基于Pro/E 的半掛車車架的結構設計及三維建模

邵宇，吳航，孫智成

（200093 上海市 上海理工大學）

0 引言

隨著交通運輸業不斷發展，汽車運輸效率越來越受到關注。高效的汽車運輸可以帶動經濟快速發展，汽車逐漸趨于專業化[1-2]。半掛車作為我國重要的運輸工具，一直是陸路運輸不可或缺的一環，并且半掛車有逐漸成為主流貨物運輸方式的趨勢。車架是汽車上重要的承載部件，承載著半掛車運載過程中的絕大多數載荷，車架結構性能直接關系到運載過程中的安全性，設計一款結構合理可靠的半掛車車架非常具有挑戰性。隨著我國汽車行業的發展，可靠性良好、結構優越的車架需求日益突出，對汽車的性能要求越來越高。為了滿足日益增長的運輸業需求及尋求更加經濟高效的運輸車輛結構，不斷改進半掛車結構是保證行駛安全的主要措施。

國內外學者針對車架的研究主要是從數值模擬和實驗2 個角度出發的。Caban 等[3]對集裝箱半掛車車架強度進行分析，分析了自卸半掛車車架在吊運位置發生斷裂的原因，提出了誤差產生的原因假設，并計算了半掛車側托的受力和應力值；Zhang 等[4]對半掛車車架進行了有限模態分析，得到了同一車架下不同的頻率特征，并將其與激勵頻率效應進行了比較，所得結論為改進車架設計提供了參考；Slivinsky 等[5]從材料發展角度出發，針對作用于重載道路列車允許增加噸位的需求，對半掛車發展現狀展開總結，開發出了一系列復雜的技術解決方案；Han 等[6]使用Pro/E 軟件設計半掛車車架的三維實體模型，并統計了儲存在網格中的參數信息，在此基礎上，介紹了仿生結構為半掛車車架的設計，并在重量相同條件下，仿生與傳統結構的靜強度進行了對比；肖開政等[7]針對鋁合金材質的運輸半掛車車架進行了有限元分析，模擬了滿載狀態下彎曲、扭轉、轉彎、加速、制動等工況下的結構強度，增加了鋁合金車架結構的可靠性；彭永香等[8]利用有限元軟件ANSYS 對半掛車車架進行計算形變量，分析了縱梁的剛度,加深了車架縱梁結構的理論研究，并分析對應載重下半掛車車架縱梁的強度要求；丁群燕[9]為了防止共振的產生，運用有限元法對半掛車車架進行了多模態分析，得出各階模態的特有頻率，分析了車架結構的多模態特性；鄒東文等[10]針對傳統方法裝配的零件模型修改后裝配位置不能隨之發生相應變化的問題，提出基于裝配特征的半掛車車架快速裝配方法，并根據該方法開發出車架快速裝配系統，提高了裝配的準確性和靈活性。

本文針對半掛車車架在運輸過程中容易開裂的現象，設計一款可靠的安全的半掛車車架。通過Pro/E 軟件對40 t 載重的半掛車車架的縱梁、橫梁及副支撐梁進行設計并完成三維建模，并將三者裝配，完成車架設計。除此之外，運用MATLAB 軟件對簡化的半掛車車架縱梁進行車架危險截面確定以及強度校核。

1 半掛車架建模分析

1.1 車架縱梁和橫梁設計

半掛車對于縱梁強度剛度要求很高。半掛車的縱梁材料一般選用16MnL，以保證縱梁具有很強的抗彎曲性能[11]。本文構建的平板式車架的縱梁長度為10 500 mm，縱梁主截面高為450 mm，上下翼板的尺寸為144 mm×20 mm，腹板厚度為20 mm。車架的前懸長1 000 mm，后懸長750 mm。車架縱梁主截面是工字型，具體結構如圖1 所示。

圖1 車架縱梁三維圖Fig.1 Three-dimensional diagram of frame rail

橫梁的主要作用是連接左右縱梁，橫梁位置的合理布置可以大大改善車架所受內應力，提高車架工作的可靠性。為了防止整個車架的抗扭轉剛度減弱，設計了3 種不同結構的橫梁，即前橫梁、內置橫梁以及副支撐梁。半掛車車架橫梁均采用沖壓的方法加工完成，3 種橫梁的材料均選用P510L。圖2、圖3、圖4 分別是3 種橫梁的建模三維圖。

圖2 前橫梁三維圖Fig.2 Three-dimensional diagram of front beam

圖3 內置橫梁三維圖Fig.3 Three-dimensional diagram of built-in beam

圖4 副支撐梁三維圖Fig.4 Three-dimensional diagram of auxiliary supporting beam

1.2 縱橫梁的連接

選擇合理的縱橫梁連接方式對車架本身剛度至關重要。本文選取的車架由2 根工字形截面的縱梁為基體，縱梁間的約束距離為800 mm。并以截面形狀為槽型的前置梁為基礎，每隔1 200 mm 布置剩余橫梁，最后裝配副支承梁以及后保險杠。橫梁與縱梁的連接方式為貫穿連接，橫梁貫穿縱梁腹板。此種連接方式可以在縱梁發生縱向方向的變形時，縱梁和橫梁之間會發生相對運動，可以有效消除應力集中。并且其減少了焊縫，使焊接變形減少。車架經過Pro/E 三維模型的創建，半掛車架三維圖如圖5 所示。

圖5 車架裝配圖Fig.5 Frame assembly drawing

2 縱梁強度計算

由于縱梁承載了車輛載貨過程中絕大多數載荷，本文基于MATLAB 軟件將半掛車車架縱梁簡化為支承在牽引銷和后軸上的簡支梁計算，并完成強度分析計算。簡支梁的受力分析如圖6 所示。

圖6 簡支梁的受力分析Fig.6 Stress analysis of simply supported beams

車架總質量為6 400 kg，經計算得車輛滿載時整個車架承受的縱向單位長度均勻載荷qa=3.584×104N/m，FA=1.383×105N/m，FB=2.380×105N/m。

2.1 強度計算

滿載時進行縱梁強度檢核：設前懸長l1=1 m，La=10.5 m，L=6.72 m，Lk=2.78 m。由平衡力矩∑MA=0 可得：

得到FB=152 320 N。

2.2 剪力和彎矩計算

根據車架均布載荷圖，將車架分為CA、AB、BD 三個部分。3 個部分求解剪力、彎矩的方程和計算域如表1 所示。

表1 縱梁剪力、彎矩計算方程及計算域Tab.1 Longitudinal shear and bending moment calculation equation and calculation domain

由MATLAB 可得3 個階段的剪力圖和彎矩圖分別如圖7、圖8 所示。

圖7 縱梁剪力圖Fig.7 Longitudinal shear diagram

圖8 縱梁彎矩圖Fig.8 Longitudinal bending moment diagram

通過MATLAB 計算出：在CA 段內的最大彎矩為1.792 0×104N/m，在AB 段內的最大彎矩為4.76×105N/m，BD 段內最大彎矩為1.98×106N/m，由圖8 可知，最大彎矩出現在BD 段。

2.3 確定危險截面及強度校核

由于變截面、最大彎矩處容易出現危險截面，分別取距車架前端的距離為1.75，3.00，10.50 m的3 個截面作為危險截面分析。參見圖9 和表2。

圖9 縱梁截面示意圖Fig.9 Section diagram of longitudinal beam

表2 危險截面參數Tab.2 Dangerous section parameters

由抗彎截面系數計算公式ω=（BH3-bh3）/6H得3 個截面抗彎截面系數分別為ω1=7.45×10-3m3，ω2=4.27×10-3m3，ω3=4.27×10-3m3。各截面彎矩分別為M（1）=113 120 N/m，M（2）=286 720 N/m，M（3）=152 320 N/m。彎曲應力等于彎矩與截面系數的比值，則3 個截面的彎曲應力分別為σ1=151.84 MPa，σ2=67.12 MPa，σ3=35.66 MPa。

對于工字梁截面，其腹板上的剪切應力可以看成是均布的，所以各截面的剪切應力可由公式τ=Fs/σ2gh 得出為：τ1=44.8 MPa，τ2=13.54 MPa，τ3=0 MPa。分析可知，許用應力為

其中：σs——材料屈服應力。n1——疲勞系數（1.2～1.4）。n2——動載系數（1.8～2.2）。本車縱梁的材料選取P510L，其屈服極限為σs=395 MPa，所以許用應力為[σ]=187.87 kPa。

通過上述計算，半掛車車架縱梁的強度符合材料要求。

3 結語

本文設計了一款裝載質量為40 t 的半掛車車架，該車架適用于平板式車型，主要用于鋼材、大型工程設備的運輸。經過計算校核，證明車架符合強度要求，設計的車架縱梁很好地符合了材料的強度要求。