DL4100型半挂牵引车车架弯扭工况强度分析及改进_韩振南

钢 板 弹 簧 支 座 连 接 处 节 点 y、z 轴 方 向 的 平 动 自 由
度， 消除了车架整体的刚性位移使左前轮处于悬空
状态,如图 4 所示。
约束 y、z 轴方向 上的平动自由度
约束 z 轴方向上 的平动自由度
约束 x、z 轴方向 上的平动自由度
z
x
图 4 车架自由度约束示意
4 载荷的处理
4.1 静载荷 静载荷是指汽车静止时所承受钢板弹簧以上部 — 23 —
的研发有一定参考价值。
2 车架有限元模型的建立
2.1 车架结构 DL4100 型半挂牵引车车架采用边梁式梯形结
构，如图 1 所示，主要由 2 根纵梁和 6 根横梁（含元 宝梁）组成。 车架长 5 500 mm，外宽 860 mm，高 300 mm， 纵梁内表面紧密贴合着厚度为 5 mm 的衬梁， 各梁截面均为槽型结构。 第 5 根横梁和第 6 根横梁 通过连接板与纵梁相连， 车架各构件的连接方式为 铆接或螺栓连接。 2.2 车架几何模型的建立
·设计·计算·研究· 分的载荷，包括驾驶室、动力总成、载人（货）质量 等产生的载荷。 表 1 是该半挂牵引车主要质量分 布情况。
表 1 某半挂牵引车主要质量分布
结构部件
质 量 /kg
驾驶室（含乘员）
400
动力总成
1 050
油箱
128
牵引座
18 000（牵引质量）
驾驶室（含乘员）、动力总成、油箱质量产生的载 荷直接由车架来承受， 而牵引质量所产生载荷只有 一部分由车架来承受， 包括竖直向下和与行驶方向 相反的载荷。为了使半挂牵引车能提供足够的动力， 车架牵引座处竖直方向要承担牵引质量的 40%，所 以车架牵引座处竖直方向所受载荷为 72 kN。 关于 车架牵引座处所受与行驶方向相反的载荷， 取路面 摩擦因数 f=0.02，可求得为 3 600N。牵引车主要结构 部件在车架上的连接位置如图 5 所示。
引座处及承担发动机质量的元宝梁应力较大。 应力 最大值为 170.502 MPa， 出现在第 5 横梁与右纵梁 交接处，如图 10 所示，也是连接钢板弹簧座的地方。
汽车技术
·设计·计算·研究· 由于本次分析没有考虑车架铆钉和螺栓连接， 铆钉 孔和螺栓孔处应力集中问题被忽略， 所以得到的应 力最大值应该比实际要小一些， 并且推测出车架实 际最大应力值也应出现在理论最大值附近的铆钉孔 处。车架变形较大区域变形为 3.912~4.401 mm，位于 车架左纵梁前端， 与实际工况相符。 车架所用材料 为 16 Mn，屈服极限为 280 MPa，该车架最大应力低 于材料的强度极限，满足强度要求。
油箱
驾驶室 （左右对称）
牵引座 （左右对称）
动力总成 钢板弹簧支座 （左右对称）
（左右对称）
钢板弹簧支座（左右对称）
钢板弹簧支座 （左右对称）
钢板弹簧支座 （左右对称）
图 5 牵引车主要结构部件在车架上的连接位置
4.2 动载荷
汽车实际行驶过程中，车架主要受动载荷作用，
动载荷的大小通过动载系数来衡量[2]。 动载系数取
主题词：半挂牵引车 车架 弯扭工况 有限元分析 中图分类号：U463.32 文献标识码：A 文章编号：1000－3703（2011）04－0022－04
Bending-torsional Strength Analysis and Improvement of DL4100 Semitrailer Tractor Frame
车架结构相对复杂，直接用 ANSYS 软件的前处 理功能建立其几何模型较为困难， 于是采用功能强 大的三维建模软件 UG 建立了车架的实体几何模型 并对其做抽中面处理，然后通过 UG 软件和 ANSYS 软件专用数据接口把处理好的面几何模型导入
觹基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （编 号 ：50775157 ）；山 西 省 归 国 留 学 人 员 基 金 资 助 项 目 （编 号 ：2007-33）。
相连接，根据所要模拟车架的实际工况，只需对车架
与钢板弹簧座连接处的每个节点施加适当的自由度
约束。
车架弯扭工况是汽车经过不平路面时 4 个车轮
不在同一水平面时的静力工况。为了模拟这种工况，
约束车架右前轮钢板弹簧支座连接处节点 z 轴方向
的平动自由度， 约束车架左后轮钢板弹簧支座连接
处节点 x、z 轴方向的平动自由度， 约束车架右后轮
图 6 车架局部加载示意 图 7 车架加载后有限元模型
5 计算求解分析
通过 ANSYS 求解器对所建车架有限元模型进
行求解， 在后处理中得到弯扭工况下车架的应力分
布云图及变形图分别如图 8 和图 9 所示。
应 力 /MPa 170.502 151.559 132.617 113.675 94.732 75.79 56.849 37.906 18.963 0.021
Key words：Semitrailer tractor，Frame，Bending-torsional condition， Finite element analysis
Байду номын сангаас
1 前言
车架在实际环境下主要承受 4 种变形所产生的 力，即负载弯曲、非水平扭动、横向弯曲和水平菱形 扭动。负载弯曲和非水平扭动对车架强度影响最大， 经常发生在汽车满载时通过凹凸不平的路面且汽车 车轮不在同一平面的情况； 横向弯曲发生在转向工 况，汽车在入弯时质量的惯性（即离心力）会使车身 产生向弯外甩倾向， 而轮胎的抓着力会和路面形成 反作用力，两股相对的力将车架横向扭曲；水平菱形 扭动是指车辆行驶时，因为路面和行驶情况的不同， 每个车轮会承受不同的阻力和牵引力， 使车架在水 平方向上产生推拉以至变形， 这种情况就好像将一 个长方形拉扯成一个菱形一样。 本文针对某厂生产 的 DL4100 型 半 挂 牵 引 车 车 架 ， 利 用 有 限 元 软 件 ANSYS 对其进行弯扭工况下的强度分析，并对车架 进行了一定的改进， 所做工作对生产厂家后续产品
决于道路条件、汽车行驶状况（如车速）和汽车的结
构参数（如悬架弹性元件的刚度、车轮刚度等）3 个
因素。
动载系数计算公式为：
n=1+
K1 +K2 G
·1+CCv1 22
式中，K1 为前轮弹簧系统刚度，K1=300 N/mm；K2 为 后 轮 弹 簧 系 统 刚 度 ，K2=350 N/mm；G 为 车 辆 自 重 ， G =355 kN；C1 为 道 路 常 数 ， 对 载 货 汽 车 ，C1=100 mm；C2 为经验系数，C2=1 000（km ／ h）2；v 为车速，v=
经过处理的半挂牵引车车架结构由一系列面构 成， 通过定义不同面的单元实常数代表实际结构中 钢板的厚度。 本文没有考虑铆钉和螺栓连接， 认为 车架纵梁和横梁为刚性连接。 关于材料属性设置，
2011 年 第 4 期
弹性模量设为 2.1×105 MPa，泊松比为 0.3。 在建立有 限元分析模型时，单元采用 10 mm×10 mm 的四边形 板壳单元，运用自由网格划分方法，软件会自动在圆 孔及不规则拐角等容易产生应力集中的关键部位对 网格进行加密。 整个车架共划分的单元数为 74 358 个，节点数为 76 250 个，车架有限元模型如图 2 所 示。 图 3 是车架局部构件网格划分情况。
80 km/h。
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根据上述数据则动载系数为 n=1.16。 取 n=1.5，实际加载时，可将车架所受静载荷乘 以动载系数得到的动载荷施加到模型上。 对模型加载时，如果采用集中载荷方式，会导致 局部应力过大使计算结果失真。 为了尽可能与车架 实际承载情况相吻合， 把要施加的载荷平均分配到 相应的节点上， 如图 6 所示。 施加载荷后的有限元 模型如图 7 所示。
2.3 单元类型的选择 在车架有限元分析中，常采用的有限元计算模型
有梁单元模型、板壳单元模型、实体单元模型。 最初对 车架进行有限元分析采用梁单元进行离散，该方法具 有模型结构简单、占用计算机资源较少、计算速度快、 适合进行动态分析等优点，缺点是建模误差大、对形 状复杂的纵横梁模拟能力差、计算精度较低。 目前车 架各构件多采用薄壁梁，如槽钢、工字钢等，截面厚度 与截面尺寸和构件长度相比要小的多，可将车架各构 件看做由板壳组合而成，采用板壳单元来建立有限元 模型。 相对于梁单元模型，板壳单元模型在计算精度、 应力分析功能、对设计修改的反映能力等方面都有很 大提高[1]。 实体单元模型非常直观，精度最高，相对于 板壳单元模型，其建模工作量大，并且没有单元实常 数，不便于模型进一步的改进设计。 无论从精度还是 经济上考虑，板壳单元是适合模拟车架结构的单元类 型。 本文采用板壳单元 shell163 建立车架有限元模 型。 shell163 具有 4 个节点，能承受平面内和法线方 向的载荷，每个节点有 6 个自由度，即节点 x、y、z 方 向的平动和绕节点 x、y、z 方向的旋转。 2.4 网格划分
Han Zhennan， Gu Yingchun （Taiyuan University of Technology） 【Abstract】The bending-torsional condition which has substantial impact on the strength of frame is analyzed based on the actual operating conditions of semi-trailer tractor. The finite element analysis model of DL4100 semi-trailer tractor frame is established with software ANSYS, with which the stress distribution and deformation of frame in bending-torsional condition are computed. As the stress at the front frame is smaller, therefore beam 2 is removed and re-do the strength analysis of bending and torsion condition. The modified frame meets the strength requirement.
图 2 车架有限元模型 图 3 车架第 5 横梁有限元模型
3 边界条件的处理
在有限元分析过程中， 必须保证有足够的约束
条件， 以消除车辆整体刚性位移及求解车架上各点
的位移和应力。 如果边界条件不符合实际情况或与
实际情况相差太大，会产生很大的计算误差，甚至使
计算失败。
该车架是通过 8 个钢板弹簧座与 4 个钢板弹簧
图 8 改进前车架应力分布云图
变 形 量 /mm 4.401 3.912 3.423 2.934 2.445 1.956 1.467 0.978 0.489 0.329×10-4
变形较大区域 3.912~4.401 mm
图 9 改进前车架变形结果
5.1 弯扭工况强度分析 从车架的应力分布云图可以看出， 车架安装牵
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汽车技术
·设计·计算·研究· ANSYS 软件中。 车架纵梁上有大量的装配用孔，各 个构件上还存在过渡圆角， 这些小的几何细节对车 架强度和刚度影响不大，却会使网格划分过多，网格 质量降低，从而导致计算量增大，计算精度降低。 为 满足有限元分析需要，利用 ANSYS 软件前处理功能 对导入的几何模型做了局部修改和简化。
·设计·计算·研究·
DL4100 型半挂牵引车车架弯扭工况强度分析及改进*
韩振南 古迎春
（太原理工大学）
【摘要】 根据半挂牵引车的实际运行状况， 选择对半挂牵引车车架强度影响较大的弯扭工况进行分析。 利用 ANSYS 软件建立了 DL4100 型半挂牵引车车架有限元分析计算模型， 通过计算得出了该车架在弯扭工况下的应力 分布和变形情况。 由于该车架前部所受应力较小，因此把第 2 横梁去掉后重新做了弯扭工况下的强度分析，改进后 的车架满足强度要求。
第 3 横梁 右纵梁 （元宝梁）
第 2 横梁
第 6 横梁
第 1 横梁
第 5 横梁
第 4 横梁
左纵梁
图 1 车架三维模型 为了得到更加准确的车架有限元模型， 对车 架真实模型做了两点假设，认为车架材料是各向 同性材料，密度分布均匀，并且车架始终在材料 的弹性范围内工作；假定车架为理想状态，不考 虑材料的缺陷及焊接、加工、装配过程中形成的 残余应力。