集裝箱對(duì)伸縮式半掛車(chē)車(chē)架疲勞壽命影響研究*

鄭南豆 孫桓五 卜祥麗

（1.太原理工大學(xué)；2.華北科技學(xué)院）

1 前言

伸縮式集裝箱半掛車(chē)主要是為了運(yùn)載不同規(guī)格集裝箱而設(shè)計(jì)的一種半掛車(chē)，因?yàn)楝F(xiàn)階段一般的集裝箱半掛車(chē)只能裝載對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度的集裝箱，如12.192 m半掛車(chē)只能裝載12.192 m集裝箱，而用13.716 m半掛車(chē)裝載12.192 m集裝箱就會(huì)存在載荷分配不合理、轉(zhuǎn)彎半徑過(guò)大、通過(guò)性差、車(chē)架強(qiáng)度要求高等缺點(diǎn)[1]。車(chē)架作為半掛車(chē)各部件總成的安裝基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的好壞直接影響到半掛車(chē)的載荷、振動(dòng)、疲勞壽命等多方面性能，因此，對(duì)半掛車(chē)車(chē)架進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真和疲勞分析可以為結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化與輕量化提供一定的參考。

目前，國(guó)內(nèi)的疲勞分析多是通過(guò)有限元法及動(dòng)力學(xué)知識(shí)對(duì)單一的半掛車(chē)車(chē)架或零部件進(jìn)行分析，但半掛車(chē)在實(shí)際行駛過(guò)程中，運(yùn)載貨物的集裝箱本身也具有一定的剛度，會(huì)對(duì)車(chē)架的整體受力產(chǎn)生較大的影響。本文主要是在有、無(wú)考慮集裝箱剛度的兩種情況下，運(yùn)用有限元法、多體動(dòng)力學(xué)及疲勞相關(guān)理論對(duì)伸縮式半掛車(chē)車(chē)架進(jìn)行疲勞分析。

2 疲勞分析技術(shù)方案的確定

從伸縮式車(chē)架與集裝箱的靜力分析結(jié)果可知，其結(jié)構(gòu)在極限工況下的總體應(yīng)力均小于其材料的屈服極限，表明該結(jié)構(gòu)的疲勞問(wèn)題屬于高周疲勞，因此選用應(yīng)力疲勞分析方法來(lái)進(jìn)行疲勞壽命分析。其疲勞分析基本流程如圖1所示。

3 伸縮式車(chē)架有限元分析

3.1 有限元模型的建立

根據(jù)伸縮式車(chē)架及相應(yīng)的集裝箱三維模型所建立的有限元模型如圖2所示。車(chē)架大部分結(jié)構(gòu)和集裝箱均為薄壁件，所以采用PShell殼單元進(jìn)行建模，且在劃分網(wǎng)格時(shí)采用四邊形單元模擬，少量三角形單元用于過(guò)渡以滿(mǎn)足高質(zhì)量網(wǎng)格要求[2]。

在考慮集裝箱影響的情況下，為了保證各個(gè)車(chē)架部件之間及車(chē)架與集裝箱之間的連續(xù)性，需對(duì)車(chē)架及集裝箱做以下連接處理。

a.牽引板與車(chē)架的下翼板之間、集裝箱與車(chē)架上翼板之間以及需要傳遞力的其他平行面之間，通過(guò)Contact Surface面設(shè)置來(lái)處理互相接觸的平行面。

b.采用Rbe2和Cbeam單元來(lái)模擬用于車(chē)架前、后橫梁與集裝箱連接的鎖具結(jié)構(gòu)。

c.采用Rbe2單元來(lái)模擬車(chē)架部件之間的焊接關(guān)系，并利用Cbeam單元模擬主車(chē)架與伸縮車(chē)架連接的定位銷(xiāo)[3]。

在不考慮集裝箱的影響時(shí)，只需將集裝箱有限元模型以及與車(chē)架相連接的單元?jiǎng)h除即可。

根據(jù)GB-T 1413—2008標(biāo)準(zhǔn)可知，12.192 m和13.716 m的集裝箱額定載荷均不超過(guò)30 t，因此拉伸和縮短兩種狀態(tài)下車(chē)架的額定載質(zhì)量均取30 t。當(dāng)考慮集裝箱時(shí)，貨物用Mass質(zhì)量單元模擬通過(guò)多點(diǎn)約束單元Rbe2作用到集裝箱底板的橫梁上。當(dāng)不考慮集裝箱時(shí)，質(zhì)量單元?jiǎng)t通過(guò)多點(diǎn)約束單元作用在車(chē)架的2個(gè)縱梁上。

3.2 基于慣性釋放法的靜力學(xué)分析

慣性釋放的原理是先計(jì)算不平衡外力作用下結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)靜、動(dòng)力平衡方法構(gòu)造一個(gè)自平衡力系[4]。理論上說(shuō)，車(chē)架和滿(mǎn)載集裝箱的自身質(zhì)量與加載在車(chē)架支撐點(diǎn) （車(chē)架與鞍座和車(chē)架與懸架連接位置）上的作用力應(yīng)該形成一個(gè)平衡力系。但是受設(shè)計(jì)載荷計(jì)算方法的限制以及數(shù)值計(jì)算的累積誤差等原因，要得到一個(gè)絕對(duì)自平衡力系是極其困難的，因此本文采用慣性釋放方法來(lái)確保平衡力系的形成和計(jì)算結(jié)果的有效性。

對(duì)伸縮式車(chē)架的鞍座位置及后軸6個(gè)支架處施加垂向自由度的單位載荷如圖3所示，并在有、無(wú)考慮集裝箱的兩種情況下分別對(duì)車(chē)架進(jìn)行單位載荷應(yīng)力計(jì)算，得到各工況下的應(yīng)力分布。

4 整車(chē)多體動(dòng)力學(xué)仿真

4.1 剛?cè)狁詈隙囿w模型的建立

結(jié)合有限元法與多剛體動(dòng)力學(xué)方法，采用ADAMS/Car商用車(chē)模塊自帶的子模板進(jìn)行了懸架系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)及半掛牽引車(chē)部分的建模，并根據(jù)實(shí)際整車(chē)數(shù)據(jù)調(diào)整各個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)（如貨箱質(zhì)量、懸架剛度和軸距等），再結(jié)合柔性體伸縮式車(chē)架進(jìn)行整車(chē)的裝配。

在建立車(chē)架柔性體模型時(shí)，由于車(chē)架有限元模型自由度數(shù)目巨大，需要用模態(tài)綜合法（CMS）對(duì)動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行自由度縮減?？紤]到各階模態(tài)對(duì)響應(yīng)貢獻(xiàn)不同，對(duì)低階響應(yīng)來(lái)說(shuō)，高階模態(tài)的影響很小，因此選取前10階的模態(tài)振型就能較為精確地?cái)M合在路面行駛時(shí)車(chē)架的振動(dòng)特性。需注意的是：在利用有限元模型生成模態(tài)中性文件（mnf）時(shí)，需添加一定數(shù)目的約束點(diǎn)以供柔性體與模型其它零件連接所用。所建立的整車(chē)剛?cè)狁詈夏Ｐ腿鐖D4所示。

4.2 整車(chē)仿真及疲勞載荷譜的獲取

整車(chē)仿真時(shí)可根據(jù)該車(chē)平時(shí)的工作路況及行駛情況，來(lái)定義仿真中使用的路面文件與行駛控制文件。由于運(yùn)載集裝箱的半掛車(chē)通常都在較好的路面上行駛，所以本次分析選擇B級(jí)隨機(jī)不平路為仿真路面。

由于用于運(yùn)載集裝箱的半掛車(chē)速度一般不高，因此行駛控制文件中設(shè)定車(chē)輛以恒速v=45 km/h在上述仿真路面上直線行駛，仿真時(shí)間為t=30 s，仿真結(jié)束后，即可提取主要單位載荷處的載荷信息（圖5和圖6）。車(chē)架安裝點(diǎn)的單位載荷數(shù)值見(jiàn)表1所列。

表1 車(chē)架安裝點(diǎn)及單位載荷數(shù)值N

5 伸縮式車(chē)架疲勞壽命分析

5.1 材料S-N曲線的估算

材料的S-N曲線是疲勞可靠性壽命估算的基本性能數(shù)據(jù)之一，也是表征材料疲勞可靠性性能的重要指標(biāo)。本文中車(chē)架材料是16Mn鋼，其S-N曲線的主要參數(shù)見(jiàn)表2所列。

表2 16Mn鋼S-N曲線的主要參數(shù)

根據(jù)表2所列的特征參數(shù)，在Fatigue中擬合得到材料的S-N曲線（圖7）。其中轉(zhuǎn)折點(diǎn)為疲勞極限，虛線部分的循環(huán)次數(shù)低于1.0×103次。

5.2 車(chē)架疲勞強(qiáng)度計(jì)算與結(jié)果分析

通過(guò)單位載荷作用下的靜力分析和動(dòng)力學(xué)仿真分別得到車(chē)架的應(yīng)力分布及載荷譜，并結(jié)合材料的S-N曲線對(duì)在有、無(wú)考慮集裝箱剛度情況下的伸縮式車(chē)架分別進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算，所得其疲勞壽命云圖如圖8～圖11所示。

從圖10可知，不考慮集裝箱剛度的情況下，拉伸車(chē)架的伸縮架部分出現(xiàn)較早的疲勞破壞。這是由于此時(shí)車(chē)架的載荷直接加載在縱梁的上翼板上，中間伸縮架猶如一個(gè)懸臂梁起到連接車(chē)架前部與主車(chē)架的作用，拉伸后其與主車(chē)架焊接處需要承受較大的力。

本文分析的伸縮式半掛車(chē)車(chē)架主要是用來(lái)運(yùn)載集裝箱，在實(shí)際行駛過(guò)程中載荷是先由貨物傳給集裝箱再由集裝箱傳給車(chē)架。而根據(jù)該半掛車(chē)使用情況，伸縮架部分并未出現(xiàn)較早的疲勞破壞，因此通過(guò)對(duì)比兩種分析結(jié)果可知，考慮集裝箱剛度的車(chē)架仿真分析更符合這一類(lèi)半掛車(chē)車(chē)架的實(shí)際使用情況。

從圖9可知，12.192m車(chē)架壽命最短在后軸左中支架與車(chē)架連接處，仿真循環(huán)次數(shù)為52600次，其1次循環(huán)所行駛的距離為375m，因此其行使里程壽命約為19725km。從圖11可知，13.716m車(chē)架壽命最短在前部鵝頸部分與牽引板連接處，仿真循環(huán)次數(shù)為336100次，其行駛里程壽命約為126038km。通過(guò)對(duì)比可知，在運(yùn)載相同質(zhì)量的貨物時(shí)，由于伸縮前、后車(chē)架載荷分布的差異，致使12.192m車(chē)架比13.716m車(chē)架更早出現(xiàn)疲勞破壞。由中集集團(tuán)伸縮式集裝箱半掛車(chē)（THT9382TJZ）使用用戶(hù)反映的易損件可知，其車(chē)架主要破壞的位置一般發(fā)生在后軸支架與車(chē)架連接處、牽引板與車(chē)架下翼板焊接處和縱梁變截面過(guò)渡區(qū)等位置，這與本文疲勞仿真分析的危險(xiǎn)位置基本相同，一定程度上驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)束語(yǔ)

以可伸縮集裝箱半掛車(chē)為研究對(duì)象，在有、無(wú)考慮集裝箱剛度的兩種情況下，結(jié)合材料的S-N曲線、結(jié)構(gòu)單位載荷應(yīng)力結(jié)果和車(chē)架載荷譜分別對(duì)伸縮式車(chē)架進(jìn)行疲勞壽命分析。結(jié)果表明，在運(yùn)載相同質(zhì)量的貨物時(shí)，12.192 m車(chē)架的使用里程數(shù)明顯少于13.716 m車(chē)架，因此在不考慮油耗等其他限制因素條件下，使用較長(zhǎng)的車(chē)架運(yùn)載貨物可以有效增加車(chē)輛的安全行駛里程。

1 程志翔，朱正.伸縮式集裝箱運(yùn)輸骨架半掛車(chē).中國(guó)，200720311776.0，2007.12.25

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