铝合金骨架半挂车轻量化设计与研究

发表时间:2021/5/10   来源:《建筑科技》2020年10月下   作者:刘洪杰
[导读] 现如今,我国的社会经济在迅猛发展,社会在不断进步,车架总成是整车的主承载结构件,并承受着多变载荷。研究车架的承载特性是结构设计的基础。以一款现役铝合金集装箱运输半挂车车架为研究对象,根据相关标准及技术要求对其铝合金骨架结构的强度和刚度进行了有限元分析,并模拟了满载状态下弯曲、扭转、转弯、加速、制动等工况下的结构强度,为其结构可靠性的优化提出了理论依据。

山东锦德荣工业装备有限公司       刘洪杰   271100

摘要:现如今,我国的社会经济在迅猛发展,社会在不断进步,车架总成是整车的主承载结构件,并承受着多变载荷。研究车架的承载特性是结构设计的基础。以一款现役铝合金集装箱运输半挂车车架为研究对象,根据相关标准及技术要求对其铝合金骨架结构的强度和刚度进行了有限元分析,并模拟了满载状态下弯曲、扭转、转弯、加速、制动等工况下的结构强度,为其结构可靠性的优化提出了理论依据。结果表明,文中提出的铝合金骨架半挂车设计方案在满足国家标准及法规的前提下,可有效降低整备质量458kg(相较于同类钢挂车),符合新形势下对商用车轻量化的需求,可实现降低能耗及铝合金的绿色发展。
关键词:轻量化设计;铝合金半挂车;有限元分析;结构优化
        引言
        在物资交换的运输方式中,半挂车以灵活、高效的特点在运输领域扮演着越来越重要的角色,半挂车车架作为半挂车最重要的部件,承载着半挂车自身和外部的各种载荷,由于运行的道路比较复杂,车架的受力也相当复杂,因此要保证半挂车车架具有足够的强度和刚度。在满足车架强度和刚度的情况下,铝制车架相比钢制车架能够减轻重量,提高运输效率,大幅降低物流成本。因此,铝制车架的研究与应用是现在非常重要的方向。目前,半挂车的设计基本都是根据经验,缺乏理论依据。本文以某厂生产的铝合金半挂车车架为研究对象,利用三维设计软件建模,再将三维模型导入有限元软件进行前处理及求解计算,通过有限元静态分析,得出车架满载时,在不同工况下的变形和应力分布,为此类车型以后的设计和改进提供理论依据。
        1设计依据
        车架受力极为复杂。车辆静止时,它在支承装置和行走系统支撑下,承受上装及载荷的重力,引起纵梁的弯曲和局部扭转,如路面不平,车架还将呈现整体扭转。车辆行驶时,载荷和上装自重及来自牵引车的牵引力、转向力、制动力等使车架各部件承受着不同方向、不同程度和随机变化的动载荷,车架的弯曲、局部和整体扭转将会更加严重,同时还会出现侧弯、菱形倾向,以及各种弯曲和扭转振动。牵引座板与支架是主要受力部位,车辆行驶过程中鞍座与牵引座板为面接触,路面传来的交变载荷通过鞍座传递给牵引座板和支架,造成冲击.因此,牵引座板和支架设计时需重点关注。本文将利用有限元分析工具模拟满载状态下弯曲、扭转、转弯、制动各种工况,并重点分析鞍座连接处结构强度。
        2铝合金骨架半挂车轻量化设计与研究
        2.1有限元网格模型
        有限元的网格采用离散分块代替的理念,以建立所需求解的未知量与各个网格节点之间的相互关系,近似于一种连续体的单元集合。目的都是为了近似表示单元的强度值、刚度值等物理特性,再依据一定的原理(变分原理、变形协调条件、连续条件及能量原理)集合在一起,引入初始条件,进而构造一个可以表示每个单元节点关系的方程组,以描述整个连续体的性质。
        2.2扭转工况
        当半挂车在行驶过程中时,车架受到非对称载荷的作用,产生静态扭矩,即出现扭转工况,此时,半挂车车架发生扭转后将产生应力及变形,可用来评价车架结构的可靠性。而扭转工况是车身结构可靠性分析中较严苛的一种工况。通过仿真运算,车架最大应力出现在车架与悬架的连接位置,应力值为241.4MPa,且低于材料的屈服强度。因此,车架具有较好的使用可靠性。



        2.3满载弯曲工况
        满载弯曲工况是模拟半挂车满载在良好路面上静止或匀速行驶的情况,为了使模拟情况与实际运行情况接近,需要对车架进行约束处理,具体约束边界条件是:约束6个轮心点X、Y、Z和RX方向自由度;同时牵引销上设置X、Y、Z、RX、RY和RZ方向自由度约束;而在牵引座底面设置Y、Z、RX、RY和RZ方向自由度约束。根据强度理论,当应力值达到材料的强度极限(或屈服极限)时,材料就会发生断裂破坏(或塑性变形)。车架作为机械结构,其车架的各部分的应力值也不能超过材料的许用应力极限。根据第四强度理论选择VonMises应力进行强度评价。
        2.4水平弯曲工况
        水平弯曲属于半挂车在水平道路上行驶中车架的主纵梁结构在满载工况下表现的垂直挠度,即车架垂直方向的最大位移量。该车架牵引销处至后悬架轮胎中心距离为8700mm,当半挂车所有轮胎均着地且受力相等时,其挠度的容许值为34.8mm。施加载荷和约束后,对有限元模型进行求解。水平弯曲工况下,半挂车中钢结构部分应力值大于280MPa的区域有1处,出现在鹅颈区域主纵梁内加强板处,其应力值为285.3MPa,小于钢材的屈服强度值(345MPa)。铝结构应力最大值为240.3MPa,有2处,出现在鹅颈区域主纵梁上翼板折弯处,其应力值小于铝材的屈服强度值(260MPa)。由等效位移云图可以得出,全铝主纵梁Z向变形量值为51.0mm,超出标准要求,说明该处需要补强校核。
        2.5转向工况
        该工况模拟车辆转向时车架的受力状态,由于车架结构左右对称,仅考虑右转向工况结构的性能。最大等效应力为267MPa,位于图中所示悬架横梁与纵梁螺栓连接部位,由于螺栓采用刚性单元模拟,导致刚性单元周围应力发生突变,出现应力集中现象,最大形变量为38.8mm。牵引板铝支架同样出现局部应力集中现象,结构最大应力均超过材料的屈服强度。
        2.6车架主体
        车架主体采用传统的梯形非全承载结构,由左右两支纵梁焊合和若干横梁通过铆接和螺接的方式连接,横梁分贯穿横梁和主横梁,分别布置于纵梁的上下部位。1)纵梁焊合纵梁焊合由纵梁和前下翼加强板焊接而成,材料均选用抗拉强度高于310MPa的6082-T6铝合金,纵梁用400mm高的工字梁挤压型材加工而成,前下部经过三段过渡坡面设计,保证受力过程中应力均匀分布,避免应力集中。前下翼加强板通过计算并结合经验值确定合适的厚度和宽度,既可满足变径处抗弯和抗扭刚度,又能将重量做到最低。2)贯穿横梁贯穿横梁组件由工字型贯穿横梁和两端T型板螺接,纵梁腹板上用数控机床加工出工字孔,贯穿横梁穿过工字孔,用螺栓和角铝与左右纵梁连接。这种结构可显著降低地板离地高度,增加纵向抗剪切强度,使车架结构更加紧凑。3)主横梁主横梁组件由工字型主横梁和两端C型连接板焊接而成,通过镀锌短尾拉铆钉与纵梁腹板连接。此连接方式操作简单,铆接后永不松动,可靠性好,跟焊接相比具有一定柔性,抗震性能强,疲劳特性优异。主横梁对于车架抗弯和抗扭能力有非常重要的作用,应在前端、中段、后端合理安置。依据横梁位置不同,有支腿横梁、悬架横梁、后端横梁。
        结语
      综上分析,文中提出的铝合金骨架半挂车设计方案相较于同类钢挂车而言,可有效降低总质量458kg,既达到了节能减排的法规要求,又满足了半挂车轻量化的市场需求。对其进行的三维建模有限元分析结果表明该结构仍存在一定的改进空间。在后续产品改进过程中,可以考虑适当増大鹅颈处加强筋的刚度或者改进相应结构型式来増加此处的强度,避免在长期的使用中造成疲劳断裂现象。同时,对该铝合金骨架半挂车车架的分析、校核与优化也为同类车型的升级迭代提供了参考。
参考文献
[1]乔莉.基于有限元分析的厢式运输半挂车的强度校核[J].机械工程师,2016(12):231-232.
[2]倪元,王春阳.铝型材在客车和专用汽车(挂车)上的应用[J].商用汽车,2011(24):76-82.
[3]翟正锟,崔俊杰,郑伟茂,等.某鹅颈式半挂车车架有限元静态分析[J].中国农机化学报,2014,35(2):175-178.

投稿 打印文章 转寄朋友 留言编辑 收藏文章
  期刊推荐
1/1
转寄给朋友
朋友的昵称:
朋友的邮件地址:
您的昵称:
您的邮件地址:
邮件主题:
推荐理由:

写信给编辑
标题:
内容:
您的昵称:
您的邮件地址: