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基于Hyperworks的半挂车车架结构分析与改进


Qichegongyi

基于Hyperworks的

半挂车车架结构分析与改进
□文 / 程 源 1  张 翼 1   李 鹏 1  董 亮 1   李晓晨 2 (1.中北大学机电工程学院  2.西安机电信息技术研究所)



设计车架过程中,车架材料主要应用QH70 钢或1 6 M n

低碳钢等,全铝制车架出现得非常少,在满足车架的 强度刚度的情况下,铝制车架相比钢制车架能够减轻

置7 根加强横梁。车架前部缩 颈,底部焊接有牵引销支承 板并焊接着牵引销,中部安 装支腿,后部焊接弹簧支 架,前、后焊接保险杠横 梁。半挂车外形和具体结构 如图1、图2所示。其主要部件 有车架、支腿、箱板、护栏、 悬架、轮胎、备胎架等。其 中,主要由各种纵梁和横梁构
图 2     半挂车后视图

重量,提高负载,提高车辆的使用寿命,给物流公司提高 运输效率,大幅降低物流成本。因此,对铝制车架的研究 是现在非常重要的趋势。

1  某型号半挂车车架介绍
某厂的全铝半挂车结构纵梁采用工字梁结构,长度 12950mm,工字形断面,高度485mm,采用6061T6铝合金组 焊。横梁采用整体贯穿式,槽形断面高1 0 0 m m、宽48mm , 采用厚3.5的6061T6铝合金板冲压成形。纵梁之间不等距布

成的底架是构成车架完成承重运输的核心部件之一,如图3。

图 3    半挂车车架结构图
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半挂车主要的技术参数如表1 所示。
表 1     半挂车主要技术参数 参数类别 外形尺寸 尺寸参数 参数名称 长  (mm) 宽  (mm) 参数值 12950 2450 1380 3 2170 8460 21500 40000 2820 × 3 6

梁、加强梁等件划为10mm的网格,对于所加约束附近与孔 附近,需要进行网格细密处理,壳单元网格划分好后,根 据图纸,在零件之间的焊接连接处,用weld焊接单元模拟 焊接连接,在螺栓连接处,用两个rigids刚性单元之间用 Cbeam 杆单元连接来模拟的螺栓连接,使建立的半挂车车 架有限元模型能够最真实反映实际车架的力学性能。图5为 网格划分局部放大图。 2.2  定义材料属性 在所建的有限元模型中,车架材料采用6061T6优质铝 合金,具体力学参数如下所示:  弹性模量73.1GPa;泊松 比0.33;密度2.7×10e-6kg/mm 3 ;强度极限260Mpa;屈 服极限240Mpa。 2.3  工况的选取 主要考虑到的有弯曲工况、严重缺陷路面运输工况、 扭转工况、刹车工况、转弯工况。针对各个工况选取动载 荷系数和约束条件进行分析研究。

轴距                    (mm) 轴数 轮距                   (mm) 牵引销到中间轮轮轴距离  ( m m ) 列车整备质量            (kg) 列车最大承载质量        (kg) 空载半挂车后轴轴载质量  (kg) 轮胎数量                (个)

质量参数

满载半挂车后轴轴载质量  (kg) 12500 × 3 性能参数

2  建立车架的有限元模型
根据某半挂车厂提供的二维设计图纸,在用proE建立 模型之后,用i g s 文件导入到H y p e r W o r k s 分析软件的 hypermesh前处理软件,导入HyperWorks软件中的几何模 型如图4 所示。

3  有限元模型分析
通过分别计算在不同运行工况车架的应力和变形情况。 各个情况下车架的最大应力和最大变形情况可汇总如表2所 示。 “—” 表示此工况下该件应力未超过许用屈服极限,应 力中主纵梁有两个值,前者是主纵梁与悬架接触面最大应 力,后者是牵引板与主纵梁连接处最大应力。
表 2     各种工况下车架最大应力和变形比较 变形位移(m m ) 弯曲 68 8.6 16 8.8 8.8 24 66 67 68 70 8.5 13 21 14 13 23 12 12 12 12 30 应力(Mpa) 514 264363 370 510 264445 370 532 322365 387 530 321363 384 533 498363 375 — 586366 506 — 572354 509 557 335314 408 521 321316 384 — — — — — 889 881 887 889 — — — — — — — 344 312 346 339 — — 工 况 底 板 纵 梁 边 梁 尾 梁 底 板 主纵梁 牵引板 槽钢 0 0 9 加强槽钢014 缺 陷 1 75 缺 陷 2 68 缺 陷 3 68 缺 陷 4 77 扭 转 1 115 扭 转 2 117 扭 转 3 119 扭 转 4 120 转弯 68

图 4     半挂车车架几何模型

2.1  网格的划分 对车架结构的每个零件分别抽取中面,在中面上进行 壳单元的网格划分,经过粗略计算,需要网格限制在软件 允许范围内,为主纵梁和边梁划分20mm的网格,对其他横

110 116.9 — 510359 500 115 118 115 120 13 13 12 12

115 121.9 — 540351 500

刹 车 67.37 8.2

从表2可以看出,综合各种工况,在各种情况下最大应 力最大可达到889Mpa,在所有工况中,扭转工况是对车架 应力影响最大的工况,可以看出,因槽钢009通过斜支撑分 别连接到不同侧向轮的悬架座上,在扭转时,对此加强横 梁的载荷冲击必须考虑到结构设计中,因此,需要对槽钢 009进行加强,图6为扭转工况1槽钢应力云图。对在其他工 况中,除底板外,出现最大应力的部位是与悬架相连的位
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《重型汽车》H E A V Y   T R U C K   2 0 1 0 . 5 .

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置和牵引销板与纵梁的连接位置,这些部位都是应力薄弱 点,需从结构方面进行加强。

决应力集中问题,而且底板的结构强度明显不够,由此, 做出表3的加强。 计算了改进后不同运行工况车架的变形位移和应力情 况,如表4。各个情况下车架的最大应力和最大变形情况可 汇总如下。 “—” 表示此工况下改进后该件应力未超过许用 屈服极限,该处应力集中已解决,应力中主纵梁有两个 值,前者是主纵梁与悬架接触面最大应力,后者是牵引板 与主纵梁连接处最大应力。
表 4     改进后各工况应力变形位移变化值

图 6     扭转工况 1 槽钢应力云图

变形位移(m m ) 弯 曲 12.28 — 缺 陷 1 18.77 — 缺 陷 2 12.34 — 缺 陷 3 12.28 — 缺 陷 4 24.82 — 扭转 1 — 扭转 2 — 扭转 3 — 扭转 4 — — — — — — — — — — — — — — —

应力(Mpa) — 220240 240 — 250228 257 — 242213 212 — 211224 270 — 348224 211 — — — — — 284 293 287 293 — — — — — — — — — — — — —

计算结果表明,图纸所设计的全铝半挂车车架,除底 板外,在纵梁与牵引销平面所接触部位和与悬架连接的表 面是应力薄弱点,容易在各种工况情况下出现变形和裂 纹,而在其它部位的应力远远未达到材料屈服强度要求。 此半挂车结构有较大的改进余地。

工 况 底 板 纵 梁 边 梁 尾 梁 底 板 主纵梁 牵引板 槽钢 0 0 9 加强槽钢014

4  半挂车车架改进
除扭转工况,最靠近车头的悬架与主纵梁的两个接触 面处都有一定的应力集中,因此,在所在位置横梁的车头 方向再加两个槽钢014,在牵引销板与纵梁连接的不满足应 力要求的位置,纵梁腹板间焊接一5 m m 厚的加强板,以解
表 3  结构改进 底板 026 牵引板 003 加强槽钢 014 (mm) 原  来 修改后 3 8 (mm) 10 13 (mm) 5 8 槽钢 009 与悬架座连接( m m ) 其它( m m ) 5 16 5 8

— 38.51 — 207234 212 — 38.75 — 191225 212 — 39.53 — 194223 212 — 39.88 — 230229 210 — — — — — 204250 219 — 182212 221

刹 车 11.77 — 转 弯 12.28 —

通过计算可以看出,车架变形位移已控制在4 0 m m 以 内,相较于先前最大变形位移121mm 改善了许多,已在允 许变形范围内。应力也基本满足条件要求。因此,通过有 限元分析技术可以找到车架的缺点和不足,为后续改进设 计提供依据。                          参考文献略) (

(上接第12页)B ——整车稳定副,即整车质心在地面上的投 影点到一侧轮胎的侧翻线的距离;    H ——整车质心离地高度。 车辆左转弯时的侧翻临界车速为 V = R Lg B 1 H

整车不发生侧翻的前提条件是车速小于、等于侧翻临 界车速。

5  结束语
混凝土搅拌车的搅拌筒的设计是一项较繁琐的工作, 尤其是叶片的设计和制作。目前在同一条叶片上,既做到 在结构参数上的区别对待,又做到在工作性能上的统一尚 需进一步的研究。 随着混凝土搅拌运输车的 “城市化进程” 的发展,混凝 土搅拌运输车面临着专业化、集团化大生产的迫切要求。 目前我国的混凝土搅拌运输车产品尚需进一步提高制造技 术、产品开发和计算机辅助设计水平,希望我的这篇浅显 的学习心得可以引起大家的兴趣,共同来致力于混凝土搅 拌运输车的研究。 参考文献略。
2 0 1 0 . 5 .   H E A V Y   T R U C K 《重型汽车》

车辆右转弯时的侧翻临界车速为 V = R Rg B 1 H

式中  R L ——质心G 的左转弯半径;   R R——质心G 的右转弯半径;   e ——质心的总偏移值;   G 1 ——混凝土质心;   B 1——有效稳定副,B 1 =B-e。

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