摘要：文章主要从半挂车实体建模及有限元的简述出发，分别简述了车架有限元模型的建立，以及轻量化的车架结构优化，旨在与广大同行共同探讨学习。
关键词：半挂车车架；有限元分析；轻量化
一、半挂车实体建模及有限元的简述
1.半挂车介绍
半挂车是一种道路运输车辆，由两部分构成，一部分是带有动力的车头，另一部分为承载货物的半挂。半挂车是目前普遍应用的运输工具，按用途分为专用和普通两种。按大梁的结构来分有平板式、阶梯式、凹梁式三种。如下图1-1所示。
图1-1 半挂车分类
板式半挂车可以最大利用空间，同时离地面较高，方便公路运输。阶梯式半挂车货台比较低，方便货物的装卸，凹梁式半挂车具有较小的离地间隙和较低的货台。半挂车第二部分半挂结构主要由车架、双侧保护装置、工具箱、挡泥板、轮轴、牵引装置、电路、气制动、支撑、悬架装置、备胎、车箱、后保险杠等结构组成。
2.有限元法介绍
有限元法是用简单的问题替换复杂的问题并进行求解，具有计算精度较高的优点，可对不同复杂形状的工程问题进行科学有效的分析以及计算。
二、车架有限元模型的建立
建立有限元模型是进行有限元分析的基础，也即选择单元类型、赋予材料属性、划分网格、模拟连接方式、施加边界条件的过程，其中划分网格是前处理最为重要也是最为繁琐的步骤。
1.建立车架有限元模型应遵循的原则
（1）确保模型的计算效率。网格的大小、稀疏程度，也即单元与节点的数目多少，决定着计算结果的准确性和计算效率，在进行车架有限元模型建立的过程中应权衡好计算结果的准确性与计算效率的矛盾，找到最合适的网格尺寸。
（2）确保计算结果的准确性。建立车架三维几何模型的过程中，在不影响分析结果的前提下，已经对车架进行了一定的简化，目的就是为了能够得到准确的结果，避免造成应力集中等问题。
2.模型导入及中面抽取
（1）三维几何模型的导入和修复
我们将利用 Solidworks 软件建立的车架的三维几何模型导入 Hypermesh 中。首先三维建模软件有众多，如 UG、Pro/e、CATIA 等，有限元分析软件也有不同的数据接口供三维实体模型导入，其中 PARASOLID、IGES 是应用最多的，本文选择将 PARASOLID 格式的车架模型导入 Hypermesh 中，此时会弹出一个对话框，来选择进行结构分析的软件如 Ansys、Abaqus、RADIOSS、Optisruct 等，这里本文选择的 Hyper Works 自带的 Optistruct 求解器。在三维几何模型导入Hypermesh 中，模型可能与实际有些不同的地方，这是由于在导入过程中会丢失部分几何信息，因此这里就要求我们进行模型修复，常见的问题有：重叠曲面、公共边分离、曲面没有闭合等，这些问题都可以通过 Hypermesh 中 Geometry 面板进行修复。
（2）中面抽取
该半挂车车架的零部件属于薄板类实体，长度和宽度与厚度之比较大，因此可将车架几何模型进行抽取中面操作，得到结构相对简单点的壳体模型。在Hypermesh 中有自动抽取中面操作，可通过 Geomtry 面板实现，为了保证抽取后的中面模型的连续性，应进行适当的延伸、合并等操作，最终得到中面模型如图 2.1所示。
图2-1 车架中面模型
3.连接方式的模拟及边界条件的处理
（1）连接方式的模拟
对于专用车车架来说，常见的连接方式有四种：螺栓连接、铆接、焊接及粘接。本文研究的半挂车车架是通过焊接方式进行连接的，采用刚性单元 Rbe2进行模拟，通过节点耦合的方式实现。
（2）载荷的处理
由于本文研究对象是半挂车车架，因此没有考虑油箱、驾驶室等的其他附属重量，只针对货物重量和集装箱质量进行了考虑，具体添加方式如下：①货物和集装箱总质量，以均布载荷的方式施加在车架纵梁上翼板；②车架自重以添加重力加速度的形式进行施加。
三、轻量化的车架结构优化
1.轻型化材料
（1）铝合金材料
铝的性能特点为导热性好、抗腐蚀和密度小。铝合金具有高强度、容易循环利用、能够很好的吸收撞击和碰撞产生的能量等优点。铝合金用在车辆上有两种类型，分别以铸造以及形变的形式生成，主要运用在半挂车车架、发动机外形结构、汽车轮毂等部位。
（2）高强度钢材料：使用高强度钢可以在强度相同的条件下减小钢材的使用量，从而实现车辆的减重。主要运用在底盘、车身、转向机构等。
2.先进材料成型技术
激光拼焊技术通过先把几个零件焊接到一个整体毛坯，然后在冲压床上生成整体部件，主要用于强度、厚度和表面都不相同的几个零件的一体成型。这种把几种零件集合在一起的方法，可以减少模具数量，缩减不必要的工序，减轻了重量。
3.现代结构优化设计
现代结构优化设计相对于传统结构优化设计的差别是以数学方法为背景择优选取最佳方案的过程。最优答案标准随着设计条件的改变和科技进步而不同，因而最优具有相对性。现代结构优化设计是一门新兴学科，它是以结构力学、数值分析为理论基础，并以计算机作为计算工具进行机械结构的优化分析。结构优化设计可以最大限度的发挥材料使用性能，并使结构划分网格后各单元能得到很好的协调，而且在要求的安全范围内。它还能为整体方案设计提供支持。优化设计可以明显提升结构设计效率和质量，减少设计时间、降低成本费用。图 3-1 为优化的一般流程。
图3-1 优化分析流程
常用的优化设计方法按原理以及用途的差别主要可分为一种是尺寸优化，另一种形貌优化和最后一种是拓扑优化。
总之，在满足了车架刚度和强度的前提下，对车架先后进行了尺寸优化分析、材料替换优化分析及材料-尺寸联合优化分析，三种优化结果都对车架实现了很好的轻量化，在三种优化分析中，联合优化分析轻量化效果最好，最终车架质量减轻了 212kg，等效应力和位移值均有所增大，但都在所设定的取值范围之内，优化后的模型刚度和强度也满足要求。
参考文献：
［1］欧曲青.半挂车车架有限元分析及试验研究［J］.建筑学，2017（9）
［2］张温廷.半挂车车架有限元分析与轻量化［J］.基层建设，2017（3）
论文作者:郑英杰
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/17
标签：车架论文; 模型论文; 半挂车论文; 有限元论文; 结构论文; 优化设计论文; 方式论文; 《基层建设》2019年第12期论文;