半掛車牽引座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

蔡玉強(qiáng)，趙 飛，孟 欣，劉迎娟

（河北聯(lián)合大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，唐山 063009 ）

0 引言

作為連接半掛牽引車與掛車必不可少的組成部件，牽引座有著承受半掛車載荷和牽引半掛車的重要作用，同時，還經(jīng)受掛接半掛車時的沖擊，牽引車起步、制動、加速、減速、轉(zhuǎn)向等運行工況，而對牽引座影響起著舉足輕重作用的是半掛車垂直方向的下壓載荷。作為半掛汽車上的重要部件，牽引座的質(zhì)量性能直接影響著半掛汽車的行駛安全性[1]。因此，對牽引座進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析有著重要的意義。

1 牽引座鞍體有限元模型的建立

1.1 有限元建模

據(jù)某公司提供的某90#牽引座的CAD圖紙，利用CREO軟件進(jìn)行三維實體模型的創(chuàng)建，并對相關(guān)部件進(jìn)行簡化。然后將三維實體模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，選用shell181單元進(jìn)行模擬研究。材料為Q345，其材料屬性如表1所示，定義單元屬性和材料屬性后，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到較為理想的網(wǎng)格模型，如圖1所示。

圖1 牽引座網(wǎng)格模型

圖2 牽引座約束處理

1.2 邊界條件施加

根據(jù)牽引座在半掛牽引車上的安裝方式以及牽引座中各個部件的連接情況，對其進(jìn)行如下約束：在兩側(cè)內(nèi)外耳的中心圓孔處的節(jié)點上施加X、Y、Z方向上的移動自由度和Y、Z方向上的旋轉(zhuǎn)自由度，如圖2所示。

表1 Q345的材料屬性

2 牽引座在動載荷作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

在實際的運輸過程中，牽引座受到路面的隨機(jī)激勵作用，也就是所謂的動態(tài)載荷，其產(chǎn)生的作用力比在靜止?fàn)顟B(tài)下的作用力大幾倍乃至幾十倍。根據(jù)假設(shè)的目標(biāo)車速、頻率范圍、設(shè)定的路面等級反求出路面時域激勵，將路面激勵作用到汽車輪胎上，然后依據(jù)動力學(xué)模型仿真出動態(tài)載荷，再將求得的動態(tài)載荷作用于牽引座殼體的上表面，對其進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析。

2.1 路面不平度的功率譜密度

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織用路面功率譜密度Gq(n)來描述路面不平度的統(tǒng)計特性，根據(jù) GB7031-2005《機(jī)械振動 道路路面譜測量數(shù)據(jù)報告》中推薦用式（1）作為路面功率譜密度函數(shù)的擬合表達(dá)式[2,3]：

其中n為空間頻率（單位為cycle/m，等于波長的倒數(shù)）；為路面譜密度不平度系數(shù)；w為頻率指數(shù)，決定路面譜頻率結(jié)構(gòu)；國家標(biāo)準(zhǔn)推薦取w=2；n0參考空間頻率，一般取n0=0.1m-1。我國的路面不平度分為8級，其前4級如表2所示[2]。

表2 路面不平度分類標(biāo)準(zhǔn)

在用空間功率譜密度函數(shù)作為半掛牽引車振動特性分析時的激勵信號，需要將其與半掛牽引車的車速v聯(lián)系起來，對上式進(jìn)行換算就可以得到時間頻率位移功率譜密度函數(shù)[4]：

其中f為時間頻率，v為半掛牽引車行駛速度。

2.2 路面不平度的模擬生成

為了模擬實際路面的不平度激勵，利用隨機(jī)正弦波疊加算法生成時域隨機(jī)路面[3]。由G(f) 得到路面不平度的方差：

將區(qū)間（f1，f2）均分成n個小區(qū)間，則G(f)在整個小區(qū)間內(nèi)的值，可以用每個小區(qū)間的中心頻率處的功率譜密度值來代替，則式（3）可以近似寫成：

其中，iθ 為在[0,2π]上的隨機(jī)數(shù)。

取路面等級為C級，n0=0.1m-1，車速v=11m/s，采樣次數(shù)為每秒1000次，根據(jù)對牽引座進(jìn)行的模態(tài)分析得到其前八階固有頻率如表三所示，為了避免采樣過程中頻率泄露，所確定的有效空間頻率范圍應(yīng)該覆蓋這些頻率范圍內(nèi)的模態(tài)頻率，因此取其頻率的上下限分別為f1=100Hz，f2=550Hz，利用MATLAB軟件編制相應(yīng)程序得到C級的時域路面的不平度[5]如圖3所示。

圖3 C級路面時域激勵信號

2.3 路面激勵作用下牽引座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

在ADAMS中建立半掛牽引車1/4虛擬仿真模型（其理論模型如圖4所示），并導(dǎo)入C級路面時域激勵信號的曲線數(shù)據(jù)，生成如圖5所示的樣條函數(shù)[6]。

表3 牽引座結(jié)構(gòu)的固有頻率

圖4 半掛牽引車的理論分析模型

圖4中M1為車輪質(zhì)量，M2為1/2×（40%滿載半掛車牽引車質(zhì)量），K1為輪胎剛度，K2為懸架剛度，C2為懸架阻尼，X0路面激勵，X1、X2分別為M1M2的位移坐標(biāo)。

在ADAMS建立的虛擬仿真模型上對車輪施加圖5所示的時域路面激勵信號，進(jìn)行30s動態(tài)仿真分析，采集到牽引座表面上的載荷譜（1/2載荷）如圖6所示。

圖5 ADAMS中C級路面時域激勵信號

圖6 牽引座上表面載荷譜

在ANSYS中采用完全法對牽引座進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析[7]。

1）載荷譜加載方式：將圖6所示的2倍載荷譜編成數(shù)組，以表格形式將載荷譜施加到牽引座鞍體上表面，如圖7所示。

圖7 牽引座動載載加載方式

2）計算結(jié)果：我們選取時間步為0.5s、2.5s、10s、30s這四個具有代表性的時間點應(yīng)力、位移云圖，如圖8、圖9所示。

圖8 牽引座在不同時刻的應(yīng)力云圖

圖9 牽引座在不同時刻的位移云圖

在六個時間步中，由于應(yīng)力集中的原因，其最大應(yīng)力都出現(xiàn)在殼體的兩個定位孔處，最大的應(yīng)力值分別為333MPa、179MPa、256MPa、205MPa，并且都在同一位置（節(jié)點編號為2156），其次就是在“開貓”處，以及殼體與框架板的焊接處的應(yīng)力比較大，但是，都小于Q345的屈服強(qiáng)度345MPa。在殼體的圓弧過渡部分的變形最為嚴(yán)重，最大位移為1.14mm，殼體的彎曲變形與其寬度的比值為0.123%<0.2%。所以，結(jié)構(gòu)是安全的。

由上述分析可知，殼體與框架焊接處的剛度比較大，為了實現(xiàn)整體的近似等剛度設(shè)計，可以適當(dāng)?shù)臏p小其框架板的高度或者厚度。

3 結(jié)論

本文通過MATLAB軟件仿真出C級時域路面激勵信號，將其添加到ADAMS的虛擬仿真模型之上，得出施加在牽引座上表面的載荷譜，利用ANSYS有限元軟件對牽引座進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析，得出30s內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變圖，根據(jù)其應(yīng)力應(yīng)變情況判斷了結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，并為后期牽引座輕量化設(shè)計研究以及重型牽引座的設(shè)計開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

[1]楊通順.半掛牽引車牽引座要覽(上)[J].汽車與配件,2004(46):28-30.

[2]韓魯明.基于CAE技術(shù)的某半掛車車架疲勞壽命預(yù)估研究[D].南京:南京理工大學(xué),2007.

[3]黃瑋.汽車車輪動載荷的研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2006.

[4]鄧學(xué)鈞.車輛-地面結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動力學(xué)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2002,32(3):474-479.

[5]郭成超,陶向華,王復(fù)明.車速和路面不平度特性對車路相互作用的影響[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報,2004,25(3):42-45.

[6]孫艷鵬.載重汽車車架有限元分析及優(yōu)化[D].重慶:重慶交通大學(xué),2008.

[7]張洪才,何波.有限元分析－ANSYS13.0從入門到實踐[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.