有限元工具在中集車輛產(chǎn)品開發(fā)中的運(yùn)用

16/16有限元工具在中集車輛產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用作者：中集車輛集團(tuán)龔友摘要：依照中集車輛集團(tuán)多年來的經(jīng)驗(yàn)，本文對(duì)使用有限元對(duì)半掛車產(chǎn)品進(jìn)行仿真分析進(jìn)行了總結(jié)。實(shí)踐表明：有限元工具對(duì)中集車輛產(chǎn)品的開發(fā)具有重要作用。

關(guān)鍵詞：半掛車；有限元

1前言

1.1有限元在國(guó)內(nèi)半掛車行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外大的汽車制造廠家對(duì)有限元工具的應(yīng)用差不多特不成熟。但由于市場(chǎng)相對(duì)較小，國(guó)外對(duì)半掛車行業(yè)并不是特不重視，半掛車企業(yè)規(guī)模也相對(duì)較小，因此有限元工具的應(yīng)用也并不十分廣泛。

在國(guó)內(nèi)半掛車行業(yè)，有限元工具的應(yīng)用則專門少有。一些院校間或?yàn)槠髽I(yè)做過有限元計(jì)算。從七十年代開始，差不多有人開始使用有限元計(jì)算車架的剛強(qiáng)度[5]。但在九十年代前，由于軟硬件的客觀條件，半掛車的差不多上局限于使用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬[8]。從九十年代后半期開始，隨著我國(guó)高性能微機(jī)的普及和國(guó)外商業(yè)軟件的大量進(jìn)入，國(guó)內(nèi)的半掛車研究和分析人員逐漸過渡到使用板殼單元和實(shí)體單元[10]。進(jìn)入二十一世紀(jì)，商業(yè)軟件如ANSYS、MSC/NASTRAN、Algor等在國(guó)內(nèi)院校和企業(yè)得到廣泛應(yīng)用[11]，對(duì)半掛車的分析越來越精細(xì)。隨著中集車輛集團(tuán)在國(guó)內(nèi)半掛車行業(yè)的迅速崛起，中集對(duì)有限元工具的應(yīng)用也差不多代表了國(guó)內(nèi)半掛車行業(yè)的水平。目前中集有限元分析覆蓋了從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，并涉及結(jié)構(gòu)疲勞分析，同時(shí)擁有對(duì)國(guó)際流行的廂式半掛車的分析能力。

1.2中集車輛集團(tuán)有限元應(yīng)用現(xiàn)狀

中集車輛事業(yè)從上世紀(jì)末秘密研發(fā)開始，到2002年正式投產(chǎn)進(jìn)入專用車領(lǐng)域，至今已快速成長(zhǎng)為年產(chǎn)值幾十億的國(guó)內(nèi)最大的專用車制造商。在這其中，半掛車是最大的一部分，由于中集在集裝箱上的優(yōu)勢(shì)傳承，一開始就緊跟國(guó)外市場(chǎng)，能夠講技術(shù)的起點(diǎn)相當(dāng)高，但同時(shí)也對(duì)先進(jìn)結(jié)構(gòu)的技術(shù)把握提出了更高的要求。此前，，國(guó)內(nèi)半掛車企業(yè)一般是按照經(jīng)典的材料力學(xué)進(jìn)行強(qiáng)度較核。對(duì)日益復(fù)雜的半掛車來講，差不多不能通過幾個(gè)經(jīng)典公式反映結(jié)構(gòu)的各方面性能，尤其是對(duì)局部的應(yīng)力集中等情況差不多束手。這種情況下，先進(jìn)的有限元工具就表現(xiàn)出了其強(qiáng)大的功能。中集從2000年開始買入ANSYS/Structure，后來又陸續(xù)購進(jìn)ANSYS/Mechanical模塊、顯式有限元軟件LS-DYNA和Fe-safe疲勞分析軟件。同時(shí)，考慮到設(shè)計(jì)工程師的需要，還購入了Workbench快速分析模塊。目前，還有更多的有限元軟件被考慮中。中集車輛的所有車型都通過了有限元分析，解決了大量的現(xiàn)實(shí)問題。從投標(biāo)、概念設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)校核到結(jié)構(gòu)優(yōu)化和故障處理，處處可見有限元的身影。

2正文

2.1半掛車有限元分析分類

半掛車的有限元分析應(yīng)用涉及從整車到零部件的各方面，依照我司多年來的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，按工況和結(jié)構(gòu)要緊能夠分為以下幾類：

（1）整車

a)彎曲，又分為垂直彎曲和橫向彎曲。

b)模態(tài)。

c)瞬態(tài)沖擊。

（2）零部件

a)大梁垂直彎曲。

b)端橫梁橫向彎曲。

c)牽引板疲勞。

d)連接件變形。

e)保險(xiǎn)杠破壞試驗(yàn)。

f)立柱扭轉(zhuǎn)。

g)復(fù)合材料板承載能力。

h)焊逢應(yīng)力。

由于半掛車種類繁多，各種類之間差異較大，那個(gè)地點(diǎn)僅就各類半掛車較通用的工況和結(jié)構(gòu)進(jìn)行例舉，下面就各分析類進(jìn)行講明。

2.2整車分析

圖1為廂式半掛車垂直彎曲工況的分析結(jié)果。

圖1廂式半掛車垂直彎曲工況的分析該廂式半掛車是發(fā)達(dá)國(guó)家物流運(yùn)輸?shù)闹髁鬈囆?，整車質(zhì)量輕，承載能力強(qiáng)。要緊是其設(shè)計(jì)思想先進(jìn)，車身承載，底架無大梁。因此該類車的設(shè)計(jì)必須考慮整車的抗彎性能抗扭性能，這不同于其他類型的半掛車，因?yàn)槠渌愋偷陌霋燔囈话阒恍杩紤]底架的抗彎性能就能夠了。因此廂式半掛車需要分析靜載彎曲、扭轉(zhuǎn)和模態(tài)。

原始設(shè)計(jì)時(shí)該車使用的材料是國(guó)外進(jìn)口的超高強(qiáng)度鋼，我司在對(duì)整車的抗彎性能抗扭性能進(jìn)行全面有限元分析的基礎(chǔ)上，大膽采納國(guó)產(chǎn)的一般高強(qiáng)度鋼進(jìn)行材料替代，每臺(tái)車節(jié)約了數(shù)千元的成本，也降低了零件沖壓加工的難度。進(jìn)一步的輕量化設(shè)計(jì)使該車整車質(zhì)量降低到6噸以下，而目前國(guó)內(nèi)其他廠家的廂式半掛車的質(zhì)量還在7-9噸以上。

圖2廂式半掛車模態(tài)分析結(jié)果另外半掛車在使用過程中還有獨(dú)特的甩掛工況，即半掛車從牽引車卸下時(shí)落地沖擊工況。圖3為使用LS-DYNA對(duì)某型半掛車甩掛沖擊工況的模擬，能夠看到，大梁在支腿連接部受到的瞬時(shí)沖擊應(yīng)力是特不大的，需要引起足夠的重視。

圖3半掛車甩掛沖擊模擬結(jié)果2.3零部件分析

2.3.1半掛車大梁

作為要緊承載件其剛度和強(qiáng)度對(duì)整車的阻礙是第一位的，對(duì)此設(shè)計(jì)必須又充分的重視。首先，大梁要滿足強(qiáng)度要求，不僅有均布載荷要求，也有集中載荷的要求。

圖4示為某型大梁的極限承載殘余應(yīng)力。有限元準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)了在70%最大載荷時(shí)，鵝頸局部明顯失效，計(jì)算的殘余變形為27.7mm，實(shí)測(cè)為28.0mm，兩者是特不接近的。

圖4大梁極限承載殘余應(yīng)有時(shí)關(guān)于集裝箱半掛車的大梁的剛度有比強(qiáng)度更嚴(yán)格的要求，通常要求在一定的范圍之內(nèi)，不能大不能小。

圖5為某型碼頭車的剛度計(jì)算。要求同時(shí)運(yùn)輸兩個(gè)集裝箱且變形后不干涉，我司同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)和計(jì)算，試驗(yàn)結(jié)果為17mm，誤差在1mm之內(nèi)，該客戶此后一直對(duì)我司的設(shè)計(jì)深信不疑。

圖5半掛車大梁垂直彎曲工況的分析結(jié)果2.3.2半掛車端橫梁

關(guān)于需要運(yùn)輸集裝箱的半掛車，其端橫梁為直接承載件，一般情況下差不多上特不強(qiáng)壯的，然而由于某些局部的設(shè)計(jì)不合理往往引起局部裂紋。

圖6為某型半掛車的端橫梁。在該車使用一年以后，轉(zhuǎn)鎖孔的各轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)明顯裂紋，盡管可不能立即引起端橫梁失效，但鑒于端橫梁的重要性，我們對(duì)該部件進(jìn)行了疲勞分析。分析表明，轉(zhuǎn)鎖孔設(shè)計(jì)不合理，其各轉(zhuǎn)角處的疲勞壽命嚴(yán)峻不足。該研究對(duì)我司端橫梁的選型和改進(jìn)起了理論的講明，四年來未再出現(xiàn)類似問題。

圖6半掛車端橫梁橫向彎曲工況的疲勞分析結(jié)果2.3.3牽引板疲勞

牽引板作為半掛車的兩個(gè)支撐點(diǎn)之一，和懸掛具有同等重要的作用。按照美國(guó)通行的AAR標(biāo)準(zhǔn)，牽引板需要滿足三個(gè)極限強(qiáng)度要求，三個(gè)疲勞強(qiáng)度要求。我司一方面按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，同時(shí)使用Fe-safe進(jìn)行疲勞分析，對(duì)疲勞裂紋趨勢(shì)和位置進(jìn)行了較好的預(yù)測(cè)。

圖7半掛車牽引板橫向推拉工況的疲勞分析結(jié)2.3.4連接件變形

關(guān)于某些專門的半掛車，其結(jié)構(gòu)是能夠組合拉伸的，然而其優(yōu)點(diǎn)也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，圖8示，為某型車?yán)爝B接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在某專門試驗(yàn)時(shí)大量下翼板發(fā)生塑性變形。經(jīng)有限元分析后發(fā)覺要緊是結(jié)構(gòu)剛度不足，因此對(duì)該局部進(jìn)行了剛度加強(qiáng)，經(jīng)長(zhǎng)期使用未再發(fā)生變形。

圖8半掛車連接件變形的分析結(jié)果2.3.5保險(xiǎn)杠破壞試驗(yàn)

為了愛護(hù)乘用車，國(guó)家對(duì)貨車類（包括半掛車）的后保險(xiǎn)杠有嚴(yán)格的要求，該標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)FMVSS223差不多一致，包括強(qiáng)度和能量的汲取兩方面。

圖9半掛車后保險(xiǎn)杠的強(qiáng)度分析結(jié)果LS-DYNA的模擬結(jié)果和試驗(yàn)特不接近，這關(guān)于我司開發(fā)符合中國(guó)和美國(guó)要求的后保險(xiǎn)杠都有特不積極的指導(dǎo)意義。

2.3.6立柱扭轉(zhuǎn)破壞試驗(yàn)

關(guān)于廂式半掛車來講，其上部結(jié)構(gòu)中四個(gè)角立柱是主體框架的要緊承載件，一般情況下是足夠強(qiáng)壯的。

但假如側(cè)墻為開放性結(jié)構(gòu)，則顯得單薄，因此這時(shí)候需要考察其抗彎和抗扭兩性能。圖10某型廂式半掛車的角立柱的扭轉(zhuǎn)破壞試驗(yàn)，有限元模擬的結(jié)果趨勢(shì)對(duì)破壞形式預(yù)測(cè)和試驗(yàn)一致。有限元分析結(jié)果對(duì)隨后結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)給出了具體的形式和尺寸，該車經(jīng)長(zhǎng)期使用相當(dāng)可靠，其剛度好，承載能力強(qiáng)。

圖10半掛車立柱扭轉(zhuǎn)破壞試驗(yàn)的模擬2.3.7復(fù)合材料板承載能力試驗(yàn)

作為發(fā)達(dá)國(guó)家主流半掛車的廂式半掛車，廂體材料使用復(fù)合材料板差不多特不普遍。中集從一開始就特不重視車用復(fù)合材料的開發(fā)，種類目前已相當(dāng)齊全。由于復(fù)合材料的復(fù)雜性，在使用和試驗(yàn)過程中其中心夾層的情況是不可測(cè)量的，一般只有在割開表層金屬后才能了解。因此使用有限元進(jìn)行復(fù)合材料的分析具有先天的優(yōu)勢(shì)，能夠隨時(shí)對(duì)各組成層進(jìn)行詳細(xì)的描述，結(jié)果具有可視性。更重要的是能夠?qū)Ω鲗拥牟馁|(zhì)、密度和厚度進(jìn)行選擇，然后預(yù)測(cè)板的整體性能和局部應(yīng)力，這種可預(yù)測(cè)性對(duì)復(fù)合材料板的開發(fā)設(shè)計(jì)是特不重要的，是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)摸索法不可比擬的。圖11示是某型復(fù)合材料的彎曲實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果，計(jì)算預(yù)測(cè)中心層將在0.33*payload時(shí)斷裂，實(shí)驗(yàn)中在0.34*payload時(shí)出現(xiàn)斷裂聲。

圖11半掛車復(fù)合材料板彎曲試驗(yàn)的模擬2.3.8焊逢應(yīng)力分析

在半掛車結(jié)構(gòu)中大量使用焊接作為零部件要緊的連接形式。依照前人的研究明白，焊逢形式、焊逢長(zhǎng)度等因素對(duì)應(yīng)力的阻礙巨大，最壞的結(jié)果表現(xiàn)為不是應(yīng)力集中確實(shí)是失效撕裂。圖12示焊逢應(yīng)力在焊逢結(jié)構(gòu)略微修改后迅速下降，達(dá)到強(qiáng)度要求。

圖12-1原始方案焊逢應(yīng)力

圖12-2改進(jìn)后焊逢應(yīng)力

圖12焊逢方案的改進(jìn)3結(jié)論

由上實(shí)例可見，有限元工具在中集車輛集團(tuán)的半掛車產(chǎn)品的研發(fā)過程中發(fā)揮了重要的作用，具體總結(jié)如下：

1)它使整車產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)趨于合理方案；

2)它在強(qiáng)度校核的基礎(chǔ)上為產(chǎn)品的改進(jìn)和定型提供了理論支持；

3)它為零部件的精益設(shè)計(jì)給出了一系列優(yōu)化建議；

4)同時(shí)它對(duì)局部失效提出了有效的改進(jìn)措施，在此基礎(chǔ)上使中集車輛產(chǎn)品更成熟和先進(jìn)；

5)最重要而直接的貢獻(xiàn)：有限元工具保障了中集車輛半掛車產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)無大故障發(fā)生。

綜上所述，中集的半掛車事業(yè)差不多做到了國(guó)內(nèi)第一，正向世界第一邁進(jìn)。有限元工具在中集集團(tuán)從隨著車輛事業(yè)的進(jìn)展而進(jìn)展，其應(yīng)用日益廣泛，在中集車輛產(chǎn)品開發(fā)的中發(fā)揮了實(shí)際而有效的作用，以后將為中集車輛日益豐富的產(chǎn)品線提供更完善更先進(jìn)的技術(shù)支持。

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