半挂车牵引座有限元分析

赵飞，蔡玉强，孟欣

（河北联合大学 机械工程学院，河北 唐山063009）

牵引座是半挂牵引车与挂车之间重要的连接装置，不但承受垂直、横向、纵向等多种载荷的作用，同时，还经受列车起步、加速、减速、转向、制动等运行工况以及挂接半挂车时的冲击。作为半挂汽车上的重要部件，牵引座的强度和动态特性将直接影响半挂汽车的行驶安全性［1］。

1 牵引座鞍体有限元模型的建立

1.1 实体模型的建立

根据唐山龙泉机械有限公司提供的某90＃牵引座的CAD图纸，利用CREO软件进行三维实体建模，在建立其三维实体模型的时候考虑到其计算精度的影响和有限元模型的计算规模，可以对其进行相应的化简。所建立的模型，如图1所示。

图1 牵引座结构示意图

1.2 有限元模型的建立

将牵引座的三维实体模型导入ANSYS软件中，根据其结构特点，选用shell181单元进行模拟分析，然后对该牵引座的实际结构对各个部分赋予相应的实常数。90＃牵引座选用的材料为Q345，其材料属性见表一，在定义好单元属性和材料属性后，对其进行网格划分，划分后得到38163个节点，38627个单元，与其它划分情况相比较，此划分结果较为理想，得到的网格，如图2所示。

图2 牵引座网格模型

表1 Q345的材料属性

2.3 边界条件的施加

根据牵引座在牵引车上的安装方式以及牵引座中各个部件的连接方式，对其进行如下约束：在两侧内外耳的中心圆孔处的节点上施加X、Y、Z方向上的移动自由度和Y、Z方向上的旋转自由度，如图3所示。

图3 牵引座的约束处理

图4 牵引座的静载加载方式

2 牵引座结构静态分析

在半挂牵引车运输过程中，竖直方向的载荷主要来自半挂车的垂直下压载荷作用。我们根据GB／T 20069—2006《道路车辆 牵引座强度试验》［2］的相关要求，制定了牵引座受垂直载荷的工况。根据GB1589—2004《道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值》中相关规定，查阅当前某型号半挂牵引车（六轴）的设计手册，其半挂车的最大载重量为43吨，选用90＃牵引座。而牵引座在竖直方向要求承担牵引质量的30%～40%，在本文中假设垂直施加在牵引座上的质量约为18吨，即为176 400N。将该载荷根据静力等效原则均匀的施加在牵引座壳体的上表面上。其加载方式如图4所示。然后对其进行静力学分析，得到其位移云图如图5所示，应力云图如图6所示。

图5 牵引座位移云图

图6 牵引座应力云图

由图5可知，对牵引座施加载荷后的最大位移为1.001mm，壳体弯曲变形与其宽度比值为0.125%＜0.2%。由图6可知，最大等效应力出现在两定位孔处，大小为288MPa，其次就是在牵引座壳体“开猫”处以及壳体与框架板的焊接部分等效应力的数值比较大，但是都小于材料的屈服极限345MPa，所以结构是安全的。

改进措施：有上述的分析可知，在两个定位孔以及两个“猫耳”处由于存在应力集中的原因，使得等效应力值比较大。因此，我们可以在以后的设计中尝试改变其定位方式以减少不必要的应力集中现象产生，同时，在“开猫”处我们可以将猫耳缩减至一个，以便更好的提高牵引座的强度。

3 牵引座鞍体有限元模态分析［3］

［M］：结构总质量矩阵；［C］：结构体的阻尼矩阵；［K］：结构体的刚度矩阵；｛x¨（t）｝：加速度向量；速度向量；｛x（t）｝位移向量；｛f（t）｝动激励载荷向量。

进行鞍体的约束模态分析，无需考虑外力作用，即｛f（t）｝为零，因结构的阻尼较小，对固有频率和振型影响很小，所以常常忽略不计，在这种情况下，分析结构的固有频率和振型问题转化为求解特征值和特征向量问题，因此对牵引座进行模态分析，其运动方程为：

其对应的特征方程为：

根据弹性力学有限元理论［4］，将牵引座结构近似看作线性系统，经分析可得牵引座振动系统的运动微分方程为：

ω为系统的固有频率；｛x（t）｝为系统的特征向量（模态振型）。

结构模态分析的目的是求出牵引座的各阶的固有频率和对应的主振型，其阶数越低，说明对整车的影响越大，本文进行了牵引座前八阶模态求解，得到其固有频率如表二所示，振型如图7－图14所示。

表2 牵引座结构的固有频率

图7 第一阶模态振型图

图8 第二阶模态振型图

图9 第三阶模态振型图

图10 第四阶模态振型图

图11 第五阶模态振型图

图12 第六阶模态振型图

图13 第七阶模态振型图

图14 第八阶模态振型图

模态计算结果分析：

在一般情况下，汽车在正常的行驶过程中，外部传输过来的激励主要来自于路面、发动机、轮胎、传动轴不平衡等。查阅相关资料，在车速为50－90km／h时，发动机爆发频率大约在40Hz～100Hz［5］，而来自路面、轮胎、传动轴的的激励频率均小于40Hz。通过上述分析可知，牵引座第一阶模态频率为169.76Hz，大于外界的激励频率。所以从理论上来说，牵引座不会由于外部的激励而产生共振现象，而牵引座其它阶的模态频率均大于第一阶模态频率，更不会与外部激励产生共振。

在本文中所提供的前8阶振型，大致可以归纳为：第四阶、第七阶、第八阶为整体模态，剩余的几个模态均为局部模态。

（1）整体模态：第四阶模态振型为牵引座整体扭转，分别以两个支座为基准点，扭转轴线大致与两侧内外耳中心孔处的中心线相重合。第七阶模态振型的弯曲主要在前框架板与壳体的焊接处。第八阶模态振型也是弯曲，在壳体圆弧处存在比较大的变形。

（2）局部模态：在5个局部模态中，大致是牵引座壳体的前部、尾部变形比较严重，这是因为其前后部由于壳体没有支撑，而壳体的中间部分与框架相连接，所以，其前后部的刚度和中间部分相比较而言是比较弱的，所以前后部分就会产生较大的局部模态现象。

改进措施：

1）根据图7、9、12和8、11可知，在壳体的前部和后部产生了较大的局部模态，因此，可以在前部添加与前框架板相连的筋板，在后部添加与后框架板相连的筋板，以提高其刚度。

2）从所有的阵型图中可以得知，壳体与框架相连处的刚度比较大，为了实现整体的近似等刚度设计，可以适当的减小其框架板的高度或者厚度。

4 结 论

本文结合唐山龙泉机械有限公司提供的牵引座相关数据，并在综合考虑牵引座的实际运行工况的基础之上，对三维模型进行适当的简化，导入到ANSYS软件，确定单元类型和划分网格的单元大小，建立牵引座结构的有限元模型。对建立的有限元模型进行结构强度、模态分析，得到了结构应力应变图和前几阶固有频率和对应模态振型。分析结果表明牵引座的结构强度满足要求，固有频率不会与外部激励产生共振现象并在此基础上提出了相应的改进措施，为牵引座的结构设计提供了一定的理论依据。

［1］ 杨通顺.半挂牵引车牵引座要览（上）［J］.汽车配件，2004（46）：28－30.

［2］ 金明新.半挂车牵引座强度要求及其试验方法［J］.专用汽车，2005（1）：43－45.

［3］ 傅志方.模态分析理论与应用［M］.上海：上海交通大学出版社，2000.

［4］ 徐秉业.弹塑性力学及其应用［M］.北京：机械工业出版社，1984：153－184.

［5］ 孙艳鹏.载重汽车车架有限元分析及优化［D］.重庆：重庆交通大学，2008.