（机械设计及理论专业论文）组合挂车的强度分析及寿命研究.pdf

摘要 摘要 本文以组合式重型挂车为研究对象，采用计算机辅助设计、有限元计算、多 体动力学仿真等多种方法楣结合的办法，对车架的疲劳寿命等问题进行了研究分 析。 本文首先基于有限元的结构分析，并结合参数化建模，利用s o l i d w o r k s 三 维建模软件和a n s y sw o r k b e n c h 建立了1 4 0 t 全挂式平板车的1 2 车架的有限元 参数化模型，然后采用s o l i d 4 5 实体单元对车架进行两种典型工况的分析，求得 了两种情况下车架底部大梁和联接座处的应力分布情况。对车架的承载能力给出 了定量的分析，为车架寿命的分析提供了依据。 本文还利用了虚拟样机技术，利用a d a m s 软件建立了组合挂车液压悬挂系统 模型，采用路面不平度函数作为运动激励，对模型进行动力学仿真，最后得到了 车载重物对车架作用力的载荷一时间谱。 基于应力分析结果，通过a n s y sw o r k b e n c h 的f a t i g u e 模块对车架的寿命进 行分析，得到了在不同路面和不同速度情况下车架底部大梁和联接座各自的寿 命。 最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：组合挂车，液压悬挂，载荷一时间谱，a n s y sw o r k b e n c h ，疲劳寿命 a bs t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，d i s q u i s i t i o na p p r o a c hf o rf a t i g u el i f eo ft h e c o m b i n e dt r a i l e rb a s e do nf i n i t ee l e m e n t sa n a l y s i s ( f e a ) a n dd y n a m i c s m u l t i b o d ys y s t e mh a sb e e ns t u d i e d f i r s t b a s e do nt h ef e ms t r u c t u r ea n a l y s i sw i t hp a r a m e t e rm o d e l ，t h e h a i fp a r a m e t e rm o d e lo f1 4 0 tc o m b i n e d t r a i l e ri so b t a i n e db yu s l n g s o lid w o r k sa n da n s y sw o r k b e n c h t h e nt h es t r e n g t ha n ds t if f n e s so ft h e u n d e r - f r a m ea n dc o u p li n go ft h ec o m b i n e d t r a i l e ri nt w oc a s e s ， w i t h s o l i d 4 5o fa n s y si sc a l c u l a t e d t h ec a r r y i n gc a p a c i t yo ft h e mi sa c c o u n t e d f o rt h e1 i f eo ft h ef r a m e i no o n s i d e ro ft h es i t u a t i o no fv e h i c l er u n n i n g0 nt h er o a ds u r f a c e ，v i r t u a l p r o t o t y p et e c h n i q u ei s u s e dt os i m u l a t ew o r k i n gs t a t u so ft h ev e h i c l e b yu s i n g a d a m s t h ep a p e rb u i l tam o d e lo ft r a i l e ra n dh y d r a u l i cs u s p e n s i o ns y s t e mt os t u d y t h ew h o l ec h a n g i n gp r o c e s so fd y n a m i cl o a d - a c c o r d i n g t ot h em s u l to f t h es t r e s s ，t h el i f eo f t h eu n d e r f r a m ea n dc o u p l i n g w i t hd i f f e r e n tv e l o c i t ya n dl o a di sc a l c u l a t e db yu s i n ga n s y sw o r k b e n c h i i lt h ef i n a l i t y , t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e r s t u d i e s a r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：c o m b i n e dt r a i l e r ，h y d r a u l i c s u s p e n s i o ns y s t e m ，c h a r to f l o a d t i m e ，a n s ysw o r k b e n c h ，f a t i g u el i f e 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：备磷 砂“年乡月汐 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 玮娣 j 第1 章引言 1 1 课题的研究背景 第一章引言 随着我国国民经济的迅速发展，特别是大件物流行业的兴起，对大件运输 设备的需求越来越多，特别是组合式多轴重型挂车出现在人们视野中的几率越 来越大。在这种环境下国内一些专用车厂家也开始生产这种组合式多轴挂车， 但是缺少相应的技术研究，产品和国外的同类产品相比存在不少不足之处。组 合式多轴重型挂车是一种高附加值产品，国外出于商业竞争和技术保密的缘故， 公开的相关技术文献非常稀少；而国内又缺少相关的研究，国内的文献就更加 的凤毛麟角了。 组合式多轴重型挂车具有载重大、灵活的特点。这种挂车非常灵活，特别 适合运载非常庞大并且不易或者不能拆卸的大宗货物，同时又可以照顾到运载 中小货物的需要。在造船、电业、矿山和物流等行业有很大的市场。随着我国 经济和工程建设的迅猛发展，对大型超长、超宽、超高物资的运输量越来越大， 受货物本身体积、质量及道路条件的限制，传统的运输车辆已难以适应这种特 殊运输的要求。特别是对于某些运输距离不远，结构复杂的，拆装麻烦的设备， 采用先拆散后运输，最后再组装的运输模式将大大增加运输成本。更难得的是， 这种组合式挂车的各个模块不但可以纵向拼接，运载超长的货物，而且还可以 横向拼接，运载超宽超重的货物硷，。 我国对于般车架设计及强度校核是依靠传统的经验和方法，即依靠经典 的材料力学、弹性力学、结构力学的经验公式。传统的经验分析设计方法，具 有简单易行的优点，目前在我国的车辆设计计算中仍起一定的作用。同时，该 方法也有明显的不足，由于经验设计带有相当的盲目性，每次车架的设计改进 都不会有明显的突破，而且设计周期长，使车架更新换代的速度比较慢，不能 与现代化商品市场竞争相适应。该方法也不能对车架结构的应力分布及刚度分 布进行定量分析口1 。因此，设计中不可避免的造成车架各部分强度分配不合理的 现象。这样使得整个车架设计的成本提高，而且某些部位强度不足，容易引起 事故。某些部位强度又过于富余，造成浪费，从而使车架达不到优化设计的目 第1 章引言 的。 1 2 国内外研究现状及本课题研究意义 1 2 1 国内外研究现状 车架结构设计，随着计算机技术的高速发展，逐渐由传统的经验设计方法， 转向了现代设计方法，例如模态试验方法、有限元方法等，其中有限元方法己 经成为车架结构分析的重要途径，且慢慢走向成熟。 1 2 1 1 国外现状 7 0 年代，欧美国家就已经在车架结构分析中采用有限元方法，并能够较好 的模拟、分析车架动态特性n 1 。随着有限元模拟方法的不断发展与完善，欧、美、 同、韩等国家的汽车生产周期不断缩短，一种新车型从概念到批量生产由6 年， 5 年，4 年发展到目前的2 年甚至更短的时间，而且产品性能越来越高。随着计 算机软、硬件水平的发展，出现了大量的有限元软件系统，主要产品有：计算 机辅助造型( c a s ) ，计算机辅助设计( c a d ) ，计算机辅助工程分析( c a e ) ，计算 机辅助制造( c a m ) ，计算机集成制造系统( c i m s ) 以及计算机虚拟现实系统( v r ) 等一大批大型工程通用软件。如n a s t r a n 、a n s y s 、i - d e a s 等，使得车架结 构动静态分析、碰撞的模拟与仿真试验等成为可能。国内己经能够用有限元对 结构、材料和形状参数等进行灵敏度分析，并取得了大量的成果喳1 。 1 2 1 2 国内现状 国内起步较晚，在8 0 年代才开始有限元方面的研究，但经过众多学者的研 究和探索，已经积累了大量的经验。已从主要是依靠经验设计发展到应用有限 元方法进行静强度计算和模态分析阶段。河北工学院的冯国胜曾经在有限元分 析的基础上，采用复合形法和惩罚函数法对汽车车架结构进行分析和计算1 。湖 北汽车工业学院的雷琼红研究了半挂车车架的结构设计，并运用计算机语言编 程对车架纵梁进行了受力分析和应力计算口1 。山东工程学院的朱永强和仪垂杰采 用a n s y s 有限元软件，利用实体单元对半挂车右主纵梁进行静载荷工况的强 2 第1 章引言 度、刚度分析，计算出整个车架的载荷和应力发布，并加以改进陋1 。北京理工大 学机械与车辆工程学院的林程、陈思忠、吴志成采用参数化建模方法建立了6 0 t 重型半挂车车架有限元模型，并用a n s y s 有限元软件对车架进行了各个工况的 有限元计算分析嘲。尽管如此，由于软硬件水平和车架分析的复杂性，车架结构 设计和分析仍是汽车工业近些年的重要研究领域n 0 1 。 1 2 2 课题研究意义 车架是组合式挂车最大的基础件，结构复杂，用经典力学方法分析其强度 和刚度不可能得到精确的答案。有限元法以离散、逼进的灵活算法，广泛的应 用于结构分析：随着电子计算机功能的提高、使用普及和通用性较强的商业化 软件的大量应用，有限元法已成为一种常用的效果最好的结构强度分析方法。 利用有限元法计算得到的位移场和应力场可以作为结构设计的原始判据或结构 改进设计的基础u 。 本文利用s o l i d w o r k s 2 0 0 8 软件对车架进行三维实体参数化建模，缩短了产 品的设计和制造周期，从而大大地缩短供货期限，有利于争取客户。并将模型 导入a n s y s 软件中进行分析，这样就可以全面了解组合挂车车架在不同工况下 的强度和刚度状态，确定力危险点，从而提高设计水平，使产品性能更加可靠， 更具有竞争能力；进而用a d a m s 得到全挂式平板车在路面上运动时的动载荷， 最后对车架进行了疲劳寿命分析，得到车架的疲劳强度。 1 3 课题的研究内容 本文主要研究了1 4 0 吨组合挂车的有限元分析以及强度的计算和寿命的估 算，同时对车架动载荷进行了初步的分析获取。本课题主要研究内容是： ( 1 ) 利用s o l i d w o r k s2 0 0 8 建立车架的三维实体模型，通过a n s y s 与 s o l i d w o r k s 软件的数据交换接口，将s o l i d w o r k s 中创建的车架实体模型直接导 入到a n s y s 中，在a n s y s 软件中计算车架在典型工况下的强度和刚度，初步 了解车架的应力和变形情况。 ( 2 ) 利用虚拟样机和仿真技术在a d a m s 中建立挂车模型，以实际的路面 不平度函数作为输入，进行动力学仿真，得到量化的动载荷系数值。 第1 章引言 ( 3 ) 利用a n s y sw o r k b e n c h 的f a t i g u e 模块对车架进行疲劳寿命的分析。 4 第2 章有限元的基本理论以及在车架上应用 第二章有限元的基本理论以及在车架上应用 2 1 有限元理论概述 2 1 1 有限单元法的基本原理 ( 1 ) 假想把连续系统( 包括杆系，连续体，连续介质) 分割成数目有限的单 元，单元之间只在数目有限的指定点( 称为节点) 处相互连接，构成一个单元集 合体来代替原来的连续系统在节点上引进等效载荷( 或边界条件) ，代替实际作 用于系统上的外载荷( 或边界条件) 。 ( 2 ) 对每个单元由分块近似的思想，按一定的规则( 由力学关系或选择一 个简单函数) 建立求解未知量与节点相互作用( 力) 之间的关系( 力位移、热量 一温度、电压一电流等) 。 ( 3 ) 把所有单元的这种特性关系按一定的条件( 变形协调条件、连续条件 或变分原理及能量原理) 集合起来，引入边界条件，构成一组以节点变量( 位移、 温度、电压等) 为未知量的代数方程组，求解之就得到有限个节点处的待求变量。 因此，有限元法实质上是把具有无限个自由度的连续系统，理想化为只有 有限个自由度的单元集合体，使问题转化为适合于数值求解的结构型问题n 刳。 2 1 2 有限元分析的基本步骤 有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限 于相对小的子域中n 引。2 0 世纪6 0 年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克 拉夫( c l o u g h ) 教授形象地将其描绘为：“有限元法= r a y l e i g h r i t z 法+ 分片函数”， 即有限元法是r a y l e i g h r i t z 法的一种局部化情况。不同于求解( 往往是困难的) 满 足整个定义域边界条件的允许函数的r a y l e i g h r i t z 法，有限元法将函数定义在简 单几何形状( 如二维问题中的三角形或任意四边形) 的单元域上( 分片函数) ，且 不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之 一【i 5 】 o 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的， 第2 章有限元的基本理论以及在车架上应用 只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为n 引： 第一步：问题及求解域定义 根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。 第二步：求解域离散化 将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的 离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小( 网络越细) 则离散域的近 似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离 散化是有限元法的核心技术之一。 第三步：确定状态变量及控制方法 一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方 程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。 第四步：单元推导 对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合 理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关 系，从而形成单元矩阵( 结构力学中称刚度阵或柔度阵) 。为保证问题求解的收 敛性，单元推导有许多原则要遵循。对工程应用而言，重要的是应注意每一种 单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低， 而且有缺秩的危险，将导致无法求解。 第五步：总装求解 将单元总装形成离散域的总矩阵方程( 联合方程组) ，反映对近似求解域的 离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单 元结点进行，状态变量及其导数( 可能的话) 连续性建立在结点处。 第六步：联立方程组求解和结果解释 有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、选代法和 随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将 通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。 简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是 建立有限元模型，完成单元网格划分：后处理则是采集处理分析结果，使用者 能简便提取信息，了解计算结果n 7 1 。 6 第2 章有限元的基本理论以及在车架上应用 2 2 有限元法在车架分析中的应用 对挂车车架进行有限元分析，是研究其可靠性、寻求最佳结构设计方案的 主要手段。挂车车架的结构由于其本身结构形状的多样、复杂性以及载荷系统 的恶劣、复杂性，以往采用经典力学的方法进行结构分析，往往带有局限性。 在相当长的一段时期内，挂车车架的设计，主要采用经验设计。为了能够计算， 往往采用较多的假设和简化，计算模型只能够做得非常简单，与实际的结构形 状相差很大，所以计算是粗糙的，精度也难以保证。有些工况下甚至采用常规 方法根本无法计算。这些都影响了整车性能的进一步提高n 引。 由于有限元法的一个独特优点是可以求解结构形状与边界条件都相当任意 的力学问题。所以有限元出现后，立刻就应用在汽车结构的计算中，成为一种 可靠的数值方法。半个世纪以来随着计算机的飞速发展，有限元法的应用范围 不断扩大，并取得了许多巨大的效益。可以毫不夸张地说，有限元法己经成为 计算机集成制造系统( c i m s ) 的一个关键的部分，对保证产品质量、减少试制费 用、缩短开发周期具有重要的意义。 由于有限元是一种数值分析方法，计算结果是近似解，其精度主要决定于 物理模型的力学抽象、力学模型的离散化以及载荷的简化。利用有限元法对车 架结构进行力学分析，有必要针对车架的几何及载荷特征对这些问题进行探讨。 2 2 1 力学模型的选择 目前采用的有限元分析模型一般有四种：梁单元模型、板壳单元模型、实 体单元模型和组合模型等。梁单元模型是将车架结构简化为有一组两节点的梁 单元组成的框架结构，以梁单元的截面特性来反映车架的实际结构特性。其优 点是划分的单元数目和节点数少，计算速度快，而且模型前处理工作量不大， 适合初选方案。其缺点是无法仔细分析车架应力集中问题，因而不能为车架纵、 横梁连接方案提供实用帮助。板壳单元模型是将车架结构离散为许多板壳单元 的组集，比较符合实际，其缺点是前处理工作量大。实体单元更接近工程实际， 但是计算时间长，而且对网格划分要求也很高。组合单元就是同时使用梁单元、 板壳单元和实体单元中的两种或者三种，这样可以避免只用实体无谓的浪费计 算机时间，而且分析计算更为精确，能为车架设计提供更为有利的帮助u 引。 7 第2 章有限元的基本理论以及在车架上应用 2 2 2 车架的静态分析 挂车车架的主要结构形式为边梁式车架，纵梁和横梁的连接方式有焊接、 铆接和螺栓连接等。其连接接头几何形状各异，应力分布复杂。根据是否考虑 接头的真实形状，边梁式车架的结构计算方法可分为两大类： ( 1 ) 不考虑接头形状的方法：最小变形能法、e r z 法、传递矩阵法和空间 梁有限法。其不足之处在于：一是忽略了接头的柔度：二是无法确切计算接头 区域的应力分布。 ( 2 ) 考虑接头形状的方法：完全法和混合法。完全法是用板壳单元来离散 整个车架，可用于纵梁并不均匀平直的刚架，缺点是前处理工作量大；混合有 限元法是交替使用了有限元和矩阵力法。 本文因主要从工程应用方面进行考虑，因此采用了不考虑接头形状的方法 进行有限元分析。 第3 章乍架有限元建模以及静力分析 第三章车架有限元建模以及静力分析 31 组合式重型挂车 随着我国经济与工程建设的迅猛发展，对大型超长、超宽、超高物资的运 输量越来越大。受货物本身体积、质量及道路情况的限制传统的运输车辆已 经难咀适应要求，有时只能使用一种组合式重型多轴液压平板挂车才能解决问 胚。 所谓组合式重型多轴液压平板挂车，是指这种挂车由许多相对独立的模块 拼接而成，根据需要选择不同的模块，这样经过拼接的挂车车架可宽可窄、可 长可短，挂车的承载量可大可小”“。由于中小荷重货物的运输一般的货车即可 完成，所以这种挂车的专长是运输那些超重、超高、超长且不可或不宜拆卸分 割的人型货物。这种挂年在电力、矿山、造船、化工和大型土方建设工程的大 型设备的运输中得到了广泛的应h j 。 法国的n i g o l a s 和德国的g o d h o 缸、s c h e u c r l e 是国外生产这种拼接挂车的著 名公i d ，国内的各大件货物运输公司多有进口其产品。 山于拼接式多轴挂车是全轴转向，所以具有载重大、通过性好、转弯半径 小等优点，图31 是一个7 轴线的全挂年实体模型。 幽31 七轴线的组合式多轴全挂乖 伞挂牟一般山前模板、中日j 模块和后模块等组成。前模块常常可做成可调 蚺的动力鹅颈形式；中间模块可以足下板粱、 u l 心梁或抬轿粱，有的组合式挂 车也可以没有中问模块，d 0 后模块直接连接在一起；后模块可以是基本组合模 块1 ，2 、3 、4 等轴线，也l 口以足咀上各模块的自t 合，所谓“组合式”即由此而 第3 章车架有限元建模以及静力分析 来。后模块是挂车的主要承重部分，一般来说都是在两轴以上，每根轴和相应 的承载平台、车轮、悬挂、转向系统、制动系统一起构成一个相对独立的模块， 根据运载的货物的需要可以把多个模块依次拼接在一起，所以这种挂车的载荷 可以达到1 4 0 吨。这种挂车采用液压一机械驱动的转向机构，因而可以实现行 驶时的全轮牵引转向和倒车，通过狭窄路段是可以手动控制转向，从而提高了 挂车的机动性，并解决了常规多轴挂车倒车困难的问题。全轮转向消除了轮胎 和路面之间的横向滑移，减少了油耗，提高了轮胎的使用寿命1 。 1 牵引销；2 鹅颈部转向系统；3 前模块；4 鹅颈部升降系统；5 支腿； 6 中间模块；7 机械转向系统；8 后模块；9 液压悬挂系统：1 0 一转向端梁 图3 2 组合式重型多轴半挂车机构图 图3 2 为组合式重型多轴半挂车机构图。前模块3 装有牵引销1 ，鹅颈部 转向系统2 和鹅颈部升降系统4 。牵引销l 与牵引车的牵引座相连，其作用是使 牵引车与半挂车连接，把牵引车的牵引力传给半挂车，它承受纵向、垂直负载； 鹅颈部转向系统2 通过两个液压缸将牵引车的转向参数转换成液压信号传递给 后部的转向端梁l o ，使后部的机械转向系统做出相应的转向动作；鹅颈部升降 系统4 由两个升降油缸组成，其支点分别安装在鹅颈部和中间模块6 上，利用 手动换向阀控制两个油缸，可以升降货台前部或适应后模块8 液压悬挂的升降， 以保证货台的水平；支腿5 采用联动式手动支撑装置，操纵轻便，在半挂车脱 离牵引车时，起支撑半挂车作用，还可以通过支腿调整半挂车前部高度，有利 于牵引车与半挂车的分离与结合。 中间模块6 是两个焊接工字型主梁和两个边梁及横梁组成焊合框架，承受 l o 第3 章车架有限元建模以及静力分析 着复杂的空问力系，根据货物及道路情况可将其做成不同形式。 后模块8 是标准的组合全挂车单元模块或单元模块组合，它主要包括机械 转向系统7 、液压悬挂系统9 和转向端梁1 0 。机械转向系统7 将转向端梁上转 向油缸的转向信号，通过机械杆传递给每个悬挂系统，最终使各轴的车轮都能 按j 下确的方向行驶；液压悬挂系统9 是挂车的主要支撑装置，通过每个悬挂油 缸的两个截止阀的关闭，可以实现对挂车载货平台的调整；还可以调整载货平 台与轮面的夹角；转向端梁1 0 是半挂车的转向、操作部件，半挂车支撑高度的 调整和强制转向的调整，都是通过转向端梁上的控制箱来完成的口引。 此外，组合式重型多轴挂车还包括制动系统、电器系统等。 组合式重型多轴挂车的主要特点是：横向拼接时需要使用横向拼接板以及 可伸缩式牵引车( 可双向牵引) ，并在横向拼接块处加装横向调整垫片，以保证 车架平台面具有千分之一拱度；通过控制牵引车上的液压泵站驱动液压悬架可 使载货平台升降，以便于装卸货物；同时可调节液压泵站确保工作平台3 点水 平支撑，达到工作平台均匀和平衡承载，防止货物侧倾或侧翻造成事故嘶1 。 3 2 车架有限元模型的建立 本文参考一些挂车车架的结构，并结合该车自身特点，综合考虑影响车架 设计的因素。比如：载荷大小及其分布、各部件同车架的连接尺寸、各部件在 车架上的布置情况、刚度情况、横梁与纵梁不同的连接方式对车架刚度和强度 的影响、车架横向和纵向的可拼接性等等。 由于整车的结构复杂，本文根据具体情况对一些附属结构和工艺结构进行 了简化： ( 1 ) 通过三维c a d 软件s o l i d w o r k s 进行车架的三维实体建模，假设 焊接的强度足够大，将车架的有限元模型看成刚性连接的整件，不考虑零件焊 缝装配搭接情况。 ( 2 ) 因为s o l i d w o r k s 2 0 0 8 不支持直接与a n s y s l l 0 数据共享，所以 需要先将s o l i d w o r k s 2 0 0 8 生成的零件模型改成后缀名为xt 的p a r a s o l i d 文 件，该文件可以在转换的时候得到图形属性最完整的图，然后使用a n s y s w o r k b e n c h 的d e s i g nm o d e l 读取该文件，这样就相当于在a n s y sw o r k b e n c h 的 d e s i g nm o d e l 罩面建立模型，完成后导入到d e s i g ns o l u t i o n 旱面进行进一步的有 第3 章卞架有限元建模以及静力分析 限元分析。 ( 3 ) 略去承受载荷比较小，对结构变形影响比较小的部件，如纵梁通孔上 固定转向装置的结构件、纵向拼接的连接部件等。 ( 4 ) 由于车架关于中轴是中心对称的，因此可以选取车架的l ，2 进行建模 分析。 选定车架的材料为q 3 4 5 ，弹性模量是e = 20 t 0 5 m p a ，泊松比为03 ，屈 服强度【吒】- 3 4 5 朋p a 。 初步建立车架参数化模型如图33 所示。 j 幽331 2t 架的参数化有限元模型 车架全长1 0 8 0 5 m m ，宽度为2 9 9 0 r n m 。现建立1 ，2 模型则车架长度为 1 0 8 0 5 m m ，宽度为1 4 9 5 m m 。它由主梁、横粱、支撑粱、尾部横梁、连接装置、 支撑装置等组成。整车通过横梁间的支撑梁、臣架、轮轴和车轮传到地面。车 架主梁、横梁、支撑梁和尾部横梁为箱型断面的焊接件，具有较大的抗扭刚度 和较高的抗弯强度3 。各支撑粱的f 面连接转盘的悬架机构，以史现挂车的仝 轮转向。横粱与纵梁的连接方式为分段焊接横粱与纵粱上翼扳和腹部连接( 图 34 a ) ，支撑梁与横粱的连接方式为分段焊接，支撑粱与横梁为上下翼板连接( 图 34 b ) 第3 章车架有限元建模以及静力分析 h耳 a ) 横粱与纵粱上翼板和腹板连接( b ) 支撑梁与横梁上f 翼板连接 图34 横粱与纵粱的连接方式 完成车架建模以后需要对网格进行划分因为s o l i d 4 5 单元适用于复杂的 车架建模，有利于对车架整体的应力大小进行分析，所以本文选择实体单元 s o l i d 4 5 对车架进行网格划分。s o l i d 4 5 是一个三维六面体单元，可用于建立 各向同性固体力学问题的模型，它有8 个节点，每个节点有沿x 、y 、z 方向的3 个评议自由度。其中，分布载荷可以作用于这个单元的各个侧面。这个单元类 型可咀用于分析变形、大应力、塑性和疲劳等问题。 网格划分后，整个车架被划分成6 6 3 2 9 个节点3 3 1 4 5 个单元。有限元阿格 划分模型如下图3 5 所示。 ， 一7 、r 1 = h 、一嗡y 黼 “- _ _ e 吾= 鹫 崮35l 2 乍架有限元网格划分模型 33 车架的工况载荷以及约束 乍架的最大受载为其满足重量和自身股车架上备部件重量的总和。本车架 第3 章车架有限元建模以及静力分析 规定车轴线昂大承受载荷为2 0 吨。当重物位于车子的不同位置时，也就是说支 撑点位置不卅的时候，对于车轴线来说要提供不叫的承受载荷，但车轴线的最 大承受载荷为2 0 吨，幽此选择撮大值来进行计算。州时根据组合式挂车的宴际 行驶情况和作业环境，通过参考自己的理论分析，选择以下两种典型工况进行 计算。因为是选择半的车架，所以认为每根车架横粱虽大受力为1 0 吨。 ( 1 ) 工况l ：重型挂车在实际运行过程中，最容易出现断裂问题的有两个 地方：车架大粱底部和联接座处。工况1 是针对车架大梁底部受力断裂情况进 行分析。 受力情况分析：连接车架在中间承载，此时连接处产生最大弯矩，同时产 生最大剪力。 加载以及约束情况：针对鹾工况，选择在各横梁上作用悬挂垂直支撑力， 台汁值为7 0 0 0 0 0 n 。对从右数第三个横梁中间到尾部横梁上表面施加完全约束， 因为牟架为1 2 车架，对车架中问分割部位施加对称约束。具体加载咀及约束情 况见下图3 6 ： 鬻孽舞霉爹鬻 【u 一o i d 一t 1 4 冒等” j 篝塞薄瀚离 霉：鬻隳霹澜 幽36i 况l 加载以及约束情况 、l ： ( 2 ) _ 况2 ：针对联接座处受力断裂睛况进行分析。 受力情况分析：连接车架在两端承载，此时连接处产i 撮大弯矩，而剪力 为零。 加载以及约束情况：针对该r 况，选择在靠近受分析联接座旁边4 根横粱 r 作用悬挂垂直支撑力，合计值为4 0 ) 0 0 0 n 。川时住尾部横粱违接处施力对称约 束；联接座销孔处施加径向约束，因为车架为1 2 车架，所以仍然要对车架中间 分割部位施加对称约束。具体加载以及约束情况见下图37 ： 第3 章车架有限元建模以及静力分析 圈37 工况2 加载咀搜约束情况 34 车架静态有限元分析结果 ( 1 ) t 况1 有限元分析结果 在经典工况1 的加载以及约束情况下，可以得到车架的v o i l m i s e s 应力等值 线圈如图3 8 所示。 制38i 观1 车架应力等值线圈 如上图所示车架大梁底部的最大应力为o - 。、= 1 9 17 4 m p a ，发生往约束处下 方的地方。从图38 刈以看出，车架大梁底部受力满足设计要求。 ( 2 ) 工况2 有限元分析结果 在经典工况2 的加载以及约束情况r u ，以得到午架的v o n m i s e s 应力等值 线幽如图3 9 所示。 第3 章车架有限元建模咀及静力分析 附39 】况2 下架廊力等值线罔 如图所示车架的最火应力为o - = 18 47 2 m p a ，茳生在联接座圆孔底部中间 处。工况2 主要考察的足联接座处的麻力状况，可以从 图中看出，联接座处 的应力并小是很大，为1 8 5 m p a 左右，满足设计望求。 3 5 本章小结 率章利用s o l i d w o r k s 软什建立i 2 车架的三维实体模型，通过a n s y s w o r k b e n c h 与s o l i d w o r k s 软什的数据交换接口，将在s o l i d w o r k s 中创 建的车架的实体模型直接导入a n s y sw o r k b e n c h 中，并对模型进行了修改， 修改完牛后，选择文体币元s o l i d 4 5 对模型进行网格划分，然后再进行2 种典 型工况下车架强度和刚度的有限几分析，计算出了1 ，2 车架的戟荷和应力分布。 为下一步年架寿命的汁并提供了依据。 震 第4 章路面不平度研究 第四章路面不平度研究 组合式重型挂车在行驶状态下受路面不平度的激励，引起系统发生振动。 它的很多零件均发生动力响应。首先要研究确定路面不平度，它是挂车振动的 激励源。路面平整度是路面性能最重要的指标之一，路面平整度不仅影响汽车 的行驶安全、乘客的乘坐舒适性、运输的经济性，它还直接决定汽车动载作用 力。不同平整度的路段行车方向不同点处作用的汽车附加动载是不同的，这就 直接影响了各点塑性变形的发展，使各点塑性变形的累计不同。从宏观上就表 现为，公路上沿行车方向高低起伏，不同路段具有不同的平整度。这些高低起 伏的路表面反过来又将导致有不同的汽车动载作用在路面上，一般来说路面凹 陷区域由于汽车的超重作用，将产生正的附加动载，使这些凹陷区承受大于汽 车自重的动载作用，而路面拱起区域由于承受汽车的失重而产生的负的附加动 载，这些区域承受小于汽车自重的动载作用。由于这种差异，使得路面凹陷区 与拱起区所承受的实际动载力有较大差异，因此研究路面不平度下汽车零部件 的动态响应有着实际的意义。 4 1 路面不平度的表达 路面不平度( s u r f a c er o u g h n e s so rs u r f a c ee v e n n e s s ) 是指路面表面相对于理想 基准平面的偏离，严格地讲，这个定义包含两层意思：是道路表面相对于理想 基准水平面的竖向偏差：是这种偏差的频谱。这个定义表明路面的不平整度不 但会影响车辆的动力性能，而且会影响车辆行驶的安全性、舒适性和路面的动 荷载驯。 事实上，正如文献所论述的，路面不平整度是一个十分混乱的概念，至今 还没有一个单一、标准的定义。交通部标准公路工程名词术语( j t j 0 0 2 - 8 7 ) 将“s b r f a c e e v e i l t ! e s s ”定义为“路表面纵向的凹凸量的偏差值”将“s u r f a c e r o u g h n e s s ”定义为“路表面骨料的棱角阻止轮胎滑动的能力”。美国试验与材料 协会( a s t m ) 的定义为“道路不平整度( s u r f a c er o u g h n e s s ) 是路面表面相对于理想 平面的竖向偏差，而这种偏差会影响到车辆动力特性、行驶质量、路面所受到 1 7 第4 章路面不平度研究 的动荷载和排水，例如，纵断面、横断面和横坡。”这个定义的合理性在于：它 明确了影响路面平整度测量的参照系，避免了由于采用不同测量仪器而引起的 基准面差异所造成的平整度测量结果在数值上的差异；明确了影响平整度的因 素有人一车一路三个方面，避免了片面性；它给出了区分平整度与粗糙度、平 整度与道路纵坡的标准，将粗糙度和纵坡不能明显表现的人一车一路三个影响 特性，在平整度定义中清晰地呈现出来。故本文在定义不平整度时基本上是以 美国试验与材料协会( a s t m ) 的定义为依据的啪1 。 路面不平整度的产生，对新建公路来讲主要是由施工因素和材料特性引起 的。当然，从微观上讲，路面的高低起伏是客观存在无法避免的：对己运营公路， 其不平整度主要是由路面长期使用产生的不均匀磨损，或路基永久变形沉降所 引起的几何不平整，路表面的裂缝、坑洼、过渡段接头处的高度差等路表特性 也包括在不平整度范围内。 4 2 国际不平度指数 路面平整度的描述方法非常多，根据测量仪器的不同有不同的评价指标， 根据评价方法的差别有客观指标与主观指标之分。下面对其中两种典型的描述 方法：国际平整度指数和路面功率谱密度进行详细介绍心驯。 国际平整度指数是世界银行组织召集世界各国专家学者，考虑了公路路面 的长波模型、短波模型、台阶模型以及专家模型等向世界各国推荐的平整度指 标。目前，国际平整度指数已发展成为各国平整度的通用指标。 4 2 1 国际不平度指数计算模型 国际平整度指数是针对反应类平整度仪进行平整度测定的模拟。它应用力 学方法模拟理想车辆( 1 4 车，即单轮，见图4 1 ) 以一定速度沿路表纵断面行 驶时的反应，计算l k m 距离内系统的相对竖向位移累积值，以m k m 表示。由于 反应类平整度仪的测定结果同速度有关，因此，国际平整度指数规定了标准速 度为8 0 k m h 。 1 8 第4 章路面不平度研究 测苏断面 图4 1 理想车模型 图4 1 中，聊。为簧载质量，即车身部分质量；胁，为非簧载质量，即轮胎质 量；恕为车身悬架刚度；毛为轮胎刚度；q 为悬架阻尼。由图4 8 所示的理想 车模型，可建立运动控制方程如下式( 4 1 ) 所示： 。 1 咒+ c ( y s y ，) + k 2 ( y , 一只) = o ( 4 1 ) u y t + k ；( y t 一善) 一c ( y s - y ，) 一如( 只一y t ) = 0 j 其中：y ，只簧载质量和非簧载质量的垂直绝对位移； c ，u ，k l ，毛一一系数，取c = g m s = 6 0 s ，u = 幔m , = o 1 5 ， k i = k t m s = 6 5 3 s 。2 ，k 2 = m s = 6 3 3 s 。2 ； f 纵断面高程。 输入纵断面高程，解得比和只，从而得到国际平整度指数为式( 4 2 ) ： i r = 7 1i l y t - y , d x ( 4 2 ) 一0 国际平整度指数具有良好的时间稳定性，同各种反应类平整度仪测定结果 可建立良好的相关关系，而各种平整度仪测定结果转换成i r i 后具有良好的一 致性2 4 l 。 1 9 第4 章路面不平度研究 4 2 2 几种常用不平度指标之间的换算关系 ( 1 ) 国际平整度指数与平整度标准差的关系 我国交通部公路科学研究所在北京、上海、南京、长春、太原等地对国际 平整度指数1 r ( i n t e r n a t i o n a lr o u g h n e s si n d e x ) 与连续平整度仪测定的平整 度标准差盯进行了大量的对比试验乜钉。试验结果表明，两者具有良好的相关关 系：o r = 0 5 9 2 6 i r + 0 ，0 1 3 ，相关系数为0 9 8 7 5 。 为便于应用，一般取o r = 0 6 i r i 。计算表明，在保留小数点后位时，由公 式盯= o 5 9 2 6 i r + o 0 1 3 和仃= 0 6 i r i 计算出的i r i 差值非常小，远小于测试过程 中的误差。所以，采用公式1 7 = 0 6 i r i 来进行i r i 与口两个指标的相互换算。 ( 2 ) 国际平整度指数与直尺最大间隙的关系 测量结果表明，各种不同基长直尺的测量指标与i r i 有良好的拟合关系。表 4 1 为常用直尺的最大间隙( 以第9 5 个百分点的间隙为最大间隙) 和i r i 的换 算关系。 表4 1 直尺测量指标与删的换算 换算关系相关系数 距q o = 1 4 0 i r 0 9 8 5 s e d 2 o = 2 2 9 1 r 0 9 9 7 s e d 3 ，o = 2 8 5 1 r 0 9 9 4 注：她一基于为旯的直尺，以第9 5 个百分点的间隙为最大间隙值，i l i m ( 3 ) 国际平整度指数与其他指标之间的关系 表4 2 是国际上一些比较常用的路面平整度评价指数与i r i 的换算关系嘶。 表4 2 平整度评价指标与i r i 的换算 i r = q 1 m 1 31 r i = ( q i y + 1 0 ) 1 4 i r i = o 0 0 3 2 b i o 8 9 换算关系 i r = 叱5 1 6 i r 5 5h a ( 5 o p s i ) i r i = 0 8 0 r a r s 5 0 i r i = 0 7 8 m 6 3i r i = c a p l 2 5 ( 2 2 + 0 8 a ) 2 0 第4 章路面不平度研究 表中：瓯巴西u n d p 道路成本研究室的四分之一车辆型标定道路计指数， 表示为次数k m ； q 四分之一车辆型q i 平整度仪的“纵剖面r b t s g h 函数”，表示为次 数k i n ： 彤英国t r l 的拖车式颠簸累积仪指数，测量速度3 2 k m h ，表示为 m m k m ； c 只。比利时道路研究中心的a p l 7 2 纵剖面仪，单位0 o l m m ； 脚美国的路面现时服务能力指数； r a r s 5 。模拟速度为5 0 k m h 的参照平均移动斜率，单位m k m ； w s 法国道路桥梁研究室的a p l 7 2 纵剖面仪，测量表示为1 。- - - 3 m 短波 的指数； 例飓。法国道路桥梁研究室的a p l 2 5 纵剖面仪的系数； 彳沥青路面时为l ，其他路面时为0 。 4 3 路面功率谱密度 汽车工程中常用功率谱密度来描述路面的平整度，它是把路表断面高程假 设为随机过程，在频域内分析路面的平整度。引入功率谱密度需要简单了解随 机过程的基本概念。 4 3 。1 随机过程的基本概念 随机物理现象所产生的数据具有不确定性，这些数据在性质上是随机的， 不能用确定的方程来描述其变化规律，也不能预测未来时刻数据的准确值，只 能用概率和统计的方法来描述其规律性。数学理论上的随机过程分类见图 4 2 。 如果把随机现象的单个时间( 空间) 历程矗( f ) 称为样本函数，那么随机过 程就是随机现象可能产生的全部样本函数的集合 x ( f ) ，即 x ( ，) = ( f ) ，恐( f ) ，( f ) ( 4 3 ) 一个样本函数以( t ) 的时间区域是 一o d ，+ o 。l ，样本函数集合的个数n 也是无 穷量。这样