一种基于有限元强度分析的半挂车结构改进方法

王卫清

（泰州机电高等职业技术学校，江苏 泰州，225300）

一种基于有限元强度分析的半挂车结构改进方法

王卫清

（泰州机电高等职业技术学校，江苏 泰州，225300）

用有限元计算方法对某型半挂车主纵梁的强度进行了分析计算.通过有限元仿真计算，提出了在进行局部加强的同时，采用降低腹板高度，使用细而密的横梁结构的优化方案，能够解决对原来结构的局部应力集中现象，确保半挂车的结构强度.

半挂车；主纵梁；有限元；结构

在目前货物公路运输方式中，半挂车以其方便、快捷、高效的特性得到使用单位的青睐，并在货物运输中的比例逐渐增大.由于我国存在着超载情况多、运行路况参差不齐等因素，同时目前我国半挂车的生产厂家生产质量水平不一，严重影响了半挂车的行车安全.从技术设计上分析，确保半挂车的强度［1］，是行车安全的重要手段之一.

对半挂车主结构的强度分析方法也不尽相同.传统上使用经验公式进行设计或者质量问题分析，而近年来随着有限元软件的发展，越来越多的车辆采用有限元法进行结构强度设计.在应用有限元法的时候，有的文献把半挂车车架称为对称结构，因此只对单侧梁进行计算［2］，而以整车架进行有限元计算的则更为常见［3－4］.本文就某型40T半挂车强度计算，运用有限元计算软件ANSYS，用整车架方法进行静载荷分析计算，以发现应力薄弱点，对半挂车设计进行改进.

1 计算的基本条件

在本次计算中，应用PRO／ENGINEER软件建立半挂车车架模型，将其导入ANSYS后，对模型进行单元划分.在模型建立过程中，在不影响计算精度的前提下，对伸出横梁部位进行简体处理，对微曲梁进行取直化，并在约束和承载处建立对应的平台以简化计算.经过比较，采用SHELL63单元（见图1）进行网格划分.所有的约束都以面约束进行处理，载荷也以对相应面施加均匀载荷的形式进行处理.

图1 SHELL32单元

车架材料采用16Mn低合金结构钢，具体力学参数为：

弹性模量：210GPa；

泊松比：0.3；

密度：7.85×10－6kg／mm3；

强度极限：550MPa；

屈服极限：350MPa.

考虑到不同的运行路况对车架的冲击，以载荷系数为2.5进行计算分析.

通过PRO／E建立包括2根主纵梁、16根横梁组合构成的半挂车车架.根据车架受力情况.在牵引销座、轮胎座等支撑部位施加约束，如图2所示.

图2 原车架结构及约束示意图

2 考虑不同装载及运行工况时的最大应力

应用整车架方法并以设计装载量装载进行计算，根据不同的装载工况，分别计算均载以及当装载部位为车架中前部、中部、中后部时的最大应力，以模拟半挂车在不同情况下对牵引销、轮胎部位的最大应力.

考虑各种运行及装载工况下的最大应力仿真计算结果如表1所示.

表1 各种运行工况下主纵梁最大应力及位置 MPa

从表1可以看出，不同装载工况下最大应力计算结果分别为249.2MPa、490.0MPa、496.4MPa、122.4MPa.中前部和中部承载对应的最大应力部位在下翼板与牵引销座连接处，中后部对应的最大应力部位在纵梁下翼板后部与悬架支点接触处.不同的装载工况对车架的最大应力是不同的，其中装载在中部及中前部对车架应力影响最大.如果考虑到急转弯、急刹车、扭转等不同的运行情况，对车架影响最大的运行工况为扭转工况，最大应力位于车架纵梁下翼板与牵引销座处，达到496MPa.

3 对车架结构的改进优化

为了降低车架受到的应力，对局部应力薄弱部位进行加强，通过不同的改进方法并进行有限元仿真计算，有如下结果：

（1）单纯地进行局部加强的方法并不能有效减小最大应力，同时有可能使受力更加恶化；

（2）加大牵引销座与车架结构的接触面积，可以适当减小最大应力，但是仍然超过纵梁的屈服极限；

（3）考虑到车架重量的因素，把主纵梁的腹板高度适当减小，同时增大牵引销座的接触面积，并采用细密横梁结构，可以在适当地减小车架重量的前提下，极大地减小最大应力.

计算表明，在路面上受到严酷的路面不平等因素造成的车架扭转情况下，车架受到的应力最为严酷，在未进行改动前其静止状态应力可达到496MPa；而把主纵梁的腹板适当减小高度，同时增大牵引销座的接触面积，并采用细密横梁结构后，最大应力仅仅为291 MPa，远小于材料的屈服极限，如图3、图4所示.

图3 牵引销座改进示意图

图4 扭转状况下改进结构及应力图

4 结 语

由于计算是以动载荷系数为2.5进行分析的，同时又考虑到各种极限装载及运行工况，因此仿真计算的余度很大.同时本次计算分析说明，为减小半挂车主纵梁的局部应力，应该在对局部构件加强的同时，对车架横梁结构进行改进，减小腹板高度并采用细而密的构架结构，能有效地降低局部强度应力集中现象，保障半挂车的结构强度.

［1］ 刘华民.半挂车质量问题简析［J］.商用汽车，2003（7）：80－81.

［2］ 朱永强.仪垂杰.低货台半挂车右主纵梁有限元分析［J］.专用汽车，2002（1）：5－6.

［3］ 巢凯年.有限元软件计算客车骨架强度［J］.四川工业学院学报，2001（1）：23－25.

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

A Structure Improved Method for a Semi－trailer by Application of Structural Intensity with Finite Element Analyzing Method

WANG Wei－qing
（Taizhou Higher Vocational School of Mechanical ＆Electrical Technology，Taizhou 225300，China）

A kind of structural longitudinal beam of semi－trailer has been analyzed by the application of finite element analyzing method.Comparing to the origin method，the multi－beam analyzing method can guarantee the computing accuracy.At the same time，the optimized structure has been provided with partial strengthen，reduce ventral batten and adapt a thin ＆thick crossbeam stucture.

semi－trailer；main longitudinal beam；finite element method；structure

U462.2＋2

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2010.05.018

1671－6906（2010）05－0070－03

2010－09－09

王卫清（1973－），女，江苏泰州人，讲师，硕士.