「科技探索」半掛車平衡懸架模擬和車架強度研究

1 半掛車車架的結構概述

半掛車在牽引銷的作用下實現與牽引車的靈活連線，可視為平衡懸架結構形式。車架基本尺寸為長10160mm、寬2440mm，結構組成包含2根縱梁和18根橫樑。車架截面高度沿長度方向可細分為3個部分。前後兩段的截面高度相同，較特殊的是中間段，該部分具有高度連續變化的特點。前後橫樑兩處結構均為薄壁閉口矩形鋼，中間部分則以槽鋼為基礎材料組成橫樑，厚度各異，取值區間為6~16mm。

2半掛車車架

在化工業持續發展的背景下，以天然氣為代表的各類高壓氣體運輸規模隨之擴大，管網運輸存在成本高、損耗大等侷限之處，而常規的中小容積氣瓶所能創造的運輸量極為有限，難以滿足經濟快節奏發展背景下的能源需求。此時，半掛車的應用優勢隨之彰顯，其能夠整合多數大容積無縫氣瓶，以捆綁等方式將其穩定置於車架上，可根據使用者的需求及時轉運大規模的天然氣等能源物質。

從半掛車的結構組成來看，車架為核心裝置，其具有縱梁長、支點跨距大等多重特點，可將其視為承受荷載的骨架結構。受力方面，荷載普遍作用於車架前後端支撐板處，中間區域受力相對較小。車架的穩定性將直接影響半掛車的通行安全性，鑑於運輸產品的特殊性，必須合理最佳化車架結構，保證其在強度、剛度等方面均滿足要求。需注意的是，車架結構的受力條件錯綜複雜，常規的力學分析方法難以準確掌握車架各結構的受力狀況以及在強度、剛度等指標方面的具體表現。

對此，可引入有限元分析法，其融入了離散、逼近的靈活演算法，能夠給車架強度、剛度等分析工作提供重要的指導。在有限元分析方法應用過程中，以彈性力學理論為主要依據，將其用於驗證模擬結果，可兼顧加強板、橫杆、橫樑等車架的各處組成結構，視實際情況制定改進方案，全面提高車架的整體效能，使其能夠投入到大規模運輸作業中。

3半掛車車架有限元建模與計算

3.1建模及ANSYS處理

根據車架的已知引數資訊，在Pro/E中建立三維實體模型，再將其匯入ANSYS平臺以便展開有限元分析。車架以SHELL63殼單元為基礎，建模成整體結構。在車架實體模型成型後對其抽中面處理，經此操作後將導致車架縱梁與橫樑兩結構間形成間隙，因此需及時補面。實際操作中應確定橫樑在縱梁上的投影區域，在該處做好標記，以此為依據縫補到位。

3.2邊界約束方式

以建立的有限元模型為基礎，綜合考慮設計要求和實際運輸需求，提出3點約束措施：

（1）車架前後支架處的吊耳孔，該部分為全約束形式。

（2）牽引銷板的孔為全約束形式。

（3）根據結構對稱面的特點，採取對稱約束的方式。

3.3平衡懸架的模擬

車架在應用於半掛車後將存在較複雜的受力條件，不利於力學分析與計算工作的順利展開。對此，以保證模擬結果準確性為基本前提對車架結構加以簡化，以達到降低工作量、提高工作效率的效果。引入聖維南原理，對本次的車架模型作出如下簡化處理：①鋼瓶等效為梁；②暫不考慮車架內各零部件對整體裝置應力分佈狀況帶來的不良影響；③暫不考慮細小圓角及折彎構造造成的影響；④將焊縫視為固體連線形式，且均遵循等強度焊接的原則；⑤車架所用材料均具有各向同性的基本特徵。

此外，車架前部牽引銷處設定有固定約束，取車輪中心將其視為支點，於該處給予固定約束處理。

考慮到建模的便捷性要求，引入杆單元模擬的方式，應保證模型完全約束，同時還需避免過定位的情況。為確保模擬結果的可靠性，此處引入3種模擬方法，分別對各自的結果展開對比分析，具體內容見圖1（數字為模型的節點編號）。圖1（a）中，以半掛車縱向中心面為對稱中心，點14157、14159分別與14152、14154對稱。圖1（b）中，以半掛車縱向中心面為對稱中心，點14166與14163對稱。圖1（c）中，固定約束點分別加在節點3、9、13、15以及1和20處，以半掛車縱向中心面為對稱中心，與點9、3、1對稱。

圖1 平衡懸架模擬方法示意圖

3.4載入

本次分析中，半掛車的額定載重量為28000kg，車架中2根縱梁承受大部分荷載。隨著半掛車的執行，在不同路段對車架所造成的衝擊作用具有差異性，根據既有經驗可知，動載係數取值區間普遍為1。8~2。5，為保證分析結果的可靠性，此處將動載係數取為上限值，即2。5，縱梁均布荷載值為0。241N/mm2。本次建模採用的SHELL63四邊形單元存在較明顯的方向性，引入右手螺旋定則，取大拇指方向為正，若滿足力方向與單元方向具有同向性的特徵，則視為正方向，反之則為負方向，以此為依據判斷力的方向並準確輸入力值。

3.5最終模型

車架為自由化分網格的形式，透過對車架的離散化處理後所建立的模型中共包含14166個節點和13499個單元，再根據上述所提的模擬方法依次展開模擬、計算及分析。

4模擬結果與分析

4.1

3種約束模擬結果的對比

所提3種模擬方法的應用特點各異，為準確掌握模擬結構在節點處的受力情況，此處呈現出各模擬方法對應的力學數值資訊，具體內容見表1~表3。根據表1內容可知，節點14152與節點14154各自產生的約束反力並不具有一致性，不符合平衡懸架的特徵。

表1 模擬資料一

表2 模擬資料二

表3 模擬資料三

進一步分析第2、第3種模擬方法，得知雙軸的垂直約束反力具有一致性，具有平衡懸架的基本特徵。相比之下，雖然2種模擬方法均能夠模擬平衡懸架，但第3種方法的應用效果更佳，原因在於其採取多點與車架連線的方式，可避免應力過度集中的現象，有助於提高模擬結果的準確性。

4.2應力分佈和強度校核

在確定第3種模擬方法後進一步繪製應力分佈圖，可知車架各點的應力分佈具有差異性，其中以縱梁截面變化的過渡處較為特殊，對應的是最大應力點。半掛車選擇的是16Mn材料，根據既有力學資訊可知，可提供的屈服強度為345MPa，相比之下該最大應力點對應的數值為314。35MPa，小於前者，表明車架可維持穩定的狀態，具有可行性。

5結語

綜上所述，本文以半掛車車架效能為探討物件，引入3種模擬方法，經對比分析後確定合適的方法，經驗證後得知在彎曲工況下車架具有穩定性。希望所提的模擬分析方法可為類似工程提供參考，提高半掛車車架的設計及製造水平。

作者：閻承博 （中國機械國際合作股份有限公司）

本文刊發於《中國高新科技》雜誌2020年第24期

（轉載請註明來源）