張?jiān)i

摘 要：基于有限元分析的鋁合金半掛車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，車架為梯形非全承載式結(jié)構(gòu)，在對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行完善的過(guò)程中，可通過(guò)有限元仿真以及車輛滿載模擬的方式，對(duì)彎曲、扭轉(zhuǎn)、加速、轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)等工況狀態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)與分析，在對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)鋁合金半掛車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用效果提升。在對(duì)鋁合金半掛車車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，可對(duì)車架強(qiáng)度、剛度等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目的。

關(guān)鍵詞：有限元分析;鋁合金;半掛車車架;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引言：

基于有限元分析法的應(yīng)用，對(duì)鋁合金半掛車車架的實(shí)際應(yīng)用效果提升方面有積極作用。車架輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要充分考慮其強(qiáng)度以及剛度，目前，鋼制半掛車車架縱梁、橫梁等大多是采用高強(qiáng)鋼板沖壓、折彎成型后，對(duì)其進(jìn)行焊接。通過(guò)合理的鋁合金半掛車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)掛車的輕量化設(shè)計(jì)。

1鋁合金半掛車車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的意義

鋁合金半掛車車架的受力相對(duì)比較復(fù)雜，車輛靜止的狀態(tài)下，支承裝置與行走系統(tǒng)的支撐下，承受上裝以及載荷的重力，會(huì)引起縱梁的彎曲以及局部扭轉(zhuǎn)。例如，路面不平，車架會(huì)出現(xiàn)整體扭轉(zhuǎn)的情況。車輛行駛的過(guò)程中，載荷以及上裝自重以牽引力、轉(zhuǎn)向力、制動(dòng)力等部件的載荷變化存在一定的差異性?；诖?，通過(guò)有限元對(duì)鋁合金半掛車車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，可對(duì)彎曲、扭轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)等工況進(jìn)行調(diào)整，并通過(guò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)鋁合金半掛車車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果提升。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋁合金半掛車車架設(shè)計(jì)應(yīng)參考鋼制車架結(jié)構(gòu)，并在強(qiáng)度原則的基礎(chǔ)上，最大程度對(duì)鋁合金半掛車車架進(jìn)行減重。本次鋁合金半掛車車架是以空氣彈簧懸架系統(tǒng)為備注，縱梁為平直結(jié)構(gòu)，其中包含縱梁、牽引板等。

鋁合金半掛車車架是以傳統(tǒng)的梯形非全承載結(jié)構(gòu)為主，通過(guò)鉚接以及螺接的方式進(jìn)行連接?？v梁焊接是通過(guò)縱梁與前下翼加強(qiáng)版進(jìn)行焊接，材料方面選擇抗拉強(qiáng)度在310MPa以上的6082-T6鋁合金，縱梁為400mm高的工字梁擠壓型材進(jìn)行加工，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況。在進(jìn)行計(jì)算與分析中，可確定厚度以及寬度，并對(duì)抗彎、抗扭等方面進(jìn)行控制，滿足鋁合金半掛車車架輕量化設(shè)計(jì)需求。主橫梁則是通過(guò)工字型主橫梁以及兩端C型連接板進(jìn)行焊接，通過(guò)鍍鋅短尾拉鉚釘與縱梁腹板進(jìn)行連接，提高其抗震性以及疲勞特性。從牽引板組件的角度進(jìn)行分析，通過(guò)50#牽引銷連接，冰通過(guò)牽引板與支架的連接，對(duì)牽引板組件進(jìn)行搭建。牽引板可利用t8/Q345B鋼板進(jìn)行制作，為了達(dá)到減重的目的，可對(duì)鋼板進(jìn)行折彎處理，其強(qiáng)度滿足實(shí)際的施工控制需求，具體的方案如下：

3有限元分析

3.1強(qiáng)度分析

在對(duì)鋁合金半掛車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析的過(guò)程中，按照GBT6892-2006進(jìn)行設(shè)計(jì)，其材料屬性如下：

在對(duì)鋁合金半掛車車架的強(qiáng)度進(jìn)行分析中，可對(duì)邊界約束狀態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)與分析，在進(jìn)行模擬與分析中，可通過(guò)x、y、z的平動(dòng)自由度，對(duì)鋼板的x、z向平動(dòng)自由度進(jìn)行控制。為了模擬鋁合金半掛車車架的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的受力狀態(tài)，可對(duì)彎曲、扭轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等工況下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)與分析，滿載質(zhì)量為40t，彎曲工況狀態(tài)下，車輛的動(dòng)載系數(shù)垂向1.5倍。車輛滿載條件下，可通過(guò)減速制動(dòng)進(jìn)行調(diào)整與控制。

3.2結(jié)果分析

分析鋁合金半掛車車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在平整路面上的靜止或者勻速行駛狀態(tài)下，可對(duì)鋁合金半掛車車架的負(fù)載、自重情況的應(yīng)力分布繼續(xù)擰控制。在對(duì)等效應(yīng)力進(jìn)行檢驗(yàn)與分析中，最大等效應(yīng)力為160MPa，后部右前輪的懸架鋼板位置與縱梁搭接有直接關(guān)系，其整體應(yīng)力相對(duì)比較低，最大的形變?yōu)?3.5mm。鋁合金半掛車車架的牽引支架最大應(yīng)力可以達(dá)到258.5MPa，其位置為牽引板組件的鋁型材料。從鋁合金半掛車車架扭轉(zhuǎn)工況的角度進(jìn)行分析，輪胎懸空的狀態(tài)下，車架結(jié)構(gòu)需要考慮后部右前輪懸空工況，最大的盈利為260MPa，后部右前輪位置，懸架鋼板位置與縱梁的搭接位置，最大形變?yōu)?6mm，牽引板鋁支架結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中，最大等效應(yīng)力為276MPa。從轉(zhuǎn)向工況的角度進(jìn)行分析，鋁合金半掛車車架結(jié)構(gòu)是左右對(duì)稱，在對(duì)等效應(yīng)力進(jìn)行分析中，最大等效應(yīng)力為267MPa，在利用螺栓的基礎(chǔ)上，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，最大形變量可達(dá)到38.7mm。牽引板鋁支架也會(huì)出現(xiàn)局部應(yīng)力集中的情況，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力會(huì)超過(guò)材料本身的屈服強(qiáng)度。從制動(dòng)工況的角度進(jìn)行分析，鋁合金半掛車車架在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，最大等效應(yīng)力為100MPa，牽引板與縱梁的螺栓連接位置，屈服強(qiáng)度小于260MPa，整體的結(jié)構(gòu)性能基本滿足鋁合金半掛車車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，最大形變?yōu)?.49mm，支架結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為230MPa，其可應(yīng)用于鋁合金半掛車車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。在車輛行駛的狀態(tài)下，鋁合金半掛車車架的整體結(jié)構(gòu)承載力會(huì)發(fā)生變化，所以，在進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)上，可通過(guò)鋁合金半掛車車架的實(shí)際應(yīng)用，可彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力問(wèn)題。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，鋁合金半掛車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，可對(duì)鋁合金半掛車車架的制動(dòng)、轉(zhuǎn)矩、輕量化設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行完善。在實(shí)際運(yùn)行與控制的過(guò)程中，鋁合金半掛車車架的等效應(yīng)力與位移變化在可控范圍內(nèi)，可通過(guò)鋁合金半掛車車架的抗擊動(dòng)載荷控制與優(yōu)化，在進(jìn)行過(guò)渡設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)鋁合金半掛車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用效果提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]王海霞，湯文成，鐘秉林，宋衛(wèi)，封彪.CJ6121GCHK型客車車身骨架有限元建模及結(jié)果分析方法研究[J].汽車工程，2001（01）：33-36.

[2]魏顯坤，米林，萬(wàn)鑫銘，夏銘.基于Optistruct的鋁合金半掛車車架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2012，33（01）：86-89.

[3]魯付杰. 半掛車車架有限元分析與輕量化研究[D].中原工學(xué)院，2017.

[4]王登峰，毛愛(ài)華，牛妍妍，魏建華，師雪超.基于拓?fù)鋬?yōu)化的純電動(dòng)大客車車身骨架輕量化多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2017，30（02）：136-143.