鋁合金廂式半掛車(chē)有限元分析

祝 哮，李 冰，徐 鑫，張德偉，劉瑞萍，王東輝

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

在中國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，道路運(yùn)輸日趨發(fā)達(dá)的背景下，特種車(chē)輛在汽車(chē)工業(yè)中占據(jù)著重要位置。廂式半掛車(chē)是特種車(chē)行業(yè)內(nèi)相對(duì)常見(jiàn)的車(chē)型[1]。目前市場(chǎng)上的半掛車(chē)多以鋼制為主，為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排、綠色出行的方針政策，半掛車(chē)輕量化刻不容緩。鋁合金因其密度低、比強(qiáng)度高、加工性能優(yōu)及出眾的環(huán)保性能等被廣泛應(yīng)用到半掛車(chē)的制造中去[2]。

半掛車(chē)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，載貨種類(lèi)繁多，運(yùn)行的道路多樣，導(dǎo)致廂式掛車(chē)所受載荷復(fù)雜，因此車(chē)體結(jié)構(gòu)需要具有足夠的強(qiáng)度和剛度以抵抗破壞和變形。

本文采用有限元法對(duì)半掛車(chē)車(chē)架強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，并依據(jù)JT/T 389—2010標(biāo)準(zhǔn)分析廂體剛度，保證半掛車(chē)可靠運(yùn)行的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化。

1 有限元模型的建立

廂式半掛車(chē)車(chē)架采用主縱梁結(jié)構(gòu)，兩根縱梁及橫梁均為“工字型”擠壓型材，廂體框架及廂板為組合模擠壓型材。材料均為Al-Mg-Si合金。主要采用焊接和螺接的方式進(jìn)行連接。建模過(guò)程中，在不影響力學(xué)特性的前提下，對(duì)結(jié)構(gòu)的細(xì)小特征、非承載的附屬部件進(jìn)行簡(jiǎn)化[3]，有限元模型如圖1所示。

圖1 廂式半掛車(chē)有限元模型

2 車(chē)架強(qiáng)度仿真模擬

考慮廂式半掛車(chē)的實(shí)際服役狀況的不同，在不同工況時(shí)，完成車(chē)架及廂體的裝配，對(duì)帶廂體結(jié)構(gòu)的半掛車(chē)進(jìn)行分析。廂式半掛車(chē)的額定載重為30 t，將載荷施加于廂體內(nèi)。

2.1 彎曲工況

彎曲工況主要考慮半掛車(chē)在路面靜止或以恒定速度行駛在路面上時(shí)，車(chē)體的受力及變形情況。當(dāng)路面不平整而顛簸時(shí)，在車(chē)體滿載的情況下，加載2 G的加速度，以保證結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。

車(chē)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖，如圖2所示。

圖2 水平彎曲工況應(yīng)力云圖

可以看出，車(chē)架最大應(yīng)力為183.2 MPa，位于縱梁處。低于材料(6082-T6)屈服極限，車(chē)架結(jié)構(gòu)滿足使用要求。

2.2 扭轉(zhuǎn)工況

當(dāng)半掛車(chē)在行駛過(guò)程中時(shí)，車(chē)架受到非對(duì)稱載荷的作用，產(chǎn)生靜態(tài)扭矩，即出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)工況，此時(shí)，半掛車(chē)車(chē)架發(fā)生扭轉(zhuǎn)后將產(chǎn)生應(yīng)力及變形[4-5]，可用來(lái)評(píng)價(jià)車(chē)架結(jié)構(gòu)的可靠性。而扭轉(zhuǎn)工況是車(chē)身結(jié)構(gòu)可靠性分析中較嚴(yán)苛的一種工況。

通過(guò)仿真運(yùn)算，車(chē)架最大應(yīng)力出現(xiàn)在車(chē)架與懸架的連接位置，應(yīng)力值為241.4 MPa，且低于材料的屈服強(qiáng)度。因此，車(chē)架具有較好的使用可靠性。計(jì)算云圖如圖3所示。

圖3 扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力云圖

3 廂體剛度仿真模擬

由于廂式半掛車(chē)載貨的多樣性及路況的不確定性，廂體結(jié)構(gòu)需具有足夠的剛度來(lái)抵抗變形，以保證不影響其使用功能。根據(jù)JT/T 389—2010要求對(duì)前墻和側(cè)墻進(jìn)行載荷施加，要求載荷卸載后部件的殘余變形不大于12 mm。

3.1 前墻剛度

半掛車(chē)在遇到緊急制動(dòng)等工況時(shí)，廂體內(nèi)的貨物會(huì)對(duì)前墻產(chǎn)生較大的沖擊。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)前墻施加0.4×額定載重的載荷，以壓強(qiáng)的形式加載。仿真分析結(jié)果云圖如圖4所示。

(a)加載；(b)卸載

由圖可知，在前墻施加載荷時(shí)變形為89.3 mm。卸載后，前墻的殘余變形為8.6 mm，小于目標(biāo)值12 mm。滿足法規(guī)要求，表明廂體前墻具有足夠的剛度可抵抗變形。

3.2 側(cè)墻剛度

滿載的半掛車(chē)在發(fā)生轉(zhuǎn)向工況時(shí)，廂體內(nèi)的貨物會(huì)對(duì)側(cè)墻產(chǎn)生沖擊作用。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)側(cè)墻施加0.3×額定載重的載荷，然后卸載。加載和卸載位移云圖如圖5所示。

由圖可知，加載載荷時(shí)變形為86.2 mm。卸載后，側(cè)墻的殘余變形為9.6 mm，小于目標(biāo)值12 mm。滿足法規(guī)要求，表明廂體具有足夠的剛度。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)廂式半掛車(chē)車(chē)架強(qiáng)度和廂體剛度的分析，結(jié)論如下：

1)水平彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下，車(chē)架的最大應(yīng)力均低于材料的屈服強(qiáng)度(安全系數(shù)取2)，滿足材料的強(qiáng)度要求。

(a)加載;(b)卸載

2)廂體前墻和側(cè)墻施加法規(guī)規(guī)定的載荷后，永久變形滿足法規(guī)JT/T 389—2010要求。廂體具有足夠的剛度抵抗變形能力。

綜上，廂式半掛車(chē)在強(qiáng)度和剛度方面滿足30 t載荷的設(shè)計(jì)要求，從而保證半掛車(chē)的可靠使用。