低货台半挂车车架有限元
分析报告
设计：张平霞
张平霞
zpx164@
低货台半挂车车架有限元分析报告
摘要
低货台半挂车车架几何结构特殊，各构件应力分布也很特殊，难以用常用的计算公式加以计算，其中主纵梁是该半挂车的主要承载部件，本文采用COSMOSWORKS 有限元分析软件对某低货台半挂车车架进行两种载荷工况荷的强度、刚度分析，计算出车架的载荷和应力分布，为设计提供了准确的理论依据，同时可指导进一步改进整个车架结构，实现车身的优化设计。
一、项目介绍
低货台半挂车是一种低承载面、大吨位的半挂运输车，主要用于运输挖掘机、推土机、压路机等大型工程设备。
在该车中主纵梁贯穿整个车身结构，将所有的横梁联接成一体，共同承受载荷，并将载荷传递到牵引销及车桥，是半挂车的重要承载部件（见图1）。
也是半挂车最容易破坏的部件。
因此对其进行强度分析，并加以 改进，可大大提高半挂车的承载能力，满足用户的使用要求。
但由于该纵梁几何结构特殊，为一变截面变轴线的鹅颈式结构，并且应力分布非常复杂，所以在以往设计时多采用经验公式进行计算，或待试验后根据实验结果进行修正，不能准确地计算出各部分的受力情况，并且周期较长，给合理设计造成了一定的难度。
本文采用COSMOSWORKS 有限元分析软件，可精确地计算出各部分的应力分布情况，找出薄弱环节，为车架的优化设计提供了理论依据。
图1低货台半挂车车架（挂车载货台上部无花纹板）
１．牵引销，２．鹅颈，３．载货台，４．悬挂支座。
１ ２ ３ ４
图2右主纵梁
二、低货台车架有限元模型的建立及网格划分
模型的建立
低货台半挂车的车架主要是由2根主纵梁、11根中间横梁、2根前后横梁和2根边梁组成的焊接件。
根据设计图纸，利用Solidworks三维模型设计软件建立低货台半挂车骨架的实体模型（如图1），图2为右主纵梁。
网格划分
打开COSMOSWORKS有限元分析软件，将所建模型通过接口调入并进行有限元分析工作。
车架的材料参数为：弹性模量E=206Gpa。
单元类型选为Solid（实体），节点数为4，分析类型为Static（静态），Quality （网格质量）为High（优），Global（全局网格尺寸）为78.051mm，Tolerance（误差）为0.5mm，其他选项采用软件的默认值，单元划分结果为：单元数65931，节点数135584，如图3所示。
计算机配置为：CPU主频600MHz，内存为256MB，计算时间为30分钟，网格划分结果如下图。
图3 车架网格图
三、有限元计算
模型假设：在计算时假设各焊接件焊接牢固可靠，无虚焊松脱现象，焊接后残余应力较小，不足以影响车架的承载能力；所载货物按要求均匀分布在挂车载货台上。
工况1：车架静载荷有限元分析
此时半挂车全部车轮均与路面接触，牵引销支撑在牵引车的牵引座上，半挂车的载货台承受56吨的静载荷，半挂车处于静止状态，所以可将车架模型约束如下：将8个悬挂支座及2个主纵梁前下翼板的下平面进行全约束（如图4所示）。
主纵梁
与横梁上平面承受均布载荷为73212N/m2（如图5所示）。
图4车架约束图
图5车架加载图
模型计算结果：
加载完毕后即可进行计算，整个计算过程历时大约5个小时。
由分析图形可知车架最大应力为1.095×108N/m2，位于主纵梁前面变截面处以及悬挂前支座处，如图6所示，车架最大位移变形为2.13mm，如图13所示。
应力最大处
图6车架侧俯视应力图
图8车架悬挂
支座局部视图
图7车架侧仰视应力图
图8车架悬挂支座局部视应力图
图9车架前视应力图
图10右纵梁局部应力分布视图
图11车架前部应力分布局部视图
位移最大处
图12车架侧视位移分布图
图14车架前视位移分布图
工况2：车架左前轮悬空时静载荷有限元分析
此时半挂车左前车轮悬空，其余车轮与路面接触，牵引销支撑在牵引车的牵引座上，半挂车的载货台承受56吨的静载荷，半挂车处于静止扭曲状态，所以可将车架模型约束如下：将6个悬挂支座及2个主纵梁前下翼板的下平面进行全约束（如
图15所示）。
主纵梁与横梁上平面承受均布载荷为73212N/m2（如图5）所示：
图15车架约束图
模型计算结果：
车架最大应力为 1.047×108N/m2，位于主纵梁前面变截面处以及悬挂前支座
处，如图25所示，车架最大位移变形为6.207mm，如图26所示。
图16车架后视应力图
图17车架前视应力图
图18车架侧俯视应力图
应力最大处
图19车架侧俯视应力图
图21车架鹅颈处应力分布局部视图
图22车架主纵梁中部应力分布局部视图
图23车架悬挂前支座处应力分布局部视图
图24车架悬挂前支座处应力分布局部视图
图25车架侧仰视应力分布图
图26车架侧仰视位移分布图
图27车架侧视位移分布图
四、结论
1.从以上分析结果可以看出，在两种工况下，纵梁在悬挂前支座部分处以及与牵引
板相靠近的纵梁前半部分的下翼板，由于纵梁截面尺寸变化较大，所以出现最大的应力，但在第二种工况时最大应力小于第一种工况的最大应力，这是因为在左前轮悬空时，承载力与第一种工况相同而约束改变的结果；对变形量而言第二种工况的最大位移大于第一种工况的最大位移，所以低货台是抗压而不抗扭，如果扭力在继续加大，破坏将会更厉害，车架结构必须改进。
2.在两种工况下，边梁前半部分出现最大的位移变形，其原因是：由于边梁只受横
梁和边梁自身的变形约束，所以导致位移约束较弱，出现最大变形，这也是与实际情况基本相吻合的，因此边梁的扭弯刚度需加强。
存在的问题及改进
该模型在建立时，为了简化模型加快计算速度，忽略了钢板弹簧和牵引销的影响，而对相关部件（悬挂支座及主纵梁前部下翼板的下平面）进行了全约束，但在半挂车的实际使用中半挂车是可以绕牵引销作前后、左右方向的旋转运动的，并且纵梁上的悬挂支座也可以
绕车轴作一定的旋转运动，
所以在实际中这两处的约
束会减弱，因此主纵梁在这
两处所承受的应力会减弱，
但边梁的变形会增大。
基于
此应在半挂车鹅颈后部加
一横向拉板，以减少边梁前
部的变形（如图28）；在边
梁中部与纵梁下部之间加
斜撑以减少边梁中部的变
形，并增大整车骨架的刚
度。
图28 改进后低货台半挂车车架模型
总之，通过该软件进行分析可明显看出整车的最大变形量，以及刚度薄弱的部位，并可以找到最大应力区，验证强度是否满足要求，以加以改进。
张平霞
zpx164@。