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[有限元分析] 专用车CAE技术专题案例二——半挂车车架结构有限元分析

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150550 发表于 2019-1-28 11:50:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
150550
2019-1-28 11:50:00 264 0 看全部
  半挂车车架作为主要承载件,承受着车内外的各种载荷,其可靠性关系到半挂车能否正常行驶,以及半挂车的安全性,是影响整车性能的关键部件。运用有限元方法,在设计初阶段对车架进行强度、刚度校核,有助于缩短车架开发周期;同时,对强度、刚度足够富余的位置进行减材料设计,实现车架轻量化设计,提升半挂车整体性能。

  图1所示是市场某款半挂车车架,额定载重量34t。本案例将对车架施加多种工况下的边界条件和载荷,进行静力学分析,校核强度和刚度是否满足要求,为后续的结构优化打好基础。
   专用车CAE技术专题案例二——半挂车车架结构有限元分析20

  图1半挂车车架叁维模型图


  建立仿真模型

  将车架叁维模型导入HyperMesh中进行几何清理和抽取中面。使用板壳单元划分网格,总单元数量433144,叁角形单元占比小于1%。赋予几何材料参数和厚度,车架材料为Q345和Q700,如图2所示。
   专用车CAE技术专题案例二——半挂车车架结构有限元分析25

  图2 车架网格模型


  焊接是主要应用于金属构件之间的一种连接方式,本实例采用hypermesh中seam面板处理焊接结构,以reb3+棱柱实体单元模拟焊接。如图3所示。

  车辆结构有限元分析时,板簧结构的简化对最终分析结果有很大影响,查阅相关文献(柴山,郭明。车辆钢板弹簧悬架的有限元模型),本文采用等效弧形薄板模型模拟钢板弹簧,使用与实际钢板弹簧弧高、弧长、刚度等参数相等的一条纵向弧形薄板来模拟实际的钢板弹簧,采用四边形壳单元划分薄板。如图4所示。
  专用车CAE技术专题案例二——半挂车车架结构有限元分析79  

  图3 HyperMesh模拟缝焊连接的示意图图4板簧等效示意图


  边界条件及工况

  集装箱半挂车在运输过程中存在多种工况,不同工况下车架受到的载荷也不相同。车辆结构的静力学分析一般研究弯曲、扭转、紧急制动、转弯这四种典型工况,这几种工况的边界条件和载荷有所差异。本案例进行静力学分析所选工况的描述如下表1所示:
   专用车CAE技术专题案例二——半挂车车架结构有限元分析38

  表1边界工况描述表


  结果分析

  工况1——弯曲工况

  对车架纵梁与横梁表面施加333200N的集中力,并施加重力加速度9.8m/s^2。
   专用车CAE技术专题案例二——半挂车车架结构有限元分析62

  图5 弯曲工况车架变形云图

   专用车CAE技术专题案例二——半挂车车架结构有限元分析55

  图6弯曲工况车架局部应力云图


  1)最大变形量约为16mm。其原因是由于此处距离前部牵引销和后部悬架较远,刚度较小。

  2)车架板料本身最大应力都未超过345Mpa,主要是焊接处焊核达到了屈服强度,表明该处属于高应力区域。

  工况2——扭转工况

  载荷与弯曲工况相同。释放左前轮板簧底部所有自由度。
  专用车CAE技术专题案例二——半挂车车架结构有限元分析14  

  图7 扭转工况车架变形云图

专用车CAE技术专题案例二——半挂车车架结构有限元分析81   

  图8 扭转工况车架局部应力云图


  1)车架最大变形量约为24mm。车架变形不对称,主要原因是左前轮板簧无约束。

  2)扭转工况下,相比弯曲工况,高应力区域更为明显且增大了。纵梁阶梯处是通过焊接的方式将两个纵梁连接起来,此处受力最大,对焊接要求较高。可适当增加加强筋厚度。

  工况3——紧急制动工况

  集中力:333200N,均匀分布在梁的表面。重力加速度9.8m/s^2。惯性力:GB7258-2017《机动车运行技术条件》规定半挂车满载时紧急制动减速度不小于5m/s^2。本实例取紧急制动加速度5m/s^2。
专用车CAE技术专题案例二——半挂车车架结构有限元分析2   

  图9紧急制动工况车架变形云图

专用车CAE技术专题案例二——半挂车车架结构有限元分析25   

  图10 紧急制动车架局部应力云图


  1)车架最大变形量约为15.4mm。横梁受到集装箱对其惯性力作用,在X方向发生形变,最大值在连接处,大小约2mm。

  2)紧急制动工况下,车架高应力区域与扭转差不多,横梁与纵梁连接处焊核强度满足要求,未出现高应力现象。

  工况4——转弯工况

  集中力:333200N,均匀分布在梁的表面。重力加速度9.8m/s^2。惯性力:惯性加速度3m/s^2。
   专用车CAE技术专题案例二——半挂车车架结构有限元分析75

  图11转弯工况车架变形云图

   专用车CAE技术专题案例二——半挂车车架结构有限元分析41

  图12转弯工况车架局部应力云图


  1)最大变形量约为28mm。由于转弯惯性影响,横梁在Y方向发生形变,大小约20mm。

  2)纵梁阶梯处极少量焊核应力超过700Mpa,部分超过345Mpa。可适当增加加强筋厚度。

  分析总结

  对半挂车车架进行了四种工况下的静力学分析,结论如下:

  1)四种工况下,车架的高应力区域基本相同,主要集中在纵梁阶梯连接处和牵引销连接处。四种工况下都有部分焊核超过材料屈服强度。

  2)车架板件自身强度满足要求,高应力区域主要出现在焊接处,表明需要多关注焊接质量,焊接性能不达标,直接影响车架整体性能。

  3)各工况下的车架变形为:转弯工况28mm>扭转工况24mm>弯曲工况16mm>紧急制动工况15.4mm。变形最大位置主要发生牵引销与第一排板簧之间,主要是原因是此区间没有其他约束支撑,刚度小,易发生变形。可通过调节轴距、纵梁间距以及合理排布横梁位置来提高刚度,从而减小变形量。

  建议

  1)增大纵梁阶梯连接处加强筋的厚度。增大牵引销处横梁厚度。

  2)横梁之间增加连接件,从而提高刚度,如图13所示。
   专用车CAE技术专题案例二——半挂车车架结构有限元分析49

  图13车架修改建议图

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