半挂车车架有限元仿真与静力分析

丁群燕

（武汉软件工程职业学院，湖北 武汉430205）

半挂车车架有限元仿真与静力分析

丁群燕

（武汉软件工程职业学院，湖北 武汉430205）

运用有限元法对半挂车车架进行了静力分析，得出静载荷作用下车架的应力和应变分布规律，车架的静强度和刚度均满足使用要求。

半挂车；静力分析；有限元

自60年代开始，国内外就开始运用有限元对车辆结构强度进行计算和分析。美国学者M，M，凯默本、J，A，沃尔夫等人也曾从理论和实验上对车辆车架进行强度和刚度的分析。近几十年来，我国已经普遍应用有限元法对车辆结构进行优化设计研究，而作为车辆结构件中结构与载荷都很复杂的重要部件的车架，也是开展结构分析研究的对象。现在，有限元法已经成为汽车结构分析的一种解决力学问题的常用分析方法。

半挂车车架作为载荷的重要承载件，其可靠性关系到半挂车能否正常行驶，以及半挂车的安全性。半挂车车架承受着来自传动系和悬架的各种激励，关系到半挂车的操控、安全和舒适等性能。应用有限元法对车架进行静力仿真分析，能保证车架满足强度和刚度要求，防止过大变形。

由于半挂车车架结构复杂且与普通车辆不同，需要考虑各部分的应力和变形，同时用经典力学方法分析其强度和刚度不可能得到精确的结果，有限元法以离散、逼近的灵活算法广泛地运用于结构强度和刚度分析，已成为一种常用的效果最好的结构强度和刚度分析方法。

本文利用Proe三维软件建模，用有限元模型导入到Ansys中计算某专用半挂车车架的应力和变形，然后分析受力、计算应力和变形情况，最后与实际情况对比分析车架结构的强度和刚度[1]。

1 半挂车车架模型的建立

半挂车车架结构比较复杂，因此本文采用三维建模软件Proe建立车架几何模型，采用中间格式IGS导入到Hypermesh中，经过几何清理之后再进行网格划分，然后再把有限元模型导入到Ansys中进行分析计算以及后处理。

本文所述某半挂车车架为鹅颈边梁式结构，主要由2根主纵梁、2根边梁、22根贯穿横梁、10根边横梁、12根底横梁焊接而成。纵梁为工字形截面，边梁和横梁为槽钢。车架全长约12 940 mm，宽2 400 mm，纵梁中心间距约940 mm.各部件之间通过焊接相连，在Hypermesh前处理中用rigid刚性单元模拟焊接，该半挂车车架有限元模型共有127 588个单元，134 027个节点[2]。如图1所示。

图1 半挂车车架有限分析模型

本文采用壳单元SHELL63对某专用半挂车车架结构进行离散，该单元为4节点24自由度，可以承受平面内载荷和法向载荷。半挂车车架材料选用Q 345（16Mn).

2 半挂车车架静力分析

半挂车车架静态分析一方面是使车架在车辆满载情况下应承受的静力作用下，车架各部分产生的应力和变形均不超过车辆质量安全允许的范围；另一方面通过静态分析合理调整车架各部分的应力分布，使半挂车车架各部分的应力值达到均衡，从而最大限度地利用材料，减少材料的使用量，从而降低半挂车车架制造的成本和车架的重量，提高半挂车性能和运行经济性。该半挂车车架额定载质量为100 t，根据实际受力状况，模拟车架满载静态弯曲工况，载荷简化为均布在主纵梁和边梁的上翼板上。经计算，对于16Mn钢，屈服极限σs=360 MPa，强度极限σb=620 MPa，根据文献[1]取安全系数 k=1，4，所以车架的许用应力[σ]=σs/k≈ 257 MPa.

在有限元分析过程中，必须保证有足够的约束条件，以消除车辆整体的刚性位移及求解车架上各节点的位移和应力。在不影响计算精度的条件下对模型做适度简化，忽略钢板弹簧及支架、轮胎对结构分析的影响。因此，在车架后端支架处节点实施垂直方向位移约束，车架前端牵引板处实施全位移约束。

3 半挂车车架应力分析

车架等效应力分布云图如图2所示，由图中可以看出，应力变化较大的部位主要集中在车架前端牵引板后梁处，中间主纵梁鹅颈过渡处，以及主纵梁变截面处。其中，最大最大应力点出现在主纵梁变截面处，其余部位应力很小。因此，在结构优化设计中，这三个部位应是考虑重点加强的部位[3]。

图2 半挂车车架等效应力云图

车架主纵梁变截面处等效应力分布云图如图3所示，该车架在满载时产生的最大应力为290.600 MPa，发生在主纵梁悬架第一个支架的位置。但该点并非真实的应力值最大点。这与车架有限元模型的简化有关，在建模过程中，忽略了悬架支架的影响。相当于将钢板弹簧直接与车架固接，表现在建模上即直接约束主纵梁下翼板上板簧支架处的节点。而实际的车架是通过支座与悬架连接的，并没有直接接触，因此不会在某一点产生破坏，所以这个小区域并非真正要进行强度校核的对象。

图3 车架主纵梁变截面处等效应力云图

图4 是主纵梁鹅颈过渡处等效应力分布云图。从图中可以看出，车架静力分析中真正的最大应力点在主纵梁前端下翼板鹅颈过渡圆角处，最大应力为207.574 MPa，小于材料的许用应力257 MPa，车架强度满足要求。

图4 车架主纵梁鹅颈过渡处等效应力云图

4 变形分析

车架变形分布云图如图5所示，车架中间边梁和主纵梁鹅颈处的变形最大，依次向前后递减，而前端牵引板和后端钢板弹簧支架处约束点附近的变形最小。最大位移为5.421 mm，远小于允许的最大变形量，车架刚度满足要求。

图5 半挂车车架变形云图

5 结论

本文利用有限元法对半挂车车架进行了静力分析，建模中进行了必要的简化，模拟了车架满载静态弯曲工况，分析了在静载荷作用下车架应力和位移分布规律。计算结果表明车架结构的强度和刚度满足设计要求。

[1]张国芬，张文明.SGA92150型半挂车车架的结构设计与强度和刚度分析[J].北京科技大学学报，2007，29（7）：744-749.

[2]高树勋，张秀国.基于有限元分析的采煤机摇臂行星架机械受力研究[J].煤炭技术，2013，32（09）：22-24，

[3]林 程，陈思忠.重型半挂车车架有限元分析[J].车辆与动力技术，2004，96（4）：23-27.

Finite Element Simulation And Static-Analysis of Semi-trailerFrame

DING Qun-yan
（Wuhan Polytechnic College of Software and Engineering，Wuhan Hubei 430205，China）

Static analysis of the semi-trailer frame by the finite element method，obtained the stress and strain distribution law of frame under the static loading，the static strength and stiffness of the frame meet the requirements.

semi-trailer；static analysis；finite element

U463.32；U469.6

A

1672-545X（2017）09-0009-02

2017-06-18

丁群燕（1975-），女，湖北麻城人，副教授，硕士，主要从事机电产品技术研究。