鋁合金骨架半掛車輕量化設計與研究

肖開政

（福建省閩鋁輕量化汽車制造有限公司，南平354200）

0 前言

近年來全球市場對于節能減排的法規越發嚴格[1]，且我國對超載超限等違規運輸的打擊力度不斷加大，鋼制掛車結構過于笨重的問題會越發明顯，僅僅滿足車架的承載性已不具備有足夠的競爭力[2]。此時車架的輕量化趨勢便顯得尤為重要，它不僅能提高產品的市場競爭力，還能節約材料及成本，也符合當今建設節約型社會的主題。為此，促進運輸車領域的輕量化進程有著重要的意義，而鋁合金輕量化正是實現汽車輕量化的重要途徑之一，且效果最為明顯[3-5]。由此，鋁合金半掛車車架已成為當今專用車行業研究的熱點。中集集團推出的一款鋁合金液體運輸半掛車的罐體和行走機構均采用全鋁合金材質制造，有效降低了整備質量。晟通汽車相應發布了一款48英尺全鋁集裝箱運輸半掛車+16.5 m復合板箱體，采用了全鋁承載式車身，具有整車質量輕、重心低、載貨量大等優點[6-7]。

然而，伴隨著半掛車制造商的不斷增加，同類掛車產品的競爭也越發激烈。制造技術雖有創新，但是設計依據大多依靠以往經驗，缺乏理論依據。本文調研了國內外相關車架的輕量化文獻資料，在此基礎上，結合本公司的一款鵝頸鋁合金骨架半掛車的研發產品為分析對象，基于有限元分析軟件ANSYS 對其進行結構強度分析，以獲得半掛車在不同運輸過程中可能出現的四種典型工況下的最大應力及位移變形量，并提出了強度校核措施。

1 設計依據及結構特點

基于我司45 尺全鋼掛傳統車架構的設計思路，依據Q/M S00047-2012《載貨汽車車架設計計算及考核規范》、《GB 7258-2016 機動車運行安全技術條件》等各項安全標準的要求對鋁合金骨架半掛車的車架結構進行了理論設計。

車架總成為鋁合金縱梁與鋁合金橫梁采用高強度鋼鉚接和焊接結構，由全鋁主縱梁、橫梁、牽引機構、前后端梁、防護總成、懸掛系統及行走機構總成等組成。車架主要型材采用6082-T6 鋁合金材質（ρ=2.7e-9 t/mm3，μ=0.33，σs=260 MPa），側防護及局部非承重構件采用6061T6 鋁合金（ρ=2.7e-9 t/mm3，μ=0.33，σs=240 MPa）?？紤]到局部強度需求，對牽引板、懸掛支架采用B510L（Q345B）高強度鋼（ρ=7.9 e-9 t/mm3，μ=0.3，σs=345 MPa）的焊接結構形式。

2 有限元模型的建立

現階段主流的輕量化結構設計與強度分析廣泛基于有限元分析法的結構優化設計，這是一種集計算機科學、理論力學、離散數學等為一體的數值求解分析方法。

2.1 有限元網格模型

有限元的網格采用離散分塊代替的理念，以建立所需求解的未知量與各個網格節點之間的相互關系，近似于一種連續體的單元集合[8-10]。目的都是為了近似表示單元的強度值、剛度值等物理特性，再依據一定的原理（變分原理、變形協調條件、連續條件及能量原理）集合在一起，引入初始條件，進而構造一個可以表示每個單元節點關系的方程組[11]，以描述整個連續體的性質。

根據三維數模的幾何模型，綜合考慮了該款半掛車的結構規模與硬件設備的計算精度后構建了如圖1 所示的有限元模型。網格單元的大小為15 mm，車架采用殼單元，懸架用一維梁單元進行簡化，模型總的單元數為428212個。

圖1 有限元模型

2.2 載荷處理

骨架半掛車在行駛過程中存在多種工況，所受載荷也不相同，靜力學分析一般研究彎曲、緊急制動、轉彎三種極端工況。以GB 50429-2007《鋁合金結構設計》中4.4 結構或構件變形的規定作為參考指標，在半掛車有限元模型中進行重量加載，用質量單元均布在鋁合金車架上，總重36 t。其中，前端梁加載3 t，后端梁加載2 t，主縱梁31 t。

在進行靜強度分析時通常需要考慮一定的動載系數，設定彎曲工況動載荷系數2.0，制動工況和轉彎工況動載荷系數1.3。根據半掛車的實際行駛工況及標準要求，具體工況加載如表1所示。

表1 工況設置

2.3 約束條件

在牽引板上的牽引銷位置約束了XYZ 軸的平動自由度及X 軸的轉動自由度；在后端6 個輪胎處，左側約束Z 軸平動自由度，右側約束Y 軸和Z軸移動自由度。

3 典型工況下的強度分析

半掛車在行駛過程中承受著各種復雜多變的載荷，最終在車架上的表現形式就是一定程度的結構性破壞或較大的塑性變形（疲勞斷裂）。因此，有效的強度分析是設計過程中必須要考慮的。目前市場上主流的半掛車車架為低碳鋼、低合金鋼材料，而近年來開始轉向高強鋁合金材料，這些材料的破壞形式適合采用第三或第四強度理論。本文采用第四強度理論作為車架強度的評判標準，即采用德國科學家馮·米塞斯根據第四強度理論提出的等效應力（又稱為Von Mises 應力）作為評判標準。

半掛車結構強度的有限元分析以靜強度分析為主，得到的應力、位移、應變等參數，通過對比本身的設計強度和剛度指標進行分析、判斷、校核及結構升級改進，以提高同類產品的市場競爭力。

3.1 水平彎曲工況

水平彎曲屬于半掛車在水平道路上行駛中車架的主縱梁結構在滿載工況下表現的垂直撓度，即車架垂直方向的最大位移量。該車架牽引銷處至后懸架輪胎中心距離為8700 mm，當半掛車所有輪胎均著地且受力相等時，其撓度的容許值為34.8 mm。

施加載荷和約束后，對有限元模型進行求解，車架應力云圖如圖2和圖3所示。

水平彎曲工況下，半掛車中鋼結構部分應力值大于280 MPa 的區域有1 處，出現在鵝頸區域主縱梁內加強板處，其應力值為285.3 MPa，小于鋼材的屈服強度值（345 MPa）。鋁結構應力最大值為240.3 MPa，有2 處，出現在鵝頸區域主縱梁上翼板折彎處，其應力值小于鋁材的屈服強度值（260 MPa）。由等效位移云圖可以得出，全鋁主縱梁Z 向變形量值為51.0 mm，超出標準要求，說明該處需要補強校核。

圖2 滿載荷水平彎曲工況下的掛車等效應力云圖

圖3 滿載荷水平彎曲工況下的掛車等效位移云圖

3.2 緊急制動工況

緊急制動以及加速行駛會對滿載半掛車產生一個由承載貨物產生的縱向慣性力，本文按半掛車正常行駛時最大加速度為0.7個重力加速度計算。

如圖4 所示，緊急制動工況下，半掛車中鋼結構部分應力值最大為244.9 MPa，出現在車架尾部區域，其應力值小于鋼材的屈服強度值（345 MPa）。相應的鋁結構應力值最大為176.1 MPa，出現在鵝頸區域主縱梁上翼板折彎處，其應力值小于鋁材的屈服強度值（260 MPa）。由等效位移云圖（見圖5）可以得出，全鋁主縱梁Z 向變形量值為33.07 mm。

圖4 滿載緊急制動曲工況下的掛車等效應力云圖

圖5 滿載緊急制動曲工況下的掛車等效位移云圖

3.3 緊急轉彎工況

緊急轉彎與緊急剎車工況類似，即在半掛車行駛中經常性的急轉彎造成貨物及自身離心力對車架甩掛的影響。大小取側向加速度0.3 g。約束處理方式為釋放前懸以及后懸架吊耳處節點的全部轉動自由度，只保留平動自由度X、Y、Z。其整體等效應力及位移云圖如圖6和圖7所示。

圖6 滿載轉彎工況下的掛車等效應力云圖

圖7 滿載轉彎工況下的掛車等效位移云圖

緊急轉彎工況下，半掛車中鋼結構部分應力值大于280 MPa 的區域有3 處，其中的最大應力出現在鵝頸區域主縱梁內加強板處，為371.3 MPa，超過鋼材的屈服強度值（345 MPa）。車架中鋁結構部分應力值大于260 MPa 的區域有2 處，其中的應力最大值為310.1 MPa，出現在兩主縱梁之間與橫梁連接區域，該應力值大于鋁材的屈服強度值；另一處的應力值為278.4 MPa，出現在鵝頸區域主縱梁下翼板處，略超屈服強度值，說明該處需要補強校核。此外，主縱梁Z向變形量值為31.40 mm。

4 強度校核與設計優化

根據以上應力分析結果，該半掛車車架在緊急轉彎工況下會出現加大的布局應力，對超過材料本身屈服強度的應力值進行整理，得到表2所示的超過屈服強度值的失效區域及失效工況。

表2 失效區域應力最大值

針對表2所示問題，我們對該半掛車車架做了必要的結構優化，對有一定強度冗余的結構進行輕量化的設計，對存在安全隱患的鵝頸部位進行強度補償。以前端梁為例，由于鵝頸處強度偏低，容易造成車架前端在滿載行駛過程中下繞位移過大。較大的變形量使得牽引銷至前端梁處焊縫承受較大的應力而斷裂，如圖8（a）所示，屬于明顯的由焊趾根部向母材擴展的疲勞裂紋。本文通過對鵝頸部分的加強筋板加厚來進行強度補償，即將原先的8 mm 鋁筋板（6082-T6）變更為10 mm 厚度，如圖8（b）所示。此方法可有效提高該部位結構的強度以達到減小應力集中的目的，使鵝頸最大應力值由原先的310.1 MPa下降為229.3 MPa。缺點是應力會轉移至加強版上，局部應力由原來的98 MPa上升至163.7 MPa，但未超過屈服強度。

總體來看，該補強的方式可以在不進行大范圍結構改動的前提下有效地解決局部應力過大的隱患，可行性高且成本較低，為半掛車結構設計提供了一定的指導意義。

5 結束語

綜上分析，文中提出的鋁合金骨架半掛車設計方案相較于同類鋼掛車而言，可有效降低總質量458 kg，既達到了節能減排的法規要求，又滿足了半掛車輕量化的市場需求。對其進行的三維建模有限元分析結果表明該結構仍存在一定的改進空間。在后續產品改進過程中，可以考慮適當増大鵝頸處加強筋的剛度或者改進相應結構型式來増加此處的強度，避免在長期的使用中造成疲勞斷裂現象。同時，對該鋁合金骨架半掛車車架的分析、校核與優化也為同類車型的升級迭代提供了參考。