某矿用半挂车车架有限元分析及拓扑优化杜现斌

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 Frame

DU 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 frame

NODAL SOLUTION SUB=1

TIME=1

SEQV(AVG) DMX=10.628 SMX=523.695JUN32011

09:15:02

NODAL SOLUTION SUB=1

TIME=1

SEQV(AVG) DMX=10.628 SMX=523.695JUN32011

09:48:07

0116.377232.753349.13465.507

58.188174.565290.942407.318523.6950116.377232.753349.13465.507

58.188174.565290.942407.318523.695 X

X

A

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：2012－0

8－02

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=1

TIME=1

SEQV(AVG) DMX=19.296 SMX=605.931JUN52011

16:25:39

NODAL SOLUTION SUB=1

TIME=1

SEQV(AVG) DMX=10.686 SMX=609.933JUN62011

16:21:47

0134.651269.303403.954538.605

67.326201.977336.628471.28605.93

X

0134.651269.303403.954538.605

67.326201.977336.628471.28605.93

NODAL SOLUTION SUB=1

TIME=1

SEQV(AVG) DMX=43.052 SMX=657.538

0143.836287.673431.509575.346

71.918215.755359.591503.428657.530143.836287.673431.509575.346

71.918215.755359.591503.428657.53

NODAL SOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME=1

TOPO(AVG)

DMX=8073

SMN=.001146

SMX=1

JUN72011

17:44:15

.223114.445081.667049.889016

.001146

.334097.556065.7780321

.11213

X

Z

Y