半挂车车架结构有限元分析

半挂车车架作为主要承载件，承受着车内外的各种载荷，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，是影响整车性能的关键部件。运用有限元方法，在设计初阶段对车架进行强度、刚度校核，有助于缩短车架开发周期；同时，对强度、刚度足够富余的位置进行减材料设计，实现车架轻量化设计，提升半挂车整体性能。

图1所示是市场某款半挂车车架，额定载重量34t。本案例将对车架施加多种工况下的边界条件和载荷，进行静力学分析，校核强度和刚度是否满足要求，为后续的结构优化打好基础。

图1半挂车车架三维模型图

建立仿真模型

将车架三维模型导入HyperMesh中进行几何清理和抽取中面。使用板壳单元划分网格，总单元数量433144，三角形单元占比小于1%。赋予几何材料参数和厚度，车架材料为Q345和Q700，如图2所示。

图2 车架网格模型

焊接是主要应用于金属构件之间的一种连接方式，本实例采用hypermesh中seam面板处理焊接结构，以reb3+棱柱实体单元模拟焊接。如图3所示。

车辆结构有限元分析时，板簧结构的简化对最终分析结果有很大影响，查阅相关文献（柴山,郭明.车辆钢板弹簧悬架的有限元模型），本文采用等效弧形薄板模型模拟钢板弹簧，使用与实际钢板弹簧弧高、弧长、刚度等参数相等的一条纵向弧形薄板来模拟实际的钢板弹簧，采用四边形壳单元划分薄板。如图4所示。

图3  HyperMesh模拟缝焊连接的示意图图4板簧等效示意图

边界条件及工况

集装箱半挂车在运输过程中存在多种工况，不同工况下车架受到的载荷也不相同。车辆结构的静力学分析一般研究弯曲、扭转、紧急制动、转弯这四种典型工况，这几种工况的边界条件和载荷有所差异。本案例进行静力学分析所选工况的描述如下表1所示：

表1边界工况描述表

结果分析

工况1——弯曲工况

对车架纵梁与横梁表面施加333200N的集中力，并施加重力加速度9.8m/s^2。

图5 弯曲工况车架变形云图

图6弯曲工况车架局部应力云图

1)最大变形量约为16mm。其原因是由于此处距离前部牵引销和后部悬架较远，刚度较小。

2)车架板料本身最大应力都未超过345Mpa，主要是焊接处焊核达到了屈服强度，表明该处属于高应力区域。

工况2——扭转工况

载荷与弯曲工况相同。释放左前轮板簧底部所有自由度。

图7 扭转工况车架变形云图

图8 扭转工况车架局部应力云图

1)车架最大变形量约为24mm。车架变形不对称，主要原因是左前轮板簧无约束。

2)扭转工况下，相比弯曲工况，高应力区域更为明显且增大了。纵梁阶梯处是通过焊接的方式将两个纵梁连接起来，此处受力最大，对焊接要求较高。可适当增加加强筋厚度。

工况3——紧急制动工况

集中力：333200N，均匀分布在梁的表面。重力加速度9.8m/s^2。惯性力：GB7258-2017《机动车运行技术条件》规定半挂车满载时紧急制动减速度不小于5m/s^2。本实例取紧急制动加速度5m/s^2。

图9紧急制动工况车架变形云图

图10 紧急制动车架局部应力云图

1)车架最大变形量约为15.4mm。横梁受到集装箱对其惯性力作用，在X方向发生形变，最大值在连接处，大小约2mm。

2)紧急制动工况下，车架高应力区域与扭转差不多，横梁与纵梁连接处焊核强度满足要求，未出现高应力现象。

工况4——转弯工况

集中力：333200N，均匀分布在梁的表面。重力加速度9.8m/s^2。惯性力：惯性加速度3m/s^2。

图11转弯工况车架变形云图

图12转弯工况车架局部应力云图

1)最大变形量约为28mm。由于转弯惯性影响，横梁在Y方向发生形变，大小约20mm。

2)纵梁阶梯处极少量焊核应力超过700Mpa，部分超过345Mpa。可适当增加加强筋厚度。

分析总结

对半挂车车架进行了四种工况下的静力学分析，结论如下：

1)四种工况下，车架的高应力区域基本相同，主要集中在纵梁阶梯连接处和牵引销连接处。四种工况下都有部分焊核超过材料屈服强度。

2)车架板件自身强度满足要求，高应力区域主要出现在焊接处，表明需要多关注焊接质量，焊接性能不达标，直接影响车架整体性能。

3)各工况下的车架变形为：转弯工况28mm>扭转工况24mm>弯曲工况16mm>紧急制动工况15.4mm。变形最大位置主要发生牵引销与第一排板簧之间，主要是原因是此区间没有其他约束支撑，刚度小，易发生变形。可通过调节轴距、纵梁间距以及合理排布横梁位置来提高刚度，从而减小变形量。

建议

1)增大纵梁阶梯连接处加强筋的厚度。增大牵引销处横梁厚度。

2)横梁之间增加连接件，从而提高刚度，如图13所示。

图13车架修改建议图