某矿用半挂车车架有限元分析及拓扑优化杜现斌
集装箱半挂车车架结构拓扑优化设计
2005年1月农业机械学报第36卷第1期集装箱半挂车车架结构拓扑优化设计3石 琴 姚 成 马恒永 【摘要】 用AN SYS 软件对某集装箱半挂车车架进行了结构拓扑优化设计。
探讨了拓扑优化设计过程中,基本结构建立、优化过程控制及优化结果分析与应用等问题,分析了AN SYS 软件中有关拓扑优化函数的应用方法。
实现了拓扑优化方法在汽车结构的初始设计过程中的应用。
关键词:集装箱半挂车 车架 结构分析 拓扑优化中图分类号:U 27012文献标识码:ATopology Opti m iza tion D esign of the Fram e of Con ta i nerSem i -dragg i ng TrucksSh i Q in Yao Cheng M a H engyong (H ef ei U n iversity of T echnology )AbstractT h is w o rk is an attem p t to in troduce the op ti m al design of topo logy in the in itial stage of design of con tinuum structu res to ob tain better design of structu res .In th is paper the fo r m u las of hom ogen izati on m ethod is b riefly p resen ted .T he topo logy op ti m izati on of the fram e of con tainer sem i 2dragging truck s by m ean s of AN SYS softw are is carries ou t .T he design p rocess is described in detail .T he p rob lem of deter m in ing the o riginal structu re of the fram e of con tainer sem i 2dragging truck s and con tro lling the p rocess of the op ti m izati on is con sidered .T he resu lt of the topo logy op ti m izati on of the fram e is analyzed .T he app licati on of the techno logy of the topo logy op ti m izati on in the au tom ob ile structu re design is realized .Key words Con tainer sem i 2dragging truck s ,F ram es ,Structu re analysis ,Topo logyop ti m izati on收稿日期:200305193原机械部教育司青年基金资助项目(项目编号:815032)石 琴 合肥工业大学机械与汽车工程学院 副教授,230069 合肥市姚 成 合肥工业大学机械与汽车工程学院 硕士生马恒永 合肥工业大学机械与汽车工程学院 教授 引言结构优化分为结构尺寸优化、结构形状优化和结构拓扑优化(布局优化)。
一种基于有限元强度分析的半挂车结构改进方法
一种基于有限元强度分析的半挂车结构改进方法
王卫清
【期刊名称】《中原工学院学报》
【年(卷),期】2010(021)005
【摘要】用有限元计算方法对某型半挂车主纵梁的强度进行了分析计算. 通过有限元仿真计算,提出了在进行局部加强的同时,采用降低腹板高度,使用细而密的横梁结构的优化方案,能够解决对原来结构的局部应力集中现象,确保半挂车的结构强度.【总页数】3页(P70-72)
【作者】王卫清
【作者单位】泰州机电高等职业技术学校,江苏,泰州,225300
【正文语种】中文
【中图分类】U462.2+2
【相关文献】
1.基于CSR-H规范的大型矿砂船艏货舱结构强度分析改进方法 [J], 杨奇;薛鸿祥;刘洋;蔡忠云;唐文勇
2.半挂车车架有限元强度分析及优化 [J], 杨凤;张雷;刘军
3.半挂车车架的三维有限元强度分析与结构改进 [J], 张红兵;杜建红;等
4.一种基于有限元计算的半挂车强度分析 [J], 王卫清
5.半挂车车架有限元强度分析 [J], 邓楚南;何天明
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半挂牵引车车架有限元分析的开题报告
半挂牵引车车架有限元分析的开题报告题目：半挂牵引车车架有限元分析一、选题背景和意义：半挂牵引车是一种常用的运输工具，其安全稳定性对于交通运输行业至关重要。
车架是半挂牵引车的主体结构，负责承载车身和所装载物品的重量和力量，因此其结构安全性是半挂牵引车运行安全的重要保障。
有限元分析是一种理论计算方法，可以模拟实际的结构受力情况，对于车架的结构设计和优化具有重要的意义。
二、研究内容和方法：本研究将以一辆半挂牵引车的车架为研究对象，利用有限元分析软件进行车架的有限元建模，通过加载不同的载荷，分析车架的受力情况，找出车架的薄弱环节，并提出相应的优化方案。
研究方法主要包括以下几个步骤：1.车架有限元建模采用有限元分析软件对半挂牵引车的车架进行建模，选择合适的单元类型和网格划分，构建数值分析模型。
2.载荷分析根据实际情况，确定车架承受的载荷情况，在有限元分析软件中加载各种载荷，如静载荷、动载荷等。
3.应力分析利用有限元分析软件分析车架的应力分布情况，得出车架的最大应力和应力集中点位置。
4.应变分析利用有限元分析软件分析车架的应变分布情况，得出车架的最大应变和应变集中点位置。
5.结构优化根据有限元分析结果，找出车架的薄弱环节，提出结构优化方案。
采用有限元分析软件对优化方案进行验证和优化。
三、预期结果和意义：通过本研究，可以建立半挂牵引车车架的有限元模型，分析车架在不同载荷作用下的受力情况，找到车架的薄弱环节，提出优化方案，最终得到经过优化的车架结构。
这些结果可以为半挂牵引车车架结构设计和优化提供参考，提高其安全性和稳定性，减少车辆事故的发生，为国家交通运输事业的发展做出贡献。
基于有限元的半挂车车架阵型模态分析
基于有限元法的半挂车车架振型与模态分析汽车服务工程专业丁建建指导老师吴永海摘要车架是汽车上重要的承载部件，车辆所受到的各种载荷最终都传递给车架，因此，车架结构性能的好坏直接关系到整车设计的成败。
随着汽车工业的高速发展，对汽车的性能要求越来越高，这使得传统的设计计算方法已经无法满足现代汽车设计的要求。
有限元法的飞速发展为车架的结构性能的计算分析带来了新的革命。
本课题采用有限元方法对HYG9386半挂车车车架结构进行振型模态分析,运用Solidworks对车架进行三维建模,通过Ansys软件进行模态分析,计算了车架在施加位移约束下的前二十阶模态特性，识别出车架振型的模态参数,获得了车架在该状态下的固有频率和振型特征。
关键词半挂车，车架，有限元，模态分析1绪论1.1研究的目的和意义车架作为支承连接汽车的各零部件是汽车的主要骨架之一，它是整个整个汽车的基体。
整车的绝大多数部件和总成(包括地板、侧围、悬架和发动机等)都是通过车架来固定位置的,它将汽车的各总成有机连成一体。
汽车在行驶过程中作用在汽车各部件上的载荷都是动载荷，结构上产生的位移、应力、应变不仅随其在结构中的空间位置变化，车架要承受扭转、弯曲等多种载荷产生的弯矩和剪切力，同时受到来自路面和车桥的激振。
当载荷的频率与结构的某些固有频率接近或相等时，结构将产生强烈的共振，从而引起很高的动应力，它会使汽车各部分之间产生剧烈振动，会出现噪声过大，早期损坏汽车的某些部件的现象，降低汽车的使用寿命。
设计中除了要有足够的强度、足够的抗弯刚度和合适的扭转刚度保证汽车对路面不平度的适应性外，合理的振动特性也是十分重要的，因此车架对整车的刚强度、抗疲劳等性能和汽车的振动频率有非常重要的影响。
车架结构的模态分析是汽车新产品开发中结构分析的主要内容，尤其是车架结构的低阶弹性模态，它不仅反映了车架的整体刚度性能，而且是控制汽车常规振动的关键指标，应作为汽车新产品开发的强制性考核内容。
28t矿用汽车车架有限元结构强度分析
高（ 载） 满
（ 空载 ）
３２７ｍｍ ９
３３ ７ｍｍ ８
轴距 轮距 （ 前轮 ） （ 后轮 ， 指双 胎 中点之 问）
３６ ０ｍｍ ５ ２９ ６ｍｍ ０ ２５ ６ｍｍ ３
车架结构的合理与否直接影响到整车的工作性 能和可靠性能。利用计算机辅助设计手段 ， 通过有 限元分析 ， 能够快速准确地计算 出车架的受力情况 和 变形情 况 ， 而分 析 其 结 构 特 点 和 设 计 合 理 性 。 从
此 次车架 有 限元分析 我们 应用 了具有 世界 先进 水平 的 ＡＮＳ ｒｂｎｈ有 限元 分析 软 件 ， 析 了车 ＹＳＷｏｋ ｅ ｃ 分 架 在不 同工 况时 （ 态 、 驶 、 静 行 举升 、 两轮 沉陷 、 动 ） 制
所 受 的应力 及变形 反 映 。
３ 有 限元 分 析
★ 设 计 ・ 验 ・ 究 ★ 试 研
２ ｔ 用 汽 车 车架 有 限元 结 构 强度 分 析 ８矿
本溪北方机械重汽有 限责任公 司 杜 涛 董素波
【 要】 用有 限元线性 静力 结构 分析 方法 ， 矿用 汽车 的车架 在 复杂 、 刻 的道 路 和作业 条件 摘 利 对 苛 下 的各种 工况 进行受 力分 析 ， 得对 车架 这种 多变截 面 和铸 焊混 合结 构 的大 型结 构件 能 够快 速 高 使
半挂牵引车车架结构强度有限元分析及优化
架 的强 度 和 刚度 影 响不 大 ， 大 大 提 高计 算 量 ， 响 单元 却 影
质量从而降低计算精度 ， 因此 ， 模 型 简 化 过 程 中 ， 略 在 忽 了这 些几 何 细节 。车 架 附件形 状 和结 构 较复 杂 ， 考虑 到对 车架 的应 力 贡献 ， 作 了适 当 的简 化 。建 立 相应 的车 架有 也
摘 要 ： 对 某半 挂 牵 引车 车 架 建立 了有 限 元 分析 模 型， 针 并应 用有 限元 分 析软 件 对 各种 工况 下 的车 架 强度 进 行 了有 限元 分析 ， 为半挂 牵 引车车 架的 设计 及 改进 提供 了参 考依 据 。 关键 词 ： 挂 牵 引车 车 架 强 度 有 限元 半
在 平衡 轴横 梁处 车 架 两侧 铆 接厚 度 为 ８ ｍ 的侧 角板 。改 ｍ
进 前原设 计 车 架结 构如 图 １ 示 。 所
半挂 牵 引车 车架 是 通 过悬 架 、车 轮 支撑 在 路 面上 ， 为 得 到 半 挂 牵 引车 车 架 在 实 际使 用 过 程 中的真 实 应 力 分布
簧 单 元 ， 了模 拟 钢 板 弹簧 与车 架 之 间 的装 配关 系， 之 为 使
能 够 相 互 作 用 ， 成 一 个 整 体 ， 单 元 与 弹 簧单 元 的 连接 形 梁
图 １ 原 车架 结 构 示意 图
全 部 用多 点 约束 模 拟 ，为 了消 除车 架 的整 体 刚性 位 移， 还 应 将 前后 钢 板 弹簧 中心 施加 位 移约 束 。 车架 除 承受 载重量 以外 ， 为 主要 的联接件 ， 作 还承 受驾 驶 室 、 动机 、 发 油箱 、 电瓶箱 等 附件 的重力所带来 的载荷 ， 各
状 况 ， 须 考 虑悬 挂 系统 的变 形 情 况 ， 必 将悬 挂 系 统 与 车架
有限元分析在半挂
上装研究有限元分析在半挂车上的实战运用王大俊新乡华烁车辆有限公司，河南新乡，453011摘要：受轻量化趋势影响，市场上通常使用性能更好的材料和结构优化相结合的方法，使用有限元仿真技术辅助设计，来减少产品的研发周期。
由于专用车车型众多，没有相应的分析规范和标准，加上受人为因素和环境条件影响，有限元结果与实际产品使用存在不小的偏差，很多人质疑有限元研发仅仅存在于理论阶段。
据此，通过对半挂车研发设计和产品使用中暴露的问题，发现运用有限元分析具备有可行性和实战性，并为半挂车产品研发提供了可视化的有效参考答案。
关键词：半挂车；有限元分析；可行性；实战性中图分类号：U469.5收稿日期：2023-11-13DOI：10 19999/j cnki 1004-0226 2024 01 0111前言近年来，随着相关法规的完善和行业竞争日趋激烈，市场对半挂车轻量化要求越来越高。
很多企业在满足使用要求前提下，采用强度更高和厚度更薄的板材，再通过结构优化的方法，进而达到降低整车重量。
本研究以38m³粉罐半挂车和13m 鹅颈半挂车为对象，应用HyperWorks 软件进行结构仿真分析。
通过实际车辆建立分析模型，分析结果与售后的车辆进行对比，然后进行结构再优化设计，得出有限元分析在结构研发设计和优化上具备有很强的实战性。
2有限元模型建立2.1材料特性参数本文通过两种车型作为研究对象，一种车型38m³粉罐半挂车，整车使用板材为T610L ；另一种车型13m 鹅颈半挂车，小零部件使用板材为T700，腹板和下翼板使用板材为T980。
材料性能参数见表1。
表1材料性能参数T610L T700T9807830783078302062062060.30.30.362970110106747551033252814.22.2网格划分整车由薄钢板直接拼焊、折弯或者卷制成型后拼焊而成，零部件的几何尺寸远大于板厚，所以对车架采用壳单元（PSHELL ）进行网格划分，网格单元类型以四边形单元为主［1-2］。
半挂汽车车架有限元模态分析及优化设计
横梁 、２根 前 后 横 梁 、２根 边 梁 及 支 架 等 焊 接 而 成 。根据 其 结 构 特 点 ，选 择 ｂａ ８ ｅｍ１８梁 单 元 并 通
过定义 截面 形 状 和 偏 置 距 离 模 拟 主纵 梁 及 横 梁 和 边 梁 ，选 择 ｃｍｐｎ４单 元 模 拟 板 弹 簧 。车 架 材 料 ｏ ｉｌ
半 挂 汽 车车 架有 限元 模 态 分 析 及 优 化 设 计
蒋红旗 李 顺才 ， １中 国矿 业 大学深部 岩 土 国家重点 实验 室 徐 州 ２ １０ ２０ ８
２徐 州师 范大学机 电工程 学 院
摘
徐州
２ １ １ ２ １６
要 ：车 架 是 半 挂 汽 车 结 构 件 中结 构 和 载 荷 都 很 复 杂 的 关 键 部 件 ，为 提 高 车 架 整 体 性 能 ，对 某 型半 挂 汽
、
ｆａ ｅ ｓｒ ｃｕ ｅ，ｉ ｒ ａ ｅ ｈ ｏ ｏｒ ｒｆｅ ｅ ｃ ｒｍ ｔｕ ｔｒ ｎｃ ｅ ｓ ｓｔ ｅ ｌｗ— ｄｅ ｑｕ ｎ ｙ，ｉ ｒ ｖ ｓｔ ｎ ｍｉ ｅ ｏｍ ａ ｃ ｎｄ ｐ ｏ ｉｅ ｈ ｏ ｅｉ ａ ｓｓｆ ｒｄｅ ｒ ｍｐ ｏ ｅ ｈｅｄｙ ａ ｃ ｐ ｒ ｒ ｎ ｅａ ｒ ｖｄ ｓｔ ｅ ｒ ｔｃ ｌｂａ ｉ ｏ — ｆ ｓｇ ｎｄ ｉ ｒ ｖ ｍｅ ｔｔ ｈ ａ ． ｉｎ ａ ｍｐ ｏ ｅ ｎ ｏ ｔ ｅ ｆ ｍｅ ｌ Ｋ ｅ ｗｏｒ ｙ ｄｓ： ｓ ｍｉｔａｌ ｒ ｒ ｍｅ；ｆｎｉ ｌ ｍｅ ｔ ｅ —ｒ ｉｅ ；ｆａ ｉ ｔ ｅ ｅ ｎ ；ｍｏ ｌａ ａｙｓｓ；ｏ ｔｍ ｉａ ｉｎ ｄ ｓｇ ｅ ｄａ ｎ ｌ ｉ ｐ ｉ ｚ ｔｏ ｅ ｉ ｎ
０ 引言
目前 ，各 种专 用 车 辆 普 遍 存 在 自重 大 、重 心
半挂车车架有限元分析与轻量化问题初探
半挂车车架有限元分析与轻量化问题初探
陆绘军
【期刊名称】《南方农机》
【年(卷),期】2018(49)11
【摘要】近年来,我国半挂车制造业飞速发展,导致半挂车市场竞争较为激烈,对于各个半挂车生产厂家而言,半挂车车架在满足刚度以及强度的同时,半挂车车架的轻量化不仅会为企业自身带来更大的利润,也会提升企业自身的市场竞争力.本文探讨了半挂车车架有限元分析与轻量化问题.
【总页数】1页(P174)
【作者】陆绘军
【作者单位】安徽开乐专用车辆股份有限公司,安徽阜阳236000
【正文语种】中文
【中图分类】U463.32
【相关文献】
1.半挂车车架结构有限元分析 [J], 祁建峰
2.半挂车车架结构有限元分析 [J], 祁建峰;
3.鹅颈集装箱半挂车车架结构有限元分析 [J], 伍丽娜;廖颖慧;张凯
4.铝合金半挂车车架结构设计及有限元分析 [J], 严国祥; 王雪飞; 朱玉乾
5.一种小鹅颈式半挂车车架的有限元分析及优化设计 [J], 孙海珍; 邢涛; 王涛; 梁伟因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
车辆运输半挂车车架有限元分析与优化
收 稿 日期 ：２ １ —２ ２ ；修 回 日期 ：２ １— ３ １ ０ ２ ０— ８ ０ ２０ — ８ 作 者 简 介 ：吴 华 杰 （９ ７） １８ 一 ，男 ， 江 苏 泰 州人 ，在 读 硕 士 研 究 生 ，研究 方 向为 汽 车数 字 结 构 技 术 。
上层 平 台通 过立 柱与 下 层 纵 梁相 连 接 ， 层 主 要 由蒙 下
皮 、 梁与纵 梁相 连 接 。 车架 是 车 辆 运输 半 挂 车 最 大 横 的基础 件 ， 梁 式车 架 主体 由纵 梁 和 若 干横 梁 焊 接 而 纵 成 ， 特点 是 纵 梁 长 、 点 跨 距 （ 距 ） 。本 文 利 用 其 支 轴 大 ＵＧ软 件对 车辆 运输 半挂 车车架 进行 Ｃ ＡＤ建模 ， 利 并 用 ＡＮＳ ＹＳ的 Ｄ ｓ ｎＯ ｔ 块对 纵梁 进行 优化 。 ｅｉ ｐ 模 ｇ ］
１ 车 辆 运输 车车 架有 限元模 型的 建立
图 １ 车辆 运 输 车 的 几 何 模 型
１ ２ 悬 架 的 处 理 ．
为准 确实 现模 拟 ， 将悬 架 元 件 与 车架 组 合 起 来 分
析 。将 钢板 弹簧 等 效 为水 平 布 置 的矩 形 截 面 梁 ， 并 以主从 节点关 系模 拟梁 的两 端点 与对应 车架 吊耳处 节
梁 的 长 度 ， 钢 板 弹 簧 活 动 吊耳 与 固 定 吊 耳 之 间 的 即
１ １ 单元 选择及 材料 性 能参数 ． 由于 车架是 由一 系 列 薄 壁 件组 成 的结 构 ， 数 量 且
水平 距离 ， ｍｍ。建 立 的钢 板 弹 簧 有 限 元 模 型 如 图 ２
矿用自卸车车架的有限元分析及优化设计
矿用自卸车车架的有限元分析及优化设计彭国谱;贺翔;唐华平;姜永正【摘要】根据某大型矿用自卸车车架的结构样式,建立了车架的有限元模型,并采用惯性释放法计算出不同工况下的车架应力分布情况.同时,对矿山上运行的矿车车架进行了应力测试.对比车架应力分布的实验结果和仿真结果,发现车架的应力误差基本上控制在10％以内,从而验证了有限元分析车架应力的有效性.为了改善车架的性能,设计了车架拓扑结构,并通过结构优化,得到了可靠的车架结构,最后通过仿真分析验证了改进后的车架性能有了大幅度提高.【期刊名称】《湖南工业大学学报》【年(卷),期】2014(028)003【总页数】6页(P35-40)【关键词】有限元模型;应力分布;惯性释放法;拓扑结构【作者】彭国谱;贺翔;唐华平;姜永正【作者单位】湘电重型装备股份有限公司,湖南湘潭411100;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083【正文语种】中文【中图分类】TH248车架作为自卸车的重要承载部分，其承载性能和动力学性能决定了自卸车结构的可靠性[1]。
电动轮自卸车的质量较大，结构较复杂，运载量较大，行驶环境较恶劣，因而工作时车架易发生弯曲、扭转等形变。
若长期处于恶劣的工作环境下，则会加大自卸车车架焊缝开裂的可能性。
由于矿用自卸车载重量巨大，车架结构复杂，且运行工况复杂，这使得整个自卸车车架结构的设计非常困难[2-3]。
矿车设计人员主要采用经典的弹性力学理论并结合自身经验，对自卸车车架进行设计和校核，常通过对应力大的位置进行刚度加强以提高车架性能，并通过车辆在矿山的工作情况来检验设计[4-7]。
这样的开发过程不仅效率低、投入大，并且无法获得最优化结构。
有限元分析法是使用有限元方法来分析静态或动态的物理物体或物理系统的数值分析方法，其应用广泛且实用高效[8]。
采用有限元分析法对自卸车车架进行工况模拟分析和结构优化可以节省大量的试验成本和设计周期。
识别车架动态性能的有效手段——矿用汽车车架有限元模态分析
｛）— 第 阶 态 振 — ｉ模 的 型
向量（ 特征向量）
— —
第ｉ 阶模态的固有 频率（ 是特征值）
（）车架弹性模态频率应尽可 ２
图 车架前１阶模态振型图 ２ ０ 能避开发动机经常工作的频率范围。 （ ）车架 振形 应尽可 能光 ３
【 ——质量矩阵
有许多数值方法可用于求解 上面的方程。本文分析 中将采取 ＢｏｋＬ ｚｓ 分块兰索斯） ， ｌ ￣ｃｏ （ ｃ 法 模
计算较低的几阶频率，因为高阶振 型对结构的动力特性影响很小 ，所
以，可以以上的分析为基础 ， 在对
【㈨ ＝ 【
一 一 一 一
共 Ｋ 度矩阵
车架的设计时：
（ ）使车架低阶频率高于悬 １ 架下结构的固有频率 ，而又低于发 动机的运转频率，以避免发生整体
作短距离运输的车辆，其装载量巨
大 ，最 大装载 质量 在２ ～３ ７５ ０ ． 之 ｌ ｔ
梁及两根抗扭圆管焊接而成 ，使用 大型Ｃ Ｄ 软件Ｐ ｏＥ Ａ ｒ／对车架进行实 体建模，然后通过Ｐｏ 与Ａ ｓｓ ｒ／ Ｅ ｎｙ的 接 口，将实体模型导入Ａ ｓ ｓ ｎ ｙ 中，
生 成后 缀 为．ｂ ｄ 模型 文件 。现 有 的
了理论依据 ，为深入 研究振动 、疲
态分析计算出前１频率，振型图如 ０
图２ 所示 ，车架的前 １阶固有频率 ０ 和振型见附表。 车架模态分析计算结果
阶数 频率／ｚ Ｈ
１ ２ ３ ６ ．８ ３０ ２ ６ ．１ ５９ ８ ８ ．８ １ ８ ４
以看 出，第１ 阶振型是车架沿横轴
主 要梁部分进 行有限元 网格 划分 ， 选 用８ 点２ 自由度 的３ 实 体单元 节 ４ Ｄ Ｓ Ｌ Ｄ 对连 接板 支座等进 行 网 Ｉ ５ Ｏ Ｉ ８ 格 划分 。整个模型被 离散为６ １ ６８ ５ 个单 元 ，２ ５ 个节点 ，整个有限 ０９９
某载货汽车车架有限元分析及尺寸优化
某载货汽车车架有限元分析及尺寸优化于志新;曹全德;杨士通【摘要】建立了某货车车架简化模型,分别在满载弯曲、满载扭转、紧急制动三种工况下,对车架施加相应的边界约束和载荷约束,进行了静力响应分析,获得了其应力应变图;同时计算了其在自由状态下的振动特性,获得了前6阶固有频率.根据静力分析获得的结果,找出车架结构中的薄弱部位,在此基础上选取2纵梁和8横梁的厚度尺寸作为设计变量,约束其重量不超过970kg,以车架整体加权柔度最小为目标在Optistruct中进行尺寸优化,以保证其具有足够的刚度.【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2018(000)001【总页数】3页(P18-20)【关键词】车架;Hypermesh;静力分析;模态分析;尺寸优化【作者】于志新;曹全德;杨士通【作者单位】长春工业大学机电工程学院,长春130012;长春工业大学机电工程学院,长春130012;长春工业大学机电工程学院,长春130012【正文语种】中文【中图分类】U463.320;U462.1车架是车辆结构的重要组成部分，其结构设计是整车设计过程中很重要的一环，随着计算机技术的不断发展，有限元方法越来越多地应用于车辆的结构设计中[1-5]。
本文利用Hypermesh对车架进行有限元建模，获得了其自由状态下的低阶固有频率，并分析了在三种工况下的静力问题，通过分析得到的云图，找到其结构的薄弱处，进行尺寸优化，使其结构更加合理，从而使其性能得到改善。
车架由若干纵梁和横梁构成，横、纵梁都是结构复杂的板桥体，且厚度不同。
本研究中车架长6800 mm，宽950 mm，将Pro/E创建的车架模型导入Hypermesh 中，利用其强大的前处理功能对车架做前处理，经适当几何清理并以网格大小为10进行划分；进行网格质量检查；赋予车架参数属性即完成建模。
其材料采用宝钢B550L钢板，泊松比为0.3，弹性模量为210 GPa，密度为7850 kg/m3。
一种基于有限元计算的半挂车强度分析
一
种 基 于有 限元计 算 的 半挂 车 强 度分 析
王 卫 清
（ 泰州机 电高 等职 业技 术学校 ， 江苏 泰 州 ２５０ ） ２ ３０
摘 要 ： 用有限元计算方法对某型半挂车车架的强度进行了分析计算。通过有限元仿真计算， 提出在进行局部加
强的同时， 采用细而密的横梁结构的优化方案 ， 解决了原来结构的应力集 中现象 ， 确保半挂车 的结构强度。
ｌ 半 挂 车 车 架 有 限 元 模 型 的 建 立
１ １ 半 挂 车 车 架 结 构 ．
某 半 挂 车 厂 的 Ｂ ２ １型 半 挂 车 结 构 示 意 图 如 Ｌ０ 图 １所 示 。其 主 要 部 件 有 底 架 、 腿 、 板 、 栏 、 支 箱 护
的 比例 逐 渐 增 大 。 由 于 存 在 着 车 辆 超 载 、 行 路 况 运 参 差 不 齐 、 挂 车 的 生 产 厂 家 生 产 质 量 水 平 不 一 等 半 因 素 ， 重 影 响 了 半 挂 车 的 行 车 安 全 。从 技 术 设 计 严 上分析 ， 保半 挂车的强度是重要 的手段之一 。 确 对 半 挂 车 主 结 构 的 强 度 分 析 方 法 也 不 尽 相
分 析 … ， 近 年 来 随 着 有 限 元 软 件 的 发 展 ， 来 越 而 越
多的车辆 采用有 限元 法进 行结 构 强度 设计 。在应
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｅ ｓ ｕ ｔ ｒ ｌ ｎｅ ｓ ｙｏ ｅ ｔｉ ｙ ｅ ｏ ｍｉ ｒ ｉ ｒｈ ｖ ｅ ｎ ｃ ｌ ｕ ａｅ ｙ ｔ ｅａ ｐ ｉ ａｉｎ ｏ ｎ ｔ ｌ ｓｒ ｃ ： ｈ ｔ ｃｕ ａ ｔｎ ｉ ｆ ｃ ｒ ｎ ｔｐ ｆｓ ｒ ｉ ｔ ａ ａ ｅ —ｔ ｌ ａ ｅ ｂ ｅ ａ ｃ ｌｔ ｄ ｂ ｐ ｌ ｔ ｆ ｉ ｅ－ ａｅ ｈ ｃ ｏ ｉ ｆ ｅ ｃ ｎ ｎ ｌｓｓｍｅｈ ｄ ｍｅ ｔａ ａｙ ｉ ｔ ｏ ．Ｂｙｔ ｅ ａ ｐ ｃ ｔ ｎ ｏ ｎ ｔ ｌｍｅ ｔｓｍｕ ａｉ ｎ ｃ ｌ ｕ ａ ｏ ｈ ｐ ｌ ａ ｏ ｆ ｉ ｅ ｅ ｎ ｉ ｌ ｔ ａｃ ｔ ｎ，ａ ｐ ｉ ｚ ｄ ｐ ａ ｉ ｔ ｎ ｔ ｅ ｉ ｉ ｆｉ ｅ ｏ ｌ ｉ ｎｏ ｔ ｍｉ ｅ ｌｎ ｗ ｔ ｓｒ ｇ ｈ ｎ ｈ ｅ ｋ ｙ ｐ ｓｔ ｎ ｓｎ ｌ ａ ｄ ｄ ｎ ｅ ｃ ｏ ｓ ｂ ａ ｓｒ ｃ ｕ ａ ｅ ｎ ｐ ｏ ｉ ｅ ．Ｃｏ ａ ｉ ｇ ｔ ｈ ｒ ｉ ｔｕ ｔｒ ｅ ｏ ｉ ｏ ｓ ｕ ｉｇ ｓｉ ｎ ｅ ｓ ｒ ｓ ｅ ｍ ｔ ｔ ｒ ｈ ｓ ｂ ｅ ｒｖ ｄ ｄ ｉ ｍ ｕ ｅ ｍｐ ｒｎ ｏ ｔｅ ｏ ｉ ｎ ｓｒ ｃｕ ｅ，ｔ ｅ ｇ ｈ ｎ ｗ ｐａ ａ ｕ ｒ ｎｅ ｈ ｏ ｕｉ ｇ ａ ｃ ａ ｙ ａ ｄ ｅ ｓ ｒ ｈ ｅ ｅ ｌｎ ｃ ｇ ａ ａ ｔｅ ｔ ｅ ｃ ｍｐ ｔ ｃ ｕ ｃ ｎ ｕ ｅ ｔ ｅ ｓ ｍｉ—ｔａｌｒｓｒ ｃｕ ａ ｎｅ ｓｔｙ ｎ ｎ ｒ ｎ ｒ ｅ ｔ ｔｒ ｌ ｔｎ ｉ ． ｉ ｕ ｉ ｙ Ｋｅ ｒ ｓ ｓ ｍｉ ｒ ｉ ｒ ｙ ｗｏ ｄ ： ｅ —ｔａｌ ；ｍａｎ ｌｎ ｉ ｄｎ ｌ ｅ ｍ ；ｆ ｔ ｌ ｍｅ ｔ ｔ ｃｕ ｅ；ｓｒ ｃｕ ａ ｎ ｅ ｓ ｙ ｅ ｉ ｇｔ ｉ ａ ａ ｏ ｕ ｂ ｉ ｅ ｅｅ ｎ ；ｓｒ ｔ ｒ ｉ ｎ ｕ ｔ ｔ ｒｌｉ ｔｎ ｉ ｕ ｔ
某鹅颈式半挂车车架有限元静态分析
４ ）去 除 车 架 附 属 部 件 ，如 防 护 架 、挡 泥板 、工 具箱 等 。 按 照 以上简化 要 求 ，车架 简化模 型 如 图 １ 所示 。
现象 ．笔者 以某 鹅 颈式半 挂 车 车架 为研 究对 模 ．再将 三维 模 型导 人 Ａ Ｎ Ｓ Ａ 中进 行 前 处 理 ．完 成 有 限 元模 型 的 建 立 ．最 后 在 ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ １ ２
０ 引言
鹅 颈 式 半 挂 车 主要 适 用 于 机 械设 备 、大 型 物件 、 公 路建 设设 备 、大 件罐 体 、 电站设 备 等运 输 ，在 日益 发 达 的公路 运输 中 占的份额 越来 越 大 。半 挂车 车 架作
特 性 的情况 下 ．对 实体模 型进 行 简化 ：
１ １忽 略非 承载 结 构 。 车架 的 主要 承 载 部 件 是 纵 梁 和横 梁 ．对 于不 承 受载 荷 或 承受 载 荷 较 小 的部 件 ．
如 油箱 座 、备 胎架 和水 箱座 等 附件都应 该省 略 。
２ １简 化 孑 Ｌ 结 构 。 车 架 上 的螺 栓 孔 、线 路 孔 、 吊 环 孔 和工 艺孔 等结 构 仅是 为满 足 功能 要求 设 置 的 ．对
车架 结构 没有 太大 影 响 ．因此均 可 以省 略。 ３ １去 除 倒 角 、圆 角 。 远 离应 力 的 圆弧 简化 为 直 角 ．工艺 上所 需要 的倒 角 、拔 模 斜度 、倒 圆角对 车架
１ 车 架 有 限元 模 型 建 立
１ ． １ 车 架 ＣＡ Ｄ 模 型 建 立
１ ． ２ 材料 力学特 性
车 架材 料采 用 Ｑ ３ ４ ５低 合金结 构 钢 ，其 力学 参数 ： 弹性 模量 为 ２ ． ０ ６ ｘ １ ０ ５ ＭＰ ａ ；泊 松 比为 ０ ． ３ ：密度 为 ７ ． ８ ×
半挂车车架结构有限元分析
0引言半挂车是一种重要的运输机械，具有运输效率高、油耗低等特点，在运输业发挥着重要作用。
半挂车车架结构十分复杂，不仅形状复杂，而且载荷作用也较为复杂。
在半挂车结构设计过程中，需要在保证安全性的情况下，对车架结构进行优化设计，使其便于加工和装配，同时减少材料成本，提高半挂车制造的经济效益。
传统的力学分析方法在半挂车车架结构的强度和刚度分析中存在一定的不足，难以得出精准的数据。
在计算机软件技术的推动下，有限元法成为一种优秀的结构强度分析方法。
在半挂车设计中，可以利用有限元分析法对车架结构的强度进行精确地分析，进而有针对性地对重要构件进行优化设计。
1半挂车车架结构分析半挂车是一种在车辆均匀受载的重心后边配置车轴，并且装有可将水平和垂直力传递到牵引车的联结装置的挂车。
车架是半挂车的主要构件之一，为各总成及专用工作装置提供安装基础。
半挂车车架结构不仅要承受整车静载荷，同时还要能够承受半挂车行使中的各种动载荷，因此，对其结构强度要求较高。
通常而言，半挂车车架结构为边梁式，主要包括主纵梁、边纵梁、横梁、支撑梁等，各个部件采用的都是优质的钢板和型材，通过组焊方式构成车架结构。
在半挂车结构中，纵梁是主要的承载部件，能够承受弯曲应力，为有效应对运输道路条件差的情况，纵梁可以采用箱型结构，具有良好的抗弯性能。
同时，为了保证牵引装置活动的灵活性，需要提高车架纵梁前段，降低后段货箱，从而增强半挂车的稳定性，便于装卸货物[1]。
此外，横梁是半挂车车架中连接左右纵梁的重要构件，其抗扭转性和分布情况对纵梁的内应力大小及分布具有直接影响作用。
因此，横梁也是车架扭转结构中的主要元件，通常需要采用质量轻而密的横梁，增强车架的扭转刚度，同时有效减小与横梁连接的纵梁的扭转应力。
2有限元法及其应用2.1有限元法的基本理论有限元法是一种数值分析法，其基本原理就是将整体离散成有限个单元体，这些单元体需要按照一定的方式相互连接，从而来模拟或逼近原来的物体，将整体的连续自由度问题化简为离散的有限元自由度求解。
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煤矿机械Coal Mine Machinery Vol.34No.01 Jan.2013第34卷第01期2013年01月1建立车架有限元模型在不影响分析结果精度及准确度的情况下对半挂车车架进行一些必要的简化及假设：（1）去除组合灯支架及对强度、刚度影响不大的立柱下方盒、下方盒翼板等；（2）忽略车架上细小的折弯和圆角等结构；（3）假设该车架各部件的焊接均为等强度焊接，且强度等于部件本身的强度；（4）整个组成车架的部件材料假设一致且各向材质同性。
车架的形状复杂，在建立有限元模型时，采用能较好适应不规则形状而且能满足一定精度要求的shell93号板壳单元，该单元是8节点二阶单元，单元每个节点有6个自由度。
对车架进行网格划分时，要注意对网格数量、疏密、阶次、质量和布局的控制。
本文采用单元边长40mm为参考划分网格（部分位置进行了细化），整个模型有43175个单元，134673个节点（模型略）。
2边界条件及载荷施加边界条件半挂车车架前部通过牵引销座板支撑在牵引车鞍座上，车架后部有4组支架，通过钢板弹簧、轮胎支撑在路面上。
由于不考虑钢板弹簧的作用，因此可将边界条件做如下处理：在半挂车前部将牵引销座板的中间位置作全约束；在半挂车后部约束各支架Y向（即垂直方向）位移。
载荷施加半挂车所受载荷比较简单，主要是自身重力及货物重力。
自身重力的施加通过定义材料密度以及垂直方向振动加速度的方式实现，货物则以均布力的形式作用在主纵梁上翼板、副纵梁上翼板及边框的上表面。
3车架的有限元分析及结果（1）静态满载弯曲工况满载弯曲工况下半挂车车架整体应力分布如图1所示。
从图中可以看出在满载弯曲工况下，车架前部以及后桥一轴前后的应力较大，最大应力为524MPa,出现在车架横梁A与纵加强板焊接的位置，如图2所示。
从图中可以看出，除了2个与纵加强板焊接的位置，整个车架横梁A的应力水平都比较高。
车架横梁A所用的设计材料为高强度热轧冷成型钢，其屈服极限为700MPa，所以在静态弯曲工况下，满足强度要求。
但在实际使用中，由于路面冲击、车架振动等原因，此处的实际应力水平可能高于材料的屈服极限，容易发生开裂等破坏。
图1弯曲工况整体应力云图图2弯曲工况前端应力图（2）静态满载扭转工况扭转工况是指该矿用半挂车行驶在不平路面某矿用半挂车车架有限元分析及拓扑优化杜现斌，张为春（山东理工大学交通与车辆工程学院，山东淄博255049）摘要：车架是整车的关键部分，为了对其进行优化设计，基于有限元分析软件ANSYS建立车架有限元模型，再对车架在弯曲、扭转2种典型工况下施加相应的边界条件和载荷进行静态分析，通过分析结果找出车架中应力较大的部位来校验其强度是否符合要求，最后对车架进行初步的拓扑优化。
关键词：有限元分析；拓扑优化；矿用半挂车车架中图分类号：TD562文献标志码：A文章编号：1003－0794（2013）01－0113－02 Finite Element Analysis and Topology Optimization of Mine Semi-trailer FrameDU Xian-bin,Z H ANG Wei-chun(School of Transportation and Vehicle Engineering,Shandong University of Technology,Zibo255049,China) Abstract:Frame is a key part of the vehicle,and for the sake of the optimization of design,the finite element model of the frame was created based on ANSYS,and then applied the corresponding boundary conditions and loads for static analysis under the two typical operating conditions of the bending and twisting.And then identified the part suffered a relatively bigger stress in the frame by analyzing the results to verify whether it meets the requirements of its strength.And finally,a preliminary topology optimization was made for the frame.Key words:finite element analysis;topology optimization;mine semi-trailer frameNODAL SOLUTION SUB=1TIME=1SEQV(AVG) DMX=10.628 SMX=523.695JUN3201109:15:02NODAL SOLUTION SUB=1TIME=1SEQV(AVG) DMX=10.628 SMX=523.695JUN3201109:48:070116.377232.753349.13465.50758.188174.565290.942407.318523.6950116.377232.753349.13465.50758.188174.565290.942407.318523.695 XXA上的工况。
此时车轮与地面接触不良，在均布载荷作用下，车架发生扭转。
该工况下半挂车车架受力情况和约束都较弯曲工况复杂，这里主要模拟2种状况，左后桥前两轮同时通过一低洼路面；以及左后桥后两轮同时通过一低洼路面。
第1种情况下放松左后桥前2个支架的垂直约束，第2种情况放松左后桥后2个支架的垂直约束。
其余约束及载荷的施加与静态弯曲工况一致。
扭转工况1模拟的是左后桥前两轮同时通过一低洼路面的状况。
此工况下，车架整体应力分布如图3所示。
从图中可以看出，扭转工况1的应力水平较弯曲工况有了明显提高，车架前部、后桥前支架右侧以及第3组支架的左侧应力较大，最大应力为605MPa，发生在车架横梁A与左侧纵加强板焊接的部位，如图4。
图3扭转工况1整体应力云图图4扭转工况1前端应力图扭转工况2模拟的是左后桥后两轮同时通过一低洼路面的情况。
此工况下，车架的整体应力分布如图5所示。
从图中可以看出，应力较大部位主要发生在车架前部、后桥第2组支架左侧以及第4组支架右侧位置，最大应力为657MPa，出现在副纵梁腹板与车架横梁A焊接的角点位置，如图6所示。
最大应力已逼近材料的屈服极限700MPa。
图5扭转工况2整体应力云图图6扭转工况2前端最大处应力云图4车架的拓扑优化拓扑优化技术是用来确定系统的最佳几何形状，同时可以使系统的材料发挥最大的利用率的情况下确保系统诸如整体刚度、自振频率等在满足工程要求的条件下得到极大值或极小值。
对该半挂车车架选用OC优化计算方法，收敛公差设定为0.0001。
目标函数为车架的刚度，约束函数为车架的体积，输入体积减少50％,迭代次数为16次，最终优化后得到车架的最优拓扑结构如图7。
优化后的结构虽然还不能明确给出车架纵横梁的布置，但根据优化的结果可以对车架合理地进行纵横梁结构方案设计，图8所示便为分析优化后得到的车架结构方案。
图7车架最优拓扑结构图8车架各梁结构设计方案5结语通过整个课题的研究工作，得出以下结论和成果：（1）利用有限元分析软件ANSYS建立了以板壳为基本单元的有限元模型，相比以往用梁单元建立有限元模型的情况精度有很大提高，同时该模型还能反映横、纵梁接头区域的应力分布等缺陷；（2）对半挂车车架进行静力分析，在载弯曲工况下，车架的整体应力水平较低，满足设计要求。
而在扭转情况下,应力和变形比较大，尤其是在满载扭转时，车架的最大应力已经接近了材料的许用应力，应当进行强化。
参考文献：［1］钟兵.基于Hypermesh的矿用车架优化设计［J］.煤矿机械，2010，31（6）：26-27.［2］秦昊，张强，李洲.SRT55型矿用自卸车车架结构数值分析及优化［J］.煤矿机械，2009,30（9）：103-105.［3］蒋红旗，李顺才.半挂汽车车架有限元模态分析及优化设计［J］.起重运输机械，2011（5）：27-30.［4］李正网.基于ANSYS的重型货车车架结构分析和优化研究［D］.重庆：重庆交通大学，2009.［5］刘学静.应力约束下半挂车车架的拓扑优化设计［D］.大连：大连理工大学，2006.作者简介：杜现斌（1988-），山东临沂人，山东理工大学在读硕士研究生，车辆工程专业，主要从事工程车辆设计与控制技术方面的学习研究，电子信箱：duxianbin2010@.责任编辑：于秀文收稿日期：2012－08－02第34卷第01期Vol.34No.01某矿用半挂车车架有限元分析及拓扑优化———杜现斌，等NODAL SOLUTION SUB=1TIME=1SEQV(AVG) DMX=19.296 SMX=605.931JUN5201116:25:39NODAL SOLUTION SUB=1TIME=1SEQV(AVG) DMX=10.686 SMX=609.933JUN6201116:21:470134.651269.303403.954538.60567.326201.977336.628471.28605.93X0134.651269.303403.954538.60567.326201.977336.628471.28605.93NODAL SOLUTION SUB=1TIME=1SEQV(AVG) DMX=43.052 SMX=657.5380143.836287.673431.509575.34671.918215.755359.591503.428657.530143.836287.673431.509575.34671.918215.755359.591503.428657.53NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1TOPO(AVG)DMX=8073SMN=.001146SMX=1JUN7201117:44:15.223114.445081.667049.889016.001146.334097.556065.7780321.11213XZY。