)量得，方案一模型總質(zhì)量為2570.505 kg，方案二模型總質(zhì)量為3077.967 kg，方案二比方案一質(zhì)量增加19.74%。若追求小的變形，方案二增加的質(zhì)量還是可以接受的。具體計(jì)算結(jié)果如表3所示。應(yīng)當(dāng)說方案二是較保守的設(shè)計(jì)，可行的截面尺寸可在方案一與方案二之間選取。在有約束的優(yōu)化問題中，最優(yōu)值在可行域的邊界上取得，因此選取合適的安全系數(shù)對(duì)于獲得最優(yōu)值有重要影響。

4 結(jié)語

半掛車運(yùn)輸靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，全承載箱式半掛車外觀整潔、質(zhì)量小、載貨量大，有很大的應(yīng)用市場(chǎng)。根據(jù)某實(shí)際車型，選取了兩種截面尺寸方案，經(jīng)計(jì)算增大骨架截面尺寸能有效減少車身橫向和垂向位移，降低最大應(yīng)力，適宜的骨架截面尺寸可在方案一與方案二之間選取。

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