某半挂车的设计与分析

田甜，翟豪瑞

（盐城工学院汽车工程学院，江苏 盐城 224051）

前言

半挂车车架作为整车的主要承载基体，承受着来自车辆自身与外部各种形式的复杂载荷，也是许多专用工作装置以及重要总成的安装基础。本文结合实际情况，参照半挂车整车车架参数，建立了车架的三维模型，对其简化后，导入到有限元分析软件ANSYS Workbench进行分析。[1]在承受38吨额定载荷情况下进行静力分析，分别得到满载、满载转向、满载制动工况下的总变形量和等效应力云图，以此判断车辆能否安全行驶；通过模态分析，研究车架前6阶固有频率，避免共振，为设计分析提供参考。

1 半挂车车架三维模型的建立[2]

试验骨架式集装箱半挂车，其额定载荷为38吨，车架总长14720mm，总宽2500mm。[3]

1.1 原始半挂车车架三维模型

半挂车车架主要由若干横梁、纵梁、工具箱等形成。本文的模型是在UG软件中建立的，由于骨架式集装箱半挂车整车的结构比较复杂性，零件重多，为了节约建模时间，在不影响车架整体性能、零件固定以及各零件间装配关系的前提下，将为了满足行车使用要求或构造而在车架上设置的却对三维模型的建立没必要的次要构件去除，得到如图1所示。

图 1 半挂车车架原始三维模型

1.2 简化后半挂车车架三维模型

为了建立有限元模型时有限元前处理的简便，需要减少网格划分数量以提高计算的精度与速度，故仍需对图1简化：

1）忽略车架上对结构应力影响不大的所有工艺所需圆角、倒角以及细小折弯等，以便减少网格划分数量、减少计算量和节约计算时间；并将距离应力较远的过渡圆弧简化为直角。

2）忽略半挂车车架上直径较小或仅是为了满足功能而设置的工艺孔、铆接孔 、安装孔、吊环孔、路线孔以及螺栓孔等。

3）忽略半挂车车架上的非承载结构：忽略不重要的且承受的载荷很小甚至于无的结构，例如支腿座板、支腿座加强筋。

4）去除半挂车车架上的附属部件：侧防护（左右侧防护、侧防护多功能架、侧防护立杆、侧防护支架）；侧灯支架、侧灯支架座；工具箱、工具箱前后吊带、工具箱前后支撑。

最终简化后的半挂车车架模型如图2所示。

图2 半挂车车架简化后三维模型

2 半挂车车架有限元模型的建立

2.1 材料属性

半挂车车架主要由若干横梁和纵梁等焊接而成，车架材料采用 16MnL，其车架力学参数如下表所示（见表 1）。对于车架单元类型的挑选，主要取决于半挂车车架结构的物理几何形状、计算精度、载荷类型等。

表1 半挂车车架力学参数

2.2 网格划分

本文首先定义有限元模型的网格精度，其中网格相关度设为50，划分质量设为 Medium，定义划分的方法为自动网格划分形式。因为半挂车车架结构模型比较规则，所以在进行网格划分时，根据网格划分原则，网格类型主要选择六面体形式为主的网格进行划分，具体示意图如下（见图 3）。半挂车车架进行网格划分后，节点数量为546194个，总单元数量为178311个。

图3 半挂车车架有限元模型

2.3 约束及施加载荷

根据骨架式集装箱半挂车实际行驶情况，选择在约束状

态下分析车架的模态分布，这样更能准确反映出半挂车车架的震动分布情况。本实验使用静强度分析，来验证半挂车车架整体结构在承受额定载荷为38吨的情况下，车架是否能够安全运行。全部额定载荷分布在上翼板，且取 1.8的动载荷。如表2所示设置半挂车车架有限元模型的边界约束。

表2 半挂车车架有限元模型的边界约束

3 半挂车车架静力分析

半挂车车架整体结构在承受 38吨额定载荷的情况下进行静力分析，分别得到在满载工况、满载转向工况、满载制动工况下的总变形量云图（Total Deformation）和等效应力云图（Equivalent Stress），此来判断半挂车车架结构设计是否合理，车辆是否能够安全稳定行驶。[4]

3.1 满载工况

对半挂车车架在满载工况下分析得到总变形量云图如图4，最大位移值 0.34941mm，发生在车架结构边缘位置，与实际相符。

而在半挂车车架其他位置上，其结构的变形量则很小，其中主要以蓝色以及绿色为主。并且从车架整体结构上看，其最大位移值较小，故而并不会影响半挂车车架结构的正常运行，因此半挂车车架在满载工况下，车辆能够安全稳定的运行。

图4 满载工况下的总变形量云图

通过满载工况下半挂车车架等效应力云图如图5可以清晰的了解到，半挂车车架的最大Mises应力值为 216Mpa，且最大值发生在车架结构的支撑连接位置，与实际情形比较相符。最大应力数值低于材料的屈服强度，结构安全系数较大。

而在半挂车车架其他位置上，大部分的Mises应力值都相对都比较小，如图所示云图主要以蓝色以及绿色为主，这说明半挂车车架在满载工况下，车架能够正常运行，车辆不会发生破坏。

图5 满载工况下的等效应力云图

3.2 满载转向工况

对半挂车车架的满载转向工况下分析，得到总变形量云图如图6，最大位移值为0.2765mm，它发生在车架结构的中间位置，与实际相符。

从车架整体结构上看，主要以蓝色以及绿色为主，且由于最大位移值较小，故而并不会影响到半挂车车架结构的正常运行，因此车架在满载转向工况下，车辆能够安全稳定的运行。

图6 满载转向工况下的总变形量云图

图7 满载转向工况下的等效应力云图

满载转向工况下等效应力云图如图 7，车架最大 Mises应力值 290.43Mpa，且最大值在车架结构的前端支撑连接位置，与实际相符。最大应力数值低于材料的屈服强度，安全系数较大。

而等效应力云图中主要以蓝色以及绿色为主，这说明车架在满载转向工况下，能够正常的运行，车辆不会发生破坏。

3.3 满载制动工况

对半挂车车架满载制动工况下分析得总变形量云图如图8，且最大位移值0.23103mm，在车架中间位置，与实际相符。

且车架整体结构以蓝色以及绿色为主，故不会影响到车架结构正常运行，因此在满载制动工况下，车辆能够安全稳定的运行。

图8 满载制动工况下的总变形量云图

满载制动工况下半挂车车架模型的等效应力云图如图 9所示，其最大Mises应力值为264.93Mpa，且最大值在车架结构的前端支撑连接位置，与实际相符。最大应力数值低于屈服强度，安全系数较大。

而半挂车车架其他位置，大部分Mises应力值都较小且以蓝色以及绿色为主，这说明半挂车车架在满载制动工况下，车架结构能够正常的运行，车辆不会发生破坏。

图9 满载制动工况下的等效应力云图

4 半挂车车架模态分析[5]

由于现实情况的影响，半挂车车架承受的载荷复杂，不仅是来自货物，还要承受由于路面行驶状况复杂而产生的来自地面的冲击载荷，当车辆行驶使，车辆接到外界产生某一激励，这与我们所驾驶的半挂车的某一阶的固有频率相同，这时，车辆就会共振，从而对人、车造成伤害。因此，对半挂车车架的有限元模态分析是为了获得其各阶的固有频率，以此尽量避免共振。本文分析得到前6阶的频率数值（见图10和表3）。[6]

图10 1～6阶的频率数值

表3 车架模态分析结果

且车架的前6阶振型云图如下图所示（见图11～图16）。

图11 第1阶振型图

图12 第2阶振型图

图13 第3阶振型图

图14 第4阶振型图

图15 第5阶振型图

图16 第6阶振型图

5 总结

本文基于UG和ANSYS Workbench软件对半挂车车架进行设计与有限元分析，判断车架设计是否合理安全。

（1）通过静力分析分别得到满载、满载转向和满载制动工况下的总变形量以及等效应力云图，得出各工况下车架都能安全行驶。

（2）通过模态分析得到车架的前6阶固有频率，与车架受到的外界激振频率比较，从而避免共振。