有限元工具在中集车辆产品开发中的应用.docx

《有限元工具在中集车辆产品开发中的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《有限元工具在中集车辆产品开发中的应用.docx（9页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、有限元工具在中集车辆产品开发中的应用图1厢式半挂车垂直弯曲工况的分析该厢式半挂车是发达国家物流运输的主流车型，整车质量轻，承载能力强。要紧是其设计思想先进，车身承载，底架无大梁。因此该类车的设计务必考虑整车的抗弯性能抗扭性能,这不一致于其他类型的半挂车，由于其他类型的半挂车通常只需考虑底架的抗弯性能就能够了。因此厢式半挂车需要分析静载弯曲、扭转与模态。原始设计时该车使用的材料是国外进口的超高强度钢，我司在对整车的抗弯性能抗扭性能进行全面有限元分析的基础上，大胆使用国产的普通高强度钢进行材料替代，每台车节约了数千元的成本，也降低了零件冲压加工的难度。进一步的轻量化设计使该车整车质量降低到6吨下列

2、，而目前国内其他厂家的厢式半挂车的质量还在7-9吨以上。另外半挂车在使用过程中还有特殊的甩挂工况，即半挂车从牵引车卸下时落地冲击工况。图3为使用LS-DYNA对某型半挂车甩挂冲击工况的模拟，能够看到，大梁在支腿连接部受到的瞬时冲击应力是非常大的，需要引起足够的重视。ANSTRAUACHASSISDOWNLOADFROMTRACTOR图3半挂车甩挂冲击模拟结果2.3零部件分析2.3.1 半挂车大梁作为要紧承载件其刚度与强度对整车的影响是第一位的，对此设计务必又充分的重视。首先，大梁要满足强度要求，不仅有均布载荷要求，也有集中载荷的要求。图4示为某型大梁的极限承载残余应力。有限元准确的预测了在70

3、%最大载荷时，鹅颈局部明显失效，计算的残余变形为27.7mm,实测为28.0mm,两者是非常接近的。有的时候关于集装箱半挂车的大梁的刚度有比强度更严格的要求，通常要求在一定的范围之内，不能大不能小。图5为某型码头车的刚度计算。要求同时运输两个集装箱且变形后不干涉，我司同时进行试验与计算，试验结果为17mm,误差在Imm之内，该客户此后一直对我司的设计深信不疑。图5半挂车大梁垂直弯曲工况的分析结果2.3.2 半挂车端横梁关于需要运输集装箱的半挂车，其端横梁为直接承载件，通常情况下都是非常强壮的，但是由于某些局部的设计不合理往往引起局部裂纹。图6为某型半挂车的端横梁。在该车使用一年以后，转锁孔的各

4、转角处出现明显裂纹，尽管不可能马上引起端横梁失效，但鉴于端横梁的重要性，我们对该部件进行了疲劳分析。分析说明，转锁孔设计不合理，其各转角处的疲劳寿命严重不足。该研究对我司端横梁的选型与改进起了理论的说明，四年来未再出现类似问题。图6半挂车端横梁横向弯曲工况的疲劳分析结果2.3.3 牵引板疲劳牵引板作为半挂车的两个支撑点之一，与悬挂具有同等重要的作用。按照美国通行的AAR标准，牵引板需要满足三个极限强度要求，三个疲劳强度要求。我司一方面按照标准进行疲劳试验，同时使用Fe-Safe进行疲劳分析，对疲劳裂纹趋势与位置进行了较好的预测。图7半挂车牵引板横向推拉工况的疲劳分析结2.3.4 连接件变形关于

5、某些特殊的半挂车，其结构是能够组合拉伸的，但是其优点也是结构设计的难点，图8示，为某型车拉伸连接结构，该结构在某特殊试验时大量下翼板发生塑性变形。经有限元分析后发现要紧是结构刚度不足，因此对该局部进行了刚度加强，经长期使用未再发生变形。图8半挂车连接件变形的分析结果2.3.5 保险杠破坏试验为了保护乘用车，国家对货车类（包含半挂车）的后保险杠有严格的要求，该标准与美国FMVSS223基本致，包含强度与能量的汲取两方面。图9半挂车后保险杠的强度分析结果1.S-DYNA的模拟结果与试验非常接近,这关于我司开发符合中国与美国要求的后保险杠都有非常积极的指导意义。2.3.6 立柱扭转破坏试验关于厢式半

6、挂车来说，其上部结构中四个角立柱是主体框架的要紧承载件，通常情况下是足够强壮的。但假如侧墙为开放性结构，则显得单薄，因此这时候需要考察其抗弯与抗扭两性能。图10某型厢式半挂车的角立柱的扭转破坏试验，有限元模拟的结果趋势对破坏形式预测与试验一致。有限元分析结果对随后结构的改进设计给出了具体的形式与尺寸，该车经长期使用相当可靠，其刚度好，承载能力强。图10半挂车立柱扭转破坏试验的模拟2.3.7 复合材料板承载能力试验作为发达国家主流半挂车的厢式半挂车，厢体材料使用复合材料板已经非常普遍。中集从一开始就非常重视车用复合材料的开发，种类目前已相当齐全。由于复合材料的复杂性，在使用与试验过程中其中心夹层

7、的情况是不可测量的，通常只有在割开表层金属后才能熟悉。因此使用有限元进行匏合材料的分析具有先天的优势，能够随时对各构成层进行全面的描述，结果具有可视性。更重要的是能够对各层的材质、密度与厚度进行选择，然后预测板的整体性能与局部应力，这种可预测性对复合材料板的开发设计是非常重要的，是传统的实验摸索法不可比拟的。图11示是某型复合材料的弯曲实验模拟结果，计算预测中心层将在0.33*payload时断裂，实验中在0.34*payload时出现断裂声。图W半挂车复合材料板弯曲试验的模拟2.3.8 焊逢应力分析在半挂车结构中大量使用焊接作为零部件要紧的连接形式。根据前人的研究明白，焊逢形式、焊逢长度等因

8、素对应力的影响巨大，最坏的结果表现为不是应力集中就是失效撕裂。图12示焊逢应力在焊逢结构略微修改后迅速下降，达到强度要求。图12-1原始方案焊逢应力图12-2改进后焊逢应力图12焊逢方案的改进3结论由上实例可见，有限元工具在中集车辆集团的半挂车产品的研发过程中发挥了重要的作用,具体总结如下：1）它使整车产品的概念设计趋于合理方案；2）它在强度校核的基础上为产品的改进与定型提供了理论支持；3）它为零部件的精益设计给出了一系列优化建议；4）同时它对局部失效提出了有效的改进措施，在此基础上使中集车辆产品更成熟与先进；5）最重要而直接的奉献：有限元工具保障了中集车辆半挂车产品机械结构无大故障发生。综上

9、所述，中集的半挂车事业已经做到了国内第一，正向世界第一迈进。有限元工具在中集集团从随着车辆事业的进展而进展，其应用日益广泛，在中集车辆产品开发的中发挥了实际而有效的作用，未来将为中集车辆日益丰富的产品线提供更完善更先进的技术支持。参考文献ANSYS理论手册，ANSYS中国。2王勖成，邵敏。有限单元法基本原理与数值方法（第2版）。清华大学出版社,2002。3黄克智，黄永刚。固体本构关系。清华大学出版社,2002。4MichaelT.Heath.o科学计算导论（第2版）。清华大学出版社，2001。5谷安涛，常国振。汽车车架设计计算的有限元法。汽车技术，1977.6。6黄金陵。汽车车架结构元件参数的优选。汽车技术，1984.1。7黄金陵.有限元法应用于汽车车架结构分析中的几个问题。吉林工业大学学报，1980.1。8汪三清，王运周。半挂车车架的有限元分析及其静弯曲强度储备问题。汽车工程，1990.1o9周中坚，卢耀祖。机械与汽车结构的有限元分析。同济大学出版杜，1997。10邓楚南，何天明。半挂车车架有限元强度分析。武汉汽车工业大学学报，1997.4。11林程，陈思忠，吴志成。重型半挂车车架有限元分析。车辆与动力技术，2004.4。12黄天泽，黄金陵。汽车车身结构与设计。机械工业出版社，2004o（end）