一种小鹅颈式半挂车车架的有限元分析及优化设计

驻马店大力天骏专用汽车制造有限公司 孙海珍、邢涛、王涛、梁伟

引言

近年来，随着市场对轻量化半挂车的需求，专用车降低车辆自身的重量，提高车辆的承载能力势在必行，采用高强度钢钢材制造车辆的主要零部件。先进的高强钢具有较低的屈强比、较好的应变分布能力、较高的应变硬化特性，同时先进的高强钢的力学性能更加均匀，因而其回弹量的波动小，并具有更好的碰撞特性和更高的疲劳寿命。

但在实际使用过程中发现，轻量化车型在满载时易引起车架的变形，空载时变形回弹，虽然车架的强度可以满足满载的需求，但由于车架的变形影响车厢部分厢板和立柱之间的间隙，导致厢板打开困难，给客户的使用带来诸多不便。如何解决这一问题，是半挂车设计人员的不断优化设计方案和研究探索的方向。

基本结构及设计理念

车架是半挂车承载的主体，一般为焊接框架结构，由纵梁、主横梁、贯穿梁、车架边梁、底板和牵引销等组成。车架纵梁为“工”字型变截面梁，材料为高强度钢焊接结构钢板700L，通过高强度材料的使用，保证了车架的强度和刚度。

车架纵梁为“工”字型变截面梁，由上、下翼板、腹板组成，取消小鹅颈车的腹板内加固板，增加小鹅颈车前节腹板的厚度，减少了纵梁前端焊接腹板内加固板的焊接工作量，同时避免了腹板内加固板与腹板贴合不紧密，加固强度不好的缺陷，使纵梁的重量降低的同时，纵梁前端的强度明显提升；改进小鹅颈车尾端纵梁结构，使尾端纵梁的斜坡前移，前支架与尾端斜坡处连接，减少大梁变截面处应力集中，同时增加尾端纵梁的高度，降低悬挂的支架高度，有效地提升支架上方纵梁的强度，避免纵梁尾端下沉。另在牵引销后和前支架前的腹板内侧位置进行局部加固，改善此两处的应力集中的问题。

车架满载时的有限元分析

（1）三维建模

基于目前半挂车设计制作的基本情况，本设计主要是运用AotoCAD软件完成二维图零件的设计和装配，便于指导车间的生产。在进行有限元分析时，在二维图的基础上进行三维建模，为方便后续的有限元分析，节约分析时间和经济成本，在三维建模时进行相应的简化，由于半挂车的主要承载构件是车架，因此仅对车架部分进行建模分析，同时省略掉对车架强度影响不大的附件如支腿固定铁、牵引销等，对支架也进行了简化，按照其静载时的受力特点，仅保留其支撑的功能；另外主横梁上的减重孔，大梁腹板上的固定孔，贯穿梁也改为三拼结构，减少对腹板的冲孔，这些孔对车架的强度影响也不大，但是影响后期的网格划分，因此进行简化建模。

（2）材质的基本参数

序号 基本参数项 参数值1弹性模量 2.1e+011 2泊松比 0.28 3屈服强度极限 700MPa 4密度 7.85

（3）网格划分

由于半挂车车架结构的特点，考虑到网格划分的质量，运用ANSYS Workbench自动划分网格的功能，按照中等平滑度划分网格，共计划分137131个网格单元，网格划分结果如下图：

（4）边界条件

半挂车静载时，牵引销处和悬挂支架处为固定支撑点，因此固定牵引板和支架与下翼板的接触面处为限制点。

（5）加载

轻量化车型设计的基本原则是不能承载集中载荷，按照均布载荷对车架进行静载的受力分析。本车型符合GB 1589的要求，三轴半挂车最大允许总质量限制40000kg，挂车的设计自重5800kg，满载可允许装载货物34200kg。在进行受力分析时，按满载34200kg进行加载，由于小鹅颈车的承载面有一定的台阶高度差值，平台的长度与平台下方的长度近似比值为1:2，因此在加载时，平台上方和平台下方按1:2的载荷值分别加载。

（6）满载时的最大变形和等效应力

运用ANSYS Workbench进行计算分析，得到分析后的等效应力云图和最大变形的应力云图，从分析后的等效应力云图上可以看出，应力的集中点在牵引销后和前支架前，这与以往的设计经验是相符合的，因此本方案在设计时对这两处进行了局部的加固，起到了加强的作用。本设计方案等效应力的最大值为446MPa，设计时所选取的高强度钢屈服强度极限为650MPa左右，因此其强度安全系数为1.46，与机械行业设计零件的工作安全系数要求1.2～1.3相比，本设计完全可以满足安全使用要求。

从最大变形量的云图上可以看出，车架在满载时的最大变形量时2.7mm，最大变形处为第二节和第三节车厢处，这与实际使用时厢门不易打开的位置是相符合的，由于在车厢设计时，在中立柱与厢板结合处预留5～7mm的间隙，因此2.7mm的变形量在门缝间隙允许的范围之内，可以满足厢门的顺利开合。

综合以上分析可知，半挂车车架的设计，有效地保障了车辆的承载能力，通过车架满载时的有限元分析，满载时车辆的屈服强度极限远小于半挂车材质的屈服极限，满足使用要求，车架的最大变形量在设计的车厢门缝间隙范围内，车厢的厢门可以顺利开合。

结论

本设计通过样车的满载试验发现，前节纵梁、尾端纵梁改进后，车架前端及前支架处强度明显增强，支腿前边梁有些轻微下沉，不影响车厢门的打开，因此本设计有效地解决了轻量化车型出现的厢门开合困难的现象，同时本车型比市场同行业其他厂家同类车型轻150kg左右，满足了市场对轻量化车型需求的同时，具有良好的经济效益和社会效益。

等效应力云图

最大变形量云图