新型全承载式半挂车车身结构设计

1 前言

随着我国经济的飞速发展和基建项目的不断投入，半挂车作为运输能力强、实载率高、物流成本低的有效工具，已成为国民[1]经济中不可或缺的重要运输装备。近年来，国内众多的半挂车生产企业为了在区域市场占有较高的份额，纷纷投入研发力量，结合地区市场特点，开发出适应于本区域市场的产品。

山西省晋中市拥有全国最大的玻璃器皿生产出口基地，年出口量达4 000万件以上，是当地的支柱产业。由于产品主要用于出口且企业距离港口较远，通常采用普通厢式半挂车或低平板半挂车进行运输。因玻璃器皿质量轻且运输时所需空间较大，用普通厢式半挂车运输既浪费了载荷的有效利用率，又因车厢空间限制而不得不进行多次运输，这种模式导致车辆管理混乱和运输成本增加；而采用低平板半挂车运输时，由于货物堆积较高易发生“散货”等交通事故，不仅给企业造成较大的经济损失，也给公路上其他过往车辆带来严重的安全隐患。为此，本文介绍了一种新研制的玻璃器皿专用运输半挂车，可以有效降低玻璃器皿生产企业的物流成本。

2 新车型的结构功能和经济效益

该车型采用全承载式车身结构，使整备质量大幅减轻的同时又增大了载货容积，且其较低的燃油消耗率和较高的安全性能得到了当地用户的认可，其半挂车骨架模型如图1所示。

图1 全承载式半挂车骨架模型

该车全长10.5 m ，设计载荷23 t ，有效载货容积55 m 。车身底架采用双龙骨结构，主要由小截面矩形管材组焊而成。小截面管[2]材一般抗弯和抗扭能力较弱，但承受沿杆轴向力的能力较强。因此通过合理的结构设计，可使半挂车在行驶过程中产生的弯曲、扭转力均转化为杆件的轴向力。这样，只要管材自身强度足够，刚度也必定满足。

由于未采用传统的工字型或槽型纵、横梁的车身结构，在承载能力不变的情况下全承载式结构可使半挂车自重降低近35%。[3]有数据显示，车辆自重每降低1 000 kg ，可降低油耗6%~7%，而该车型在增加了15.5%货厢容积的同时燃油消耗约降低了22%，总体运输成本显著下降。

车身底架中部设有两个独立的贯通式货舱，其容积总量为

3

+中图分类号：U469.53.02 文献标识码：A 文章编号：1004-0226(2011)06-0056-02

新型全承载式半挂车车身结构设计

Structure Design of New Monocoque Semi-trailer Body

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王伟 王铁 申晋宪

1WANG Wei et al

1.太原理工大学车辆工程系 山西太原 030024

2.太原长安重型汽车有限公司 山西太原 030032

摘 要：介绍了新型全承载式玻璃器皿专用运输半挂车的结构功能，运用有限元软件ANSYS12.0对车身模型进行静力学和模态分析，验证了该车型结构安全可靠，并提出了全承载式车身设计时应注意的相关问题。

关键词：全承载式车身 半挂车 有限元 结构设计 轻量化

Abstract The structure function of new monocoque semi-trailer is introduced. The model of the monocoque semi-trailer is setup and the static strength analysis and modal analysis is made by engineering analysis software ANSYS12.0, then checking the strength of monocoque body is satisfied. Finally, some problems imperatively concerned when the monocoque body is designed were raised.Key word monocoque body; semi-trailer; finite element; structure design; lightweight 第一作者：王伟，男，1985年生，硕士研究生，车辆工程专业(专用汽车方向)。

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37.54 m ，达到同等车长的高三级客车行李舱技术标准，该设计方案既增加了整车的载货容积，又降低了满载时整车的质心高度。采用双后桥结构，可按客户需要选装钢板弹簧或空气悬架。车身底架尾部设有内嵌式工具箱，使其桁架空间得到高效利用。车身底架如图2所示。

图2 全承载式半挂车车身底架简图

3 车身模型有限元分析

车身骨架杆件为小截面矩形管材，尺寸规格(mm)：。管材材料为20#优质碳素结构钢，其材料性能参数：屈服极限ρ=240 MPa ，强度极限σ=410 MPa ，弹性模量ε =2.06×1 MPa ，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 800 3kg/m 。

采用典型工况对车身有限元模型进行静力学分析。从分析结果中得到，弯曲工况σ=195 MPa ，出现在车身底架第一独立货smax 仓的前立柱处；弯扭工况σ=218 MPa ，出现在车身底架独立货smax 仓一侧的中间立柱处，由材料性能参数可知车身结构满足强度要求。

对车身有限元模型进行模态分析，并提取前6阶自由模态的计算结果（见表1），部分振形如图3、4所示。

30×20×2、30×30×2、30×50×3和30×60×35

0s b 表1 车身自由模态计算结果

阶次频率，Hz 振形特性123456

7.069.3410.7112.1914.7415.78

整体1阶扭转顶盖侧弯整体1阶弯曲整体2阶扭转整体2阶弯曲顶盖局部凸起

图3 车身整体1阶弯曲振形车身结构的动态刚度特性通常用车身结构的低阶自由模态的固有频率来表述，主要考察车身模型的整体1阶弯曲和整体1阶扭转频[4]率是否分布在合理的范围内，两种固有频率是否发生耦合。从表1计算结果可知，新开发车型的车身有限元模型的1阶整体弯曲和1阶整体扭转频率均分布在合理的范围内，由此避免了整体发生共

振的现象，同时1阶整体弯曲和1阶整体扭转固有频率错开了1.5 Hz 以上，可有效防止低阶弯曲频率和低阶扭转频率的耦合效应。

4 设计环节

考虑到车身受载时力流的扩散形式，采用封闭环结构为最佳方式，即车厢顶盖上的弧形横梁与两侧围的立柱和底架横梁构成一个封闭环，利用纵向构件（如顶盖纵梁、腰梁和底架纵梁）将这些封闭环连接起来，从而构成一个刚性很强的空间框架结构，但车身侧围无法设计成货厢门而影响货物的装卸效率。为弥补这一缺陷，将车身前后围均设计为厢门，货物装卸时半挂车与牵引车分离，装卸完毕后再将其由牵引车拖走。

全承载式车身结构设计过程中还应注意以下几个方面：a. 车顶横梁杆件布置应与侧围立柱相对应，且适当增加车顶横梁材料的抗弯、抗扭强度规格；

b. 车顶纵梁在车顶承载中的贡献度较低，可适当降低其材料规格；

c. 合理选取车身侧围上下腰梁间距，在两腰梁间设计适当的斜撑，以提高侧围的承载能力；

d. 车身底架上悬架支撑处的结构应合理加强。

5 结语

通过对新开发的全承载式半挂车车身进行结构分析和有限元计算，验证了该车型不仅在轻量化和大容积设计等方面较国内普通厢式半挂车有明显优势，而且在结构上满足设计使用要求。并提出了在全承载式车身结构设计过程中应注意的一些重要环节，而对于车身的结构优化和生产工艺的精进方面还有待于进一步探讨与研究。

参考文献

[1] 徐达,丛锡堂.专用汽车构造与设计[M].北京:人民交通出版社,2008.

[2] 姚成,朱铭.承载式客车车身结构设计[J].中国客车行业发展论坛2007年中国客

车学术年会论文集,2007:46-50.

[3] 范叶,杨沿平,孟先春等.汽车轻量化技术及其实施途径[J].汽车工业研

究,2006(7):40-42.

[4] 林凯.全承载式客车车身两种结构方案的探索与研究[D].吉林大学硕士学位论

文,2007.

收稿日期：

2011-03-17

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