有限元在國內(nèi)半掛車行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

         國外大的汽車制造廠家對有限元工具的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟寻适。但由于市場相對較小梆甘，國外對半掛車行業(yè)并不是非常重視，半掛車企業(yè)規(guī)模也相對較小匙戚，所以有限元工具的應(yīng)用也并不十分廣泛椎颓。

        在國內(nèi)半掛車行業(yè)，有限元工具的應(yīng)用則很少有潭三。一些院校偶爾為企業(yè)做過有限元計算最阿。從七十年代開始，已經(jīng)有人開始使用有限元計算車架的剛強度[5]玖项。但在九十年代前貌砖，由于軟硬件的客觀條件，半掛車的有限元分析基本上局限于使用梁單元進行模擬[8]惜颇。從九十年代后半期開始皆刺，隨著我國高性能微機的普及和國外商業(yè)軟件的大量進入，國內(nèi)的半掛車研究和分析人員逐漸過渡到使用板殼單元和實體單元[10]。進入二十一世紀芹橡，商業(yè)軟件如ANSYS毒坛、MSC/NASTRAN、Algor等在國內(nèi)院校和企業(yè)得到廣泛應(yīng)用[11]林说，對半掛車的分析越來越精細煎殷。隨著中集車輛集團在國內(nèi)半掛車行業(yè)的迅速崛起，中集對有限元工具的應(yīng)用也基本代表了國內(nèi)半掛車行業(yè)的水平腿箩。目前中集有限元分析覆蓋了從靜態(tài)到動態(tài)豪直，并涉及結(jié)構(gòu)疲勞分析，同時擁有對國際流行的復合材料廂式半掛車的分析能力珠移。

中集車輛集團有限元應(yīng)用現(xiàn)狀

        中集車輛事業(yè)從上世紀末秘密研發(fā)開始弓乙，到2002年正式投產(chǎn)進入專用車領(lǐng)域，至今已快速成長為年產(chǎn)值幾十億的國內(nèi)最大的專用車制造商钧惧。在這其中暇韧，半掛車是最大的一部分，由于中集在集裝箱上的優(yōu)勢傳承叮歧，一開始就緊跟國外市場作两，可以說技術(shù)的起點相當高，但同時也對先進結(jié)構(gòu)的技術(shù)把握提出了更高的要求菌秘。此前袒覆，，國內(nèi)半掛車企業(yè)一般是按照經(jīng)典的材料力學進行強度較核及奋。對日益復雜的半掛車來說鱼虽，已經(jīng)不能通過幾個經(jīng)典公式反映結(jié)構(gòu)的各方面性能，尤其是對局部的應(yīng)力集中等情況基本束手婶祥。這種情況下付准，先進的有限元工具就表現(xiàn)出了其強大的功能。中集從2000年開始買入ANSYS/Structure阴迹，后來又陸續(xù)購進ANSYS/Mechanical模塊泰啼、顯式有限元軟件LS-DYNA和Fe-safe疲勞分析軟件。同時酝浦，考慮到設(shè)計工程師的需要分衫，還購入了Workbench快速分析模塊。目前般此，還有更多的有限元軟件被考慮中蚪战。中集車輛的所有車型都經(jīng)過了有限元分析，解決了大量的現(xiàn)實問題铐懊。從投標邀桑、概念設(shè)計瞎疼、設(shè)計校核到結(jié)構(gòu)優(yōu)化和故障處理，處處可見有限元的身影壁畸。

2.1 半掛車有限元分析分類

    半掛車的有限元分析應(yīng)用涉及從整車到零部件的各方面贼急，根據(jù)我司多年來的應(yīng)用經(jīng)驗，按工況和結(jié)構(gòu)主要可以分為以下幾類：

   （1） 整車

    a) 彎曲捏萍，又分為垂直彎曲和橫向彎曲太抓。

    b) 模態(tài)。

    c) 瞬態(tài)沖擊令杈。

   （2）零部件

    a) 大梁垂直彎曲走敌。

    b) 端橫梁橫向彎曲。

    c) 牽引板疲勞棋眠。

    d) 連接件變形蛙饮。

    e) 保險杠破壞試驗。

    f) 立柱扭轉(zhuǎn)滋样。

    g) 復合材料板承載能力迁搜。

    h) 焊逢應(yīng)力。

    由于半掛車種類繁多督阿，各種類之間差異較大宣葡，這里僅就各類半掛車較通用的工況和結(jié)構(gòu)進行例舉，下面就各分析類進行說明粗啼。

   2.2 整車分析

    圖1為廂式半掛車垂直彎曲工況的分析結(jié)果。

圖2 廂式半掛車模態(tài)分析結(jié)果

        該廂式半掛車是發(fā)達國家物流運輸?shù)闹髁鬈囆驼奘疲囐|(zhì)量輕蘸概，承載能力強。主要是其設(shè)計思想先進羞媳，車身承載悄济，底架無大梁。因此該類車的設(shè)計必須考慮整車的抗彎性能抗扭性能扼菠，這不同于其他類型的半掛車摄杂，因為其他類型的半掛車一般只需考慮底架的抗彎性能就可以了。所以廂式半掛車需要分析靜載彎曲循榆、扭轉(zhuǎn)和模態(tài)析恢。

        原始設(shè)計時該車使用的材料是國外進口的超高強度鋼，我司在對整車的抗彎性能抗扭性能進行全面有限元分析的基礎(chǔ)上秧饮，大膽采用國產(chǎn)的普通高強度鋼進行材料替代映挂，每臺車節(jié)省了數(shù)千元的成本，也降低了零件沖壓加工的難度盗尸。進一步的輕量化設(shè)計使該車整車質(zhì)量降低到6噸以下柑船，而目前國內(nèi)其他廠家的廂式半掛車的質(zhì)量還在7-9噸以上帽撑。

        另外半掛車在使用過程中還有獨特的甩掛工況，即半掛車從牽引車卸下時落地沖擊工況鞍时。圖3為使用LS-DYNA對某型半掛車甩掛沖擊工況的模擬亏拉，可以看到，大梁在支腿連接部受到的瞬時沖擊應(yīng)力是非常大的逆巍，需要引起足夠的重視及塘。

圖3 半掛車甩掛沖擊模擬結(jié)果

2.3 零部件分析

    2.3.1 半掛車大梁

        作為主要承載件其剛度和強度對整車的影響是第一位的，對此設(shè)計必須又充分的重視兰捣。首先槐骂，大梁要滿足強度要求，不僅有均布載荷要求赞亡，也有集中載荷的要求肪躯。

圖4 大梁極限承載殘余應(yīng)力圖

        圖4 示為某型大梁的極限承載殘余應(yīng)力。有限元準確的預(yù)測了在70%最大載荷時生纫，鵝頸局部明顯失效掀舷，計算的殘余變形為27.7mm，實測為28.0mm都陵，兩者是非常接近的幅猖。

        有時對于集裝箱半掛車的大梁的剛度有比強度更嚴格的要求，通常要求在一定的范圍之內(nèi)造轴，不能大不能小梢翼。

圖5 半掛車大梁垂直彎曲工況的分析結(jié)果

        圖5為某型碼頭車的剛度計算。要求同時運輸兩個集裝箱且變形后不干涉胀邀，我司同時進行試驗和計算雪怠，試驗結(jié)果為17mm，誤差在1mm之內(nèi)戚嗅，該客戶此后一直對我司的設(shè)計深信不疑雨涛。

2.3.2半掛車端橫梁

         對于需要運輸集裝箱的半掛車，其端橫梁為直接承載件懦胞，一般情況下都是非常強壯的替久，但是由于某些局部的設(shè)計不合理往往引起局部裂紋。

圖6 半掛車端橫梁橫向彎曲工況的疲勞分析結(jié)果

        圖6為某型半掛車的端橫梁躏尉。在該車使用一年以后蚯根，轉(zhuǎn)鎖孔的各轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)明顯裂紋，雖然不會馬上引起端橫梁失效胀糜，但鑒于端橫梁的重要性稼锅，我們對該部件進行了疲勞分析。分析表明僚纷，轉(zhuǎn)鎖孔設(shè)計不合理矩距，其各轉(zhuǎn)角處的疲勞壽命嚴重不足拗盒。該研究對我司端橫梁的選型和改進起了理論的說明，四年來未再出現(xiàn)類似問題锥债。

    2.3.3 牽引板疲勞

       牽引板作為半掛車的兩個支撐點之一陡蝇，和懸掛具有同等重要的作用。按照美國通行的AAR標準钧鸥，牽引板需要滿足三個極限強度要求面塌，三個疲勞強度要求。我司一方面按照標準進行疲勞試驗膏莽，同時使用Fe-safe 進行疲勞分析嘱疑，對疲勞裂紋趨勢和位置進行了較好的預(yù)測。

圖7 半掛車牽引板橫向推拉工況的疲勞分析結(jié)果

    2.3.4 連接件變形
   
        對于某些特殊的半掛車体六，其結(jié)構(gòu)是可以組合拉伸的仁灶，但是其優(yōu)點也是結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點，圖8示挥桑，為某型車拉伸連接結(jié)構(gòu)豪杉，該結(jié)構(gòu)在某特殊試驗時大量下翼板發(fā)生塑性變形。經(jīng)有限元分析后發(fā)現(xiàn)主要是結(jié)構(gòu)剛度不足达玉，因此對該局部進行了剛度加強豆玖，經(jīng)長期使用未再發(fā)生變形。

                                                                      圖8 半掛車連接件變形的分析結(jié)果

    2.3.5 保險杠破壞試驗

      為了保護乘用車蹲居，國家對貨車類（包括半掛車）的后保險杠有嚴格的要求沙峻，該標準和美國FMVSS 223基本一致，包括強度和能量的吸收兩方面两芳。

圖9 半掛車后保險杠的強度分析結(jié)果

        LS-DYNA的模擬結(jié)果和試驗非常接近摔寨，這對于我司開發(fā)符合中國和美國要求的后保險杠都有非常積極的指導意義。

2.3.6 立柱扭轉(zhuǎn)破壞試驗

        對于廂式半掛車來說盗扇，其上部結(jié)構(gòu)中四個角立柱是主體框架的主要承載件祷肯，一般情況下是足夠強壯的沉填。

        但如果側(cè)墻為開放性結(jié)構(gòu)疗隶，則顯得單薄，所以這時候需要考察其抗彎和抗扭兩性能翼闹。圖10某型廂式半掛車的角立柱的扭轉(zhuǎn)破壞試驗斑鼻，有限元模擬的結(jié)果趨勢對破壞形式預(yù)測和試驗一致。有限元分析結(jié)果對隨后結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計給出了具體的形式和尺寸猎荠，該車經(jīng)長期使用相當可靠坚弱，其剛度好，承載能力強关摇。

                                                                  圖10 半掛車立柱扭轉(zhuǎn)破壞試驗的模擬

    2.3.7 復合材料板承載能力試驗

        作為發(fā)達國家主流半掛車的廂式半掛車荒叶，廂體材料使用復合材料板已經(jīng)非常普遍晾晕。中集從一開始就非常重視車用復合材料的開發(fā)，種類目前已相當齊全钻字。由于復合材料的復雜性窃等，在使用和試驗過程中其中心夾層的情況是不可測量的，一般只有在割開表層金屬后才能了解哈痘。因此使用有限元進行復合材料的分析具有先天的優(yōu)勢淀准，可以隨時對各組成層進行詳細的描述，結(jié)果具有可視性鼎派。更重要的是可以對各層的材質(zhì)烁讨、密度和厚度進行選擇，然后預(yù)測板的整體性能和局部應(yīng)力径候，這種可預(yù)測性對復合材料板的開發(fā)設(shè)計是非常重要的么养，是傳統(tǒng)的實驗摸索法不可比擬的。圖11 示是某型復合材料的彎曲實驗?zāi)M結(jié)果伦秀，計算預(yù)測中心層將在0.33*payload時斷裂月锅，實驗中在0.34*payload時出現(xiàn)斷裂聲。

圖11 半掛車復合材料板彎曲試驗的模擬

2.3.8 焊逢應(yīng)力分析

圖12-1 原始方案焊逢應(yīng)力

圖12-2 改進后焊逢應(yīng)力

圖13焊逢方案的改進

        在半掛車結(jié)構(gòu)中大量使用焊接作為零部件主要的連接形式泞当。根據(jù)前人的研究知道迹蛤，焊逢形式、焊逢長度等因素對應(yīng)力的影響巨大襟士，最壞的結(jié)果表現(xiàn)為不是應(yīng)力集中就是失效撕裂盗飒。圖12示焊逢應(yīng)力在焊逢結(jié)構(gòu)略微修改后迅速下降，達到強度要求陋桂。

        由上實例可見逆趣，有限元工具在中集車輛集團的半掛車產(chǎn)品的研發(fā)過程中發(fā)揮了重要的作用，具體總結(jié)如下：

    1) 它使整車產(chǎn)品的概念設(shè)計趨于合理方案嗜历；

    2) 它在強度校核的基礎(chǔ)上為產(chǎn)品的改進和定型提供了理論支持宣渗；

    3) 它為零部件的精益設(shè)計給出了一系列優(yōu)化建議；

    4) 同時它對局部失效提出了有效的改進措施梨州，在此基礎(chǔ)上使中集車輛產(chǎn)品更成熟和先進痕囱；

    5) 最重要而直接的貢獻：有限元工具保障了中集車輛半掛車產(chǎn)品機械結(jié)構(gòu)無大故障發(fā)生。

        綜上所述暴匠，中集的半掛車事業(yè)已經(jīng)做到了國內(nèi)第一鞍恢，正向世界第一邁進。有限元工具在中集集團從隨著車輛事業(yè)的發(fā)展而發(fā)展每窖，其應(yīng)用日益廣泛溶隅，在中集車輛產(chǎn)品開發(fā)的中發(fā)揮了實際而有效的作用，未來將為中集車輛日益豐富的產(chǎn)品線提供更完善更先進的技術(shù)支持

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