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工程硕士学位论文 半挂车主纵粱强度分析与改进研究 摘要 根据半挂车生产企业的需求，利用有限元分析技术，以a n s y s 软件为分析平 台，对不同工况下半挂车车架的强度和刚度状况进行了分析，为该企业半挂车的改 进升级提供了参考依据。 本文从半挂车的现状、结构特点入手，针对某半挂车厂开发研制的b l 2 0 1 型半 挂车，运用有限元分析技术对半挂车主梁刚度、强度进行了研究，并就某些可行的 改进进行了探讨。论文中介绍了在半挂车分析中应用有限元的概念、原理及分析的 基本思路，详细说明了有限元方法在车架结构分析中的步骤，并对分析软件中涉及 到的壳单元、梁单元作了详细的讨论。以b l 2 0 1 半挂车为具体分析对象，研究了 车身结构分析载荷和约束的模拟，对车身的刚度、强度进行了有限元分析，分析计 算中利用p r o 厄n g i n e e r 软件对车架进行了三维实体建模，并将模型导入a n s y s 软件 中进行边界条件设定、加载、网格划分、计算及后处理。对半挂车在若干不同允许 工况下的主纵梁最大应变和应力进行了计算分析，计算结果表明，企业的半挂车整 体强度偏低，在正常情况下可满足强度和刚度要求，但在中前部加载等不同运输工 况下，主纵梁局部出现最大应力点，该最大应力远大于车架材料的许用应力。 为减少最大应力，文中提出了几种车架的改进方案，计算表明，加大主纵梁与 牵引销座的接触面积，同时降低主纵梁中间腹板高度，并采用细而密的横梁，可以 减少最大应力和最大变形，为车架改进升级提供了参考。 关键词：半挂车主纵梁强度刚度有限元分析改进； 工程硕士学位论文半挂车主纵粱强度分析与改进研究 a b s t r a c t i no r d e rt om e e tt h en e e do fs e m i - t r a i l e r sp r o d u c e r , a n a l y s i so ff i n k ee l e m e m m e t h o dw a su s e dw i t ht h ea n s y ss o f t w a r e n 坞c a l c u l a t i o no fs e m i - t r a i l e r s i n t e n t i o na n d s t i f f n e s ss i m u l a t e ss e v e r a lw o r k i n gc o n d i t i o n s t h er e s u l to ft h es i m u l a t i o nw i l lg u i d et h e i m p r o v er e s e e r c ho ns e m i - t r a i l e ro f t h ef a c t o r y n em a i nj o bo ft h es t u d yi n v o l v e s ：t h es t a t 璐q u oo fs e m i - t r a i l e r ss t u d y , a n dt h e s t r u = t u r ec h a r a c t e r so fs e m i - t r a i l e r t h eb o d ys t r u c t u r ea n a l y s i sm e t h o do fs e m i t r a i l e r , a n d t h ef i n i t ed e m e n tm e t h o db s a g ei ns e m i - t r a i l e ra n a l y s i s 1 1 圮m a i nw o r k i n gc o n d i t i o n so f s e m i t r a i l e r si na c t u a l ，a n da c c o r d i n g l yt h ea p p l i c a t i o nm e t h o do fc o r r e s p o n d i n gl o a da n d b o u n d a r yc o n d i t i o n sa r ea l s od i s c u s s e di nd e t a i l t h ei n t e n t i o na n ds t i f f n e s so fd i f f e r e n t w o r k i n gc o n d i t i o n so f m a i nl o n g i t u d i n a lb e a ma r es i m u l a t e d i no r d e rt or e d u c ei n t e n t i o na n ds t i f f n e s s , t h ei m p r o v e m e n to i lb o d ys t r u c t u r ew a s s t u d i e d s o m es c h e m e sw e r ei m a g i n e da n dc a l c u l a t e d k e y w o r d s ：s e m i - t r a i l e r ；m a i nl o n g i t u d i n 且lb e a m ；i n t e n t i o n ；幽e s s ； f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；i m p r o v c a n e n t y 。1 0 0 0 5 1 7 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：圣! 噶劲年乒月知日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 工程硕士学位论文半挂车主纵粱强度分析与改进研究 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 本课题研究内容是根据某半挂车生产厂的需求，对该厂生产的半挂车进行结构 强度、刚度分析，以便为产品的改进升级提供依据。 半挂车，与其说它是一种车型不如说它是一个具有着很好兼容性与方便快捷性 的公路运输方式。说到兼容性，就是这一分类当中可以包括：厢式半挂车、罐式半 挂车、平板半挂车、集装箱半挂车、成品车辆运输半挂车等品种。而且还可以在厢 式半挂车的这一大类里又分出保温半挂车、冷藏半挂车、保鲜半挂车等，可以说在 每一个大类的下面都能分出大量的细分车型。而且国家管理机构对半挂车也给出了 如下规定：“专用半挂车的术语和定义是将专用汽车同类结构产品术语中的车字改为 半挂车，定义中的汽车改为半挂车即可”。所以说，半挂车对于其他车型的替代作用 是非常明显的，这也就是专用车中半挂车比例最大的主要原因。而说到它的方便与 快捷，则“甩挂运输”就是半挂车这一特性的最好诠释。这种国际通用的半挂车甩挂 运输”方式已经逐渐得到社会的认可。在天津、上海、深圳等大型港口码头一车多挂 的运输方式早就在大范围地应用着。在国内公路运输行业发展的将来，一车多挂这 种高效的运输方式绝对不仅只是港口码头的专利，而且还是大型汽车运输公司、货 场、车站乃至个体运输的首选模式。另外，业内专家也进一步证实，与“单体式”汽 车相比，半挂车更能够提高公路运输的综合经济效益。运输效率可提高3 0 5 0 ， 成本降低3 0 4 0 ，油耗下降2 0 3 0 。更重要的是，半挂车的使用，还能对我国 物流的组织形式起到一定程度的促进作用。 随着我国道路条件的不断改善，特别是高速公路通车里程的大规模增加，半挂车日 益显示其自身的优势，半挂汽车列车具有运输效率高、吨千米油耗低、经济效益好、 能够实现i - j n l l 运输等优势，得到广泛应用，己成为道路货运的主要运输工具之一 并逐渐成为高速公路上的运输主力军。无论是栏板式半挂车，还是平板式、骨架式、 平板带插桩式半挂车，已形成了不同长度、不同结构、不同用途的半挂车系列产品。 半挂汽车列车是由牵引车和半挂车组合而成的，为了提高运输效率，我国开始推广 甩挂运输方式，即同一辆牵引车连接不同的半挂车进行运输，而车架是半挂车的主 要承载构件，其结构直接影响车辆的使用性能，则对半挂车车架的研究显得尤为重 要。专用汽车生产厂家的产品开发和设计任务也日益繁重，我们结合实际设计工作，联 系相关设计要求，提出了一种确定半挂车刚度、强度的计算方法，为产品改进提供依 据。 半挂车车身结构及其承受的载荷工况的复杂性，致使应用一些简单的方法难以 工程硕士学位论文半挂车主纵粱强度分析与改进研究 对其进行结构分析。传统的汽车设计走的大多是经验设计的路子，即产品设计以生产 技术中的经验数据为依据。运用一些附有经验常数的计算公式为主要方法，这样的设计 由于缺乏准确的设计数据和科学的计算方法。使产品的结构安全系数取的偏大所设计 零件过于笨重。 车身作为一个受力结构必须有足够的强度以保证其疲劳寿命，足够的刚度以保 证其使用和装配的要求，有限元方法能够有效的满足上述车身设计的要求。随着计 算机技术的发展，c a d c a e 技术在提高产品质量和建立自主开发能力方面，对汽车 企业提供了极大的帮助。c a e 技术中一种新的结构数值模拟方法一有限元分析正 越来越广泛的应用于汽车产品开发中。随着计算机技术的飞速发展，c a e 方法已成 为车身结构设计中的主要方法，这种方法与传统的车身设计方法相比较具有以下新 特点： 1 ) 设计与分析并行； 2 ) 优化的思想在设计的各个阶段被引入； 3 ) 大量的虚拟试验代替实物实验； 计算机辅助工程( c a e ) 是一个很广的概念， 从字面上讲它包括工程和制造业信 息化的所有方面，但传统的c a e 主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全可 靠性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并证实 未来工程、产品功能和性能的可用性与可靠性。 现代的车身结构设计中c a e 方法已得到广泛的应用，c a e 技术中的有限元分析 方法在机械结构强度和刚度分析方面因具有较高的计算精度而到普遍采用，特别是 在材料应力一应变的线性范围内更是如此。在车身结构设计中，车架和车身是汽车中 结构和受力都较复杂的部件，车架和车身有限元分析的目的在于提高其承载能力和 抗变形能力、减轻其自身重量并节省材料另外，就整个汽车而言，当车架和车身 重量减轻后，整车重量也随之降低，从而改善整车的动力性和经济性等性能。 半挂车主梁是承受车身及承载货物的主要结构，其本身的型材、形状、结构、 重量对半挂车的承载能力及车身机动性、稳定性有极其重要的影响。对其设计分析 可考虑有限元法。应用有限元法对产品设计对象进行分析是现代设计方法中的一种 常用的方法伴随着计算机科学和技术的快速发展，有限元法已经成为计算机辅助 设计( c a d ) 和计算机辅助制造( c a m ) 以及计算机辅助工程( c a e ) 的重要组成部分 伽。所谓有限元法，就是将实体的对象分割为不同大小、种类、小区域，即有限 元根据不同领域的需求推导出每一个元素作用力方程，组合整个系统的元素并构 成系统方程组，最后将系统方程组求解嘲有限元法具有以下特色： ( 1 ) 整个系统离散为有限个元素； ( 2 ) 利用能量最低原理( m i n i m u mp r o t e n t i a le n e r g yt h e o r y ) 与泛函数值定 2 工程硕士学位论文 半挂车主纵粱强度分析与改进研究 理( s t a t i o n a r yf u n c t i o n a lt h e r o y ) 转换成一组线性联立方程组。 ( 3 ) 处理过程简明。 ( 4 ) 整个区域做离散处理，需庞大的资料输出空间与计算机内存，解题耗 时。 ( 5 ) 线性、非线性均适用。 ( 6 ) 无限区域的问题较难仿真。 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元 分析软件，由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 公司开发，能与 多数c a d 软件接口( 如p r o e n g i n e e r 、a l o g o r 、u n i g r a p h i c s ，a u t o c a d 等) ，实现 数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一，也是迄今为止世界范 围内唯一通过i s 0 9 0 0 1 质量体系认证的分析设计类软件。a n s y s 软件可广泛应用于 机械制造、石油化工、航空航天、汽车交通、土木工程、水利工程、国防军工、电 子工程、生物医学、日用家电及能源、造船、地矿等一般的工业和教学研究领域 ”。k e t e l a a r ，c 在a n s y s 一文中详细说明了这种软件的应用嘲。张萍详细论述了如 何在a n s y s 建模过程中准确定义单元属性，从而使有限元模型能更接近于实际系 统嘲因此，运用a n s y s 软件，是可以有效地解决半挂车主梁结构的优化问题的。 所谓结构，是指工程中能承受载荷并起骨架作用的部分嗍对结构的优化设 计，大体上可分为三个阶段。第一个阶段是建立数学模型，把一个工程结构的设计 问题变成一个数学问题；第二个阶段是选择一个合理、有效的计算方法；第三个阶 段是编制通用计算机程序。电算程序编成以后，对于同一类型的结构，可由电子计 算机迅速给出最优化设计方案来们通过对半挂车图纸分析，其主要结构是在主纵 梁上焊接不同横梁以及其他附属结构的杆件结构。对其承受载荷变形来看，在预定 的载荷及考虑不同路面的情况下，应该控制结构的变形在弹性变形阶段，这样才能 保证半挂车的良好运行状况，确保其运行的可靠性。对半挂车的结构优化，就是在 确保其在预定载荷情况下，结构最简化，重量最轻的情况。因此，合理运用 a n s y s ，可以考虑不同情况的半挂车的主梁进行有限元网格划分，并分别计算其受力 变形情况。 1 2 前人在本选题研究领域中的工作成果简述 近2 0 年来，计算机软件工程和有限元分析软件的发展己相当成熟，因此，用计 算机手段实现结构的分析及优化已成为工程师和研究者的热点。特别是在车身方 面，国内外的众多学者都对车身结构及其优化问题做出了相应的探讨。特别是 a n s y s 在我国的许多领域都有广泛的应用，并且都取得了很丰硕的成果。 仅仅从车体结构以及结构优化方面来看，前人也有很多方面的探索如 3 工程硕士学位论文 半挂车主纵粱强度分析与改进研究 w i l h e l m r u s t 和k a r ls c h w e i z e r h o f 就应用a n s y s 和l s - d y n a 解决了薄壁结构的有 限元应力分析问题。卢耀辉、邬平波、曾京建立了铰接式货车平车底架的有限元 计算模型，对其底架进行了静强度、刚度，固有频率及振型计算，针对铰接式货车底 架刚度弱的特点，提出了方案修改建议，对铰接部位采用不同结构形式进行了详细对 比分析伽。沈光烈、廖抒华应用有限单元法对南宁客车厂生产的l y j _ 1 0 型静力触探 车的行使工况及触探工况进行了受了分析计算，同时根据分析结构探讨了该车应力 响应特征，并对强度和刚度做出了评估u 0 1 。顾力强、林忠钦、黄洪钟对s h 6 6 0 0 轻型 乘用车车身结构进行了静态和动态性能有限元分析，并根据该车身结构，提出了适于 在微机上进行分析处理的由空间骨架和应力蒙皮构成的车身结构混合单元有限元分 析方法“o 。蔡志武、陈洁应用有限元的方法对某型车底架的结构进行了强度分析研 究，通过u g 建立三维数模，利用a n s y s 使用板壳单元来建立结构复杂的底架有限 元计算模型，对有限元强度进行计算和结果的分析，指出了其结构设计的特性，为 进一步结构的改进设计提供了理论依据“”。王海霞等认为对于客车身骨架类的框架 结构，用梁单元建模不仅具有建模简单、计算量小的优点，而且通过一些建模技术，精 度能很好地满足工程要求，并以某集团的cj6 1 2 1 g c h k 型客车车身骨架为例来 阐述框架结构的梁单元建模技术及结果分析技术，通过一些模型简化措施，建立并简 化了梁单元模型；采用短梁单元对其连接区域进行模拟，提高了框架结构梁单元的建 模精度：通过不同典型工况下结构的强度、刚度性能较核，进行了结果分析，提出了对 该客车车身骨架进行结构粗略修改的依据嘲。周健生、蔡荫林以结构系统的可靠性 作为结构的优化控制参数，用改进的分技限界法判认主要失效模式，用pn et 法 计算结构系统的可靠度，导出了强度、刚度可靠度的灵敏度分析表达式。提出最佳 矢量型法的迭代公式，有效地求解了结构在系统可靠度约束下的最小重量设计问题 1 1 4 o 巢凯年通过对c d k 6 1 0 5 大客车骨架强度计算和评价，介绍了用a n s y s 有限元软 件计算客车骨架强度的过程，提出了计算时一些值得注意的问题和解决的方法“”。 郑鑫通过介绍某型号大客车车身结构的有限元模型，阐述了利用& n s y s 有限元软件 对大客车车身结构分析的基本过程。同时说明了车身结构有限元分析的主要影响因 素和分析的基本步骤，为使用& n s y s 软件对车身结构分析提供了重要参考，从而为 进一步有限元分析和优化设计奠定了基础n 町。杜群贵、迟永滨对包括杆、板、壳、 梁单元的组合结构的优化设计进行了系统的研究“”。赵国忠、陈脆松、亢战、顾元 宪等运用有限元分析与优化设计软件，对五种常用截面梁结构的尺寸和形状进行了 抗剪、抗弯、抗扭的刚度优化设计和在轴力、剪力作用下的结构稳定性优化设计 町。马迅等建立了某概念设计阶段的车架有限元模型，利用工程分析软件& n s y s 计 算出其前五阶固有频率、振型及弯曲和扭转刚度；以总质量为目标，在动静刚度许 可的范围内对其纵横梁的截面尺寸进行优化设计1 。g o r o s h k o ，0 a 等为了保证重 4 工程硕士学位论文 半挂车主纵粱强度分析与改进研究 型卡车在承重状态下保持车身结构完整性，研究分析了卡车平面的振动问题嘲。此 外，吕晓晖应用a n s y s 软件中弹塑性有限元法对货车上心盘模型进行了分析，利用 分析结果并根据疲劳理论对货车上心盘进行了寿命估算乜1 ，。 此外，在有限元优化设计理论及应用方面，s c o t ta c a n a n n 等就表面自动网格 化，考虑到网格化的坚实程度、网格特性、网格化速度、可控制性等要求，发表了 总的有限元网格化方法嘲。张容波等通过建立燃料电池轿车车身骨架的有限元模 型，利用a n s y s 计算车架的弯曲和扭转工况下模型的应力和变形，并根据计算分析 结果对车架的原三维数模进行了改进，取得了满意的结果嘲j o h n s o n 、d a v i dh 运 用a n s y s 通过三维的逐渐变细的梁和线性弹簧的有限单元法，考虑骨架所能承受的 作用力、弯曲应力和扭转应力，建立了评估w a b c o1 7 0 吨h a u l p a k 卡车骨架的模 型，对w a b c o1 7 0 吨h a u l p a k 卡车骨架进行了有限元优化设计嘲。c o r l e y ，g a 应用 & n s y s 对电梯结构进行了优化分析，对其费用与结构之间的关系，骨架梁与面板材 料的选取等问题进行了阐述嗍。k o r v i n k ，s j a a na - m 、b a r s o m , j o h nm 、 b j o r h o v d e 等基于a n s y s ，运用整体模型模拟钢结构所受载荷以及整体结构的反应， 局部模型模拟在典型连接单元的强度需求，从而计算钢结构所能承受的变形范围 嘲。s h e n o i ，r a 和c h u n g ，h w 应用朋n s y s 软件进行结构优化设计，在梁的结构 优化过程中遇到一些问题并得以解决，并为船结构的优化提供了有力的理论依据 哪。李旗号、张春来等讨论了有限元法与优化技术相结合用于实际问题的解决，结 果表明合理的结构设计可以提高设计的安全性、产品的安全性及经济性嘲。兰凤 崇、张建伟、陈吉清就轿卡货厢车顶盖有限元分析及结构改进设计提出了自己的观 点，提出了轿卡货厢车顶总成结构改进设计方案，并进行了强度、刚度计算机模拟分 析。探讨了侧围外板前端翻边拐角部位疲劳裂纹失效的影响因素，并对不同改进设计 方案进行了对比和优化分析嘲袁顺、胡月星在移车平台结构设计上应用有限元分 析，证明浅坑式移车平台钢结构的结构特点能够满足使用要求”1 。崔弘、万淑敏、 徐晓宽、王兴东运用有限元理论对压缩式垃圾车的重要工作装置压缩板进行分析。 采用有限元分析软件a n s y s 建立了压缩板的有限元模型。同时，对压缩板进行了 不同工况载荷下的静态强度分析。利用分析的结果，对该装置进行了改进，并对改 进后的压缩板进行了静态强度实验，得到了比较满意的改进方案m 】s a l m o n ，v e r m a ， y o u t s o s 等运用伯努里一欧拉理论及分析模型，对核管道系统中的震动支撑梁中出现 的缝隙问题进行了a n s y s 有限元分析和数值仿真，并得到了比较理想的结论嘲。白 金泽、孙秦、郭英男、罗高作等以复杂结构的静强度分析为例，采用通用有限元软 件进行完整建模过程的分析，总结了有限元建模过程中一些常用的工程方法和工程 经验踟渊。 在应用a n s y s 进行有限元分析中，有限元建模耗费了工程技术人员大量的的时 工程硕士学位论文半挂车主纵粱强度分析与改进研究 间与精力。虽然a n s y s 带有自建模功能，但是这个建模功能非常有限，只能处理一 些相对简单的模型。随着a n s y s 的应用日益广泛，它需要处理的模型越来越复杂， a n s y s 自带的建模功能就显的非常不足。如果将专业c a d 造型软件与 i n s y s 结合使 用，利用c a d 造型软件快速准确建模的特长，利用a n s y s 与c a d 软件之间的图形接 口将模型导入a n s y s ，这样能有效提高建模速度、模型质量，简化分析工作。孙军、 经树栋针对a n s y s 建模困难的问题，比较了各种将c a d 软件的模型导入的方法，提 出了使用c a d 造型软件建模，利用f r o e 与a n s y s 之间的接口，将模型精确的导入 a n s y s 等有限元分析软件的方法嘲。梁声闻、吴诰圭等介绍了基于a n s y s 前处理 与a u t o c a d 的系统集成方法，以面向对象的0 b j e c t a r x 作为开发工具，实现与 a u t o c a d 的无缝结合，能够方便地将a u t o c a d 几何模型转换为a n s y s 有限元模 型娜1 口刀。任晓莉、邵将等说明了a n s y s 软件建模功能不如专门的c a d 软件强大，特 别是对于形状复杂的模型不适合在a n s y s 中建模：同时将c a d 系统中三维模型输入到 a n s y s 系统中容易造成图元丢失及模型不适于网格划分等情况，针对这种情况提出 了c a d 系统建模与a n s y s 建模相结合的方法来完成实体模型的建立，并介绍c a d 系 统与a n s y s 之间数据传送方式嘲【嚣】。倪靖凯利用u g 的g f e mp l u s 模块实现针对特 定有限元系统如a n s y s 的前置分网处理工作，进而增强a n s y s 有限元系统的建模 能力，克服了使用单一系统的不足，在为解决较复杂的结构分析题目提供新的途径 的同时，也深入了两大设计分析系统的一体化联系嗍 1 3 本论文研究的主要内容 本文针对某半挂车厂开发研制的b l 2 0 1 型半挂车，运用有限元分析技术对半挂 车主梁刚度、强度进行了研究，并就某些可行的改进进行了探讨。 论文中首先介绍了现代车身结构设计的特点及趋势，即c a e 方法中的有限元 分析技术已广泛应用于汽车车身结构的设计中，形成了以计算分析方法为主、试验 方法为辅的设计思路。 其次简要介绍了在半挂车分析中应用有限元的概念、原理及分析的基本思路， 详细说明了有限元方法在车架结构分析中的步骤，并对分析软件中涉及到的壳单 元、梁单元作了详细的介绍。 然后以b t r 0 1 半挂车为具体分析对象，研究了车身结构分析载荷和约束的模 拟，对车身的刚度、强度进行了有限元分析，分析计算中利用p r o e n g i n e e r 软件对 车架进行了三维实体建模，并将模型导入a n s y $ 软件中进行边界条件设定、加载、 网格划分、计算及后处理。该方法的优势在于充分发挥了这两种软件的优势， p r o e n g i n e e r 软件是功能强大的参数化建模软件，可轻易实现三维实体模型的建立和 6 工程硕士学位论文半挂车主纵粱强度分析与改进研究 修改；而a n s y s 软件是著名的工程分析软件，但在建立象半挂车车架这样复杂的实 体模型方面，明显能力不足两种软件有机结合起来，能取得良好的效果。 最后探讨了半挂车车架结构的改进方法，并运用a n s y s 软件对改进方案的应力 与变形进行了分析。 本文研究的内容具有以下意义： 1 本文研究的半挂车车架结构的有限元分析方法，对半挂车车架的结构分析设 计具有一定的参考和借鉴价值。 2 本文对半挂车主梁的刚度、强度进行了有限元分析，为以后半挂车有限元分 析积累了经验和数据，对以后相关的工作具有一定的参考价值。 3 本文探讨了半挂车的结构改进方法和思路，对半挂车车架优化提供了一种新 的思路，对相关人员的研究工作具有一定的指导作用。 7 工程硕士学位论文半挂车主纵粱强度分析与改进研究 2 有限元方法在半挂车车架结构分析中的应用 2 1 有限元的基本理论 2 1 1有限元的基本概念 所谓有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 就是关于连续体( 连续结构) 的一种 离散化的数值计算方法，亦即在力学模型上近似的数值方法，它的基本思路是：假 想地将连续体( 连续结构) 划分为有限个单元。这些单元都由具有一定自由度的节 点相互连接而成。这样，原来的连续体( 连续结构) 就变成为由有限个单元装配而 成的离散结构，原有连续体的无限个自由度的问题就变为离散结构的有限个自由度 的问题。结构有限元法一般选择简单的函数近似地表达单元内位移变化规律，利用 力学推导建立单元的平衡方程式，再把所有单元的方程组集合成表示整个结构的力 学特性的代数方程组，最后引入边界条件求解代数方程组而得到数值解。由此可 见，有限元法是从力学模型上采用分块近似，这在数学上只须求解一系列线性代数 方程组，从而避免了求解力学微分方程这一繁难的环节，宣于用计算机进行求解。 有限元法的主要优点是物理概念清晰，容易理解和掌握，适用性强，应用范围广 泛，许多复杂的工况和边界条件都可灵活地加以考虑。 2 1 2 有限元的提出与发展 从应用数学角度来看。有限元法基本思想的提出，可以追溯到c o u r a n t 在1 9 4 3 年的工作。他第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相 结合。来求解s t v e n a n t 扭转问题。一些应用数学家、物理学家和工程师由于各种 原因都涉足过有限单元的概念。但只是到1 9 6 0 年以后，随着计算机的广泛应用和发 展有限单元法的发展速度才显著加快。现代有限元法第一个成功的尝试。是将刚架位 移法推广应用于弹性力学平面问题这是t u r n e r 、c l o u g h 等人在分析飞机结构时于 1 9 5 6 年得到的成果。他们第一次给出了用三角形单元求得平面应力问题的正确解 答。三角形单元的单元特性是由弹性理论方程来确定的采用的是直接刚度法。他们 的研究工作打开了利用计算机求解复杂平面弹性问题的新局面。1 9 6 0 年c l o u g h 进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了“有限单元法”的名称，使人们开始 认识了有限单元法的功效。 二十多年来，有限单元法的理论和应用都得到迅速持续不断的发展。从确定单 元特性和建立求解方程的理论基础和途径来说，正如上面提到的，t u r n e r 、 c l o u g h 等人开始提出有限单元法是利用直接刚度法。它来源于结构分析的刚度 法，这对我们明确有限单元法的一些物理概念是很有帮助的，但是它只能处理一些 8 工程硕士学位论文半挂车主纵粱强度分析与改进研究 比较简单的实际问题。1 9 6 卜19 6 4 年，b e s s e l i n g 、m e l o s h 和j o n e s 等人证明了 有限单元法是基于变分原理的里兹( r i t z ) 法的另一种形式，从而使里兹法分析的所有 理论基础都使用于有限单元法。确认了有限单元法是处理连续介质问题的一种普遍方 法。利用变分原理建立有限元方程和经典里兹法的主要区别是有限单元法假设的近 似函数不是在全求解域而是在单元上规定的，而且事先不要求满足任何边界条件， 因此它可以用来处理很复杂的连续介质问题。从六十年代后期开始，进一步利用加 权余量法来确定单元特性和建立有限元求解方程。有限单元法中所利用的主要是伽 辽金( g a l e r k i n ) 法。它可以用于已经知道问题的微分方程和边界条件、但是变分的泛 函尚未找到或者根本不存在的情况，因而进一步扩大了有限单元法的应用领域。 最近十几年，有限单元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳 问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹性 材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传 热学领域。在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计并和计算机辅助设 计技术相结合。可以预计，随着计算机技术的发展，有限单元法作为一个具有巩固 理论基础和广泛应用效力的数值分析工具，必将在经济建设中发挥更大作用，其自 身亦将得到进一步的发展和完善。 2 1 3 有限元方法的基本步骤 有限单元法的分析过程，概括起来可以分为以下六个步骤“1 ： 一结构的离散化 结构的离散化是有限元分析的第一步，它是有限单元法的基础。所谓离散化过 程简单地说就是将分析的结构划分成有限个单元体，并在单元体的指定点设置结 点，把相邻的单元体在结点处连结起来组成单元的集合体，以代替原来的结构。单 元划分必须有效地逼近实际的连续体。根据需要经常使用的典型单元有平面应力单 元，三维杆单元、三维梁单元、三维板壳单元、实体单元等，另外还有人们为了处 理实际问题而建立的单元，如边界单元、间隙元等。 二选择位移模式 在有限单元法中，选择结点位移作为基本未知量时称为位移法。在结构的离散 化完成后，就可以对典型单元进行特性分析。此时，为了能用结点位移表示单元的 位移、应变和应力，在分析连续体问题时，必须对单元中位移的分布作出一定的假 设，也就是假定位移是坐标的某种简单函数，这种函数称为模式或位移函数。 位移函数的适当选择是有限单元法分析中的关键。在有限单元法应用中，普遍 地选择多项式作为位移模式，其原因是因为多项式的数学计算比较方便，并且由于 所有的光滑函数的局部都可以用多项式逼近，即所谓不完全的泰勒级数。至于多项 式项数和阶次的选择则要考虑到单元的自由度和有关解的收敛性要求。一般说来， 9 工程硕士学位论文 半挂车主纵粱强度分析与改进研究 多项式的项数应等于单元的自由度数，它的阶次应包含常数项和线性项。根据所选 择的位移模式，就可以导出用结点位移表示单元内任一点位移的关系式，其矩阵形 式为： = 【弦 。 式中仍为单元内任一点的位移矩阵，p r 为单元的结点位移列阵，【n 】称为形函 数矩阵，它的元素是位置坐标函数。 三分析单元的力学特性 根据单元的材料性质、形状，尺寸、结点数目、位置及其含义等，找出单元结 点力和结点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中 的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有 限元法的基本步骤之一 四计算等效结点力 弹性体经过离散化之后，假定力是通过结点从一个单元传递到另一个单元，但 是作为实际的连续体，力是从单元的公共边界传递到另一个单元的，因而，这种作 用在单元边界上的表面力以及作用在单元上的体积力、集中力等都需要等效移置到 结点上去，也就是用等效的结点力来代替所有作用在单元上的力。移置的方法是按 照作用在单元上的力与等效结点力在任何虚位移上的虚功都相等的原则( 即虚功等 效) 进行的。 五集合所有单元的刚度方程，建立整个结构的平衡方程。 这个集合过程包括有两方面的内容：一是由各个单元的刚度矩阵集合成整个物 件的整体刚度矩阵；二是将作用于各单元的等效结点力列阵集合成总的载荷列阵。 利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新联接起来，形成整 体的有限元方程： p = 陋弦 式中， p ) 是载荷向量； k 是整体结构的刚度矩阵； 6l 是结点位移列 阵。 这些方程还应在考虑了几何边界条件，做适当的修改之后，才能够求解出所 有的未知结点位移 六求解未知结点位移和计算单元应力 由集合起来的平衡方程组( 2 2 ) ，解出未知位移。根据位移函数，由弹性力学中 给出的应变和位移关系，可计算出应变为： 协= 陋r 式中， e 为应力向量；【b 】为应变矩阵； 8 ) e 为单元结点位移向量。 则应力为： 1 0 工程硕士学位论文 半挂车主纵粱强度分析与改进研究 p ) = 【d 怡) = 【d i b r 式中， o ) 为应力向量；id 】为弹性矩阵。 2 2 半挂车车架结构有限元分析的步骤与模型建立 2 2 1 车架结构有限元分析的基本步骤 车架结构的有限元模型是进行车架结构分析的基础，建立车架结构的有限元模 型，就是根据所研究的问题的具体情况，选择合适的有限元单元，对车架结构进行 离散化，给这个模型赋予合适的材料属性，进行边界条件的模拟，进行模型的调 试，最后提供一个具有可接受的精度的车架结构的仿真模型的过程。车架结构的有 限元分析一般分为以下几步： 1 ) 建立车架有限元模型 建立车架有限元模型是前处理阶段的主要工作，包括几何建模、网格划分、载 荷移置、约束处理、材料定义等。 2 ) 有限元分析 车架有限元分析可利用通用或专用有限元分析软件完成。经有限元分析后可得 到若干结果文件，如：结点位移文件、单元应力文件，这些文件是车架后处理的基 础。 3 ) 后处理 后处理主要是将车架有限元分析的结果以等值线图、云图的方式可视化的显 示，并且进行刚度、强度、振动频率、抗冲击特性等分析，研究车身的局部变形， 校验车架刚度，分析车架变形对车架正常使用的影响，校核车架强度等。 2 2 2 建立半挂车有限元模型的方法 1 ) 有限元分析软件 目前，国际上著名的大型有限元通用软件有：a n s y s 、a s t r a n 、 i d e a s 、a d i n a 、s a p 等，这些软件的功能都比较强大，不仅包含多种条件下的有 限元分析程序，而且带有功能强大的前处理和后处理程序。本次课题采用的分析软 件是a n s y s ，该软件是美国a n s y s 公司于七十年代初开发成功的有限元分析软件， 是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，广泛用于交 通、航空航天、石油化工、土木工程、生物医学、地质能源、日用家电等工业领域 及科学研究领域目前该软件可在大多数计算机及操作系统中运行，从p c 机到工 作站直至巨型计算机，a n s y s 文件在其所有产品系列和工作平台上均兼容，正是由 于a n s y s 软件上述的出色功能，使得它在车身结构有限元分析中得到了广泛应 用。 2 ) 单元的选取 工程硕士学位论文 半挂车主纵粱强度分析与改进研究 本次分析的半挂车车车架为承载式结构，其骨架与底架焊成一体，成为独立的 薄壁杆系结构，因此，可供车身结构模型化使用的单元主要有空间薄壁梁单元和壳 单元等，同时还用劭一些模拟悬架或质量的某些特殊单元，如弹簧元、质量元等。 由于本次分析主要为车身结构改型前后的对比分析，在满足分析要求的前提下，尽 、 量使模型简化，以节省计算时间，所以在建立车身有限元模型时，忽略了车身蒙皮 的作用，认为全部车身载荷由骨架承受a n s y s 软件提供了较为完备的单元库， 使用户能够模拟工程实际中千变万化的结构。在结构分析中常用的有限元模型有 【枷： ( 1 ) b e a m 4 三维弹性梁单元 b e a m 4 单元是一种矩形等截面空间梁单元，可以承受拉伸，压缩、扭转及弯 曲载荷。它的每个结点具有六个自由度：沿结点x 、y 、z 轴的平动和绕结点x 、y 、 z 轴的转动。该单元的几何形状、结点位置和坐标系统如图2 1 所示。它由两个结 点l 、j 加一个。角或三个结点l 、j 、k 来确定单元坐标系，单元坐标系遵从右手 法则。 确定单元性质的参数有横截面面积a r e a = 沿单元坐标系y 轴、z 轴的厚度 t k y 、t k z 和弯曲惯性矩r y y 、i z z ；扭转惯性矩 x x 及材料性质。若d a ( 不指 工程硕士学位论文半挂车主纵粱强度分析与改进研究 定或等于o ，则程序认为它等于极惯性矩( i x x + i z z ) 。b e a m 4 单元由于参数 少，结构简单，可以在精度要求不高的计算中模拟车身骨架中的型材及底架的纵 梁、横梁等。 ( 2 ) s h e l l 6 3 一弹性壳单元 壳单元主要用于薄板件的结构分析问题中，薄板件既可以是平面也可以是曲 面，该单元为最常用的平面壳单元，具有i 、j 、k 、l 四个结点，每个结点有六个 自由度，如图2 2 所示。它可以退化成三角形单元，此时k 、l 结点重合。在 a n s y s 软件中，壳单元通常有上下两个面，而在中截面上的数值更能真实的反映 分析的结果，确定单元性质的参数有：i 、j 、k l 四个结点处的厚度，如果单元为 等厚度，则只需给出l 结点上的厚度t k ( 1 ) ；单元的材料性质，可以是各向同 性，也可以是各向异性，若为各向异性，则方向相对应于单元坐标系。s h e l l 6 3 单元由于既能模拟车身结构的真实受力情况，又比较简单，因此大量用于轿车及轻 型客车的冲压件和车身承载蒙皮模拟。当需要详细地了解车身结构各部分的应力水 平分布时，车身骨架、底架横梁、纵梁等空间薄壁梁结构也可以用其模拟。 图2 2 弹性壳单兀s 皿l l 6 3 ( 3 ) s o l i d 4 5 一实体单元 实体单元s o l i d 4 5 主要用于分析实体件的结构问题。s o l i d 4 5 用于三维实体结 构模型的分析。定义单元具有i ，j ，k ，l ，m ，n ，0 ，p 等8 个节点，每个节点又有三个自 由度：) 【，y 和z 方向的平动。单元具有处理塑性、蠕变、膨胀、应力硬化、大挠 度、和大应交的功能。 s o l m 4 5 单元的几何结构，节点位置，以及此单元的坐标系统如下图2 3 所示。这 个单元定义材料属性是八节点、正交各向异性。正交各向异性材料方向对应于单元 的坐标方向。 工程硕士学位论文半挂车主纵粱强度分析与改进研究 图2 3 三维实体单元s o l i d 4 5 3 ) 结点的选取和单元的划分 结点的布置和单元的划分是相互联系的。通常集中载荷的作用点、分布载荷强 度的突变点、分布载荷与自由边界的分解点、支承点等都应取作为结点，如果物体 的厚度有突变或者物体由不同的材料构成时，在布置结点时就必须把厚度和材料不 同的区域划在不同的单元中。至于结点的多少和分布的疏密，亦即单元的大小，要 根据计算精度和计算机的内存等综合考虑。从结果而言当然划分的越细越好，但是 这样做要增加准备工作和计算机的运行时间，甚至超出计算机的容量。因此在保证 精度的前提下，力求采用较少的单元。在划分单元时，对应力变化急剧的区域可分 的细一些，应力变化平缓的区域可分得粗一些，这样才能保证在不增加工作量的前 提下提高精度。 2 3 本章小结 本章介绍了工程技术领域应用最广泛的数值模拟方法有限单元法、它的发展历 程以及有限单元方法分析中的六个基本步骤。同时详细介绍了半挂车车架结构分析 中有限元方法的应用，即如何运用有限元方法进行车身结构的分析、分析模型的建 立，并对分析中使用的单元类型作了详细的介绍。 工程硕士学位论文 半挂车主纵粱强度分析与改进研究 3 半挂车主纵梁结构分析 3 1 半挂车车架结构概述 半挂车作为运输工具，应用已经越来越广泛由于便于运输长料货物，如电 杆、毛竹、长梢木、钢材等，与挂车比较，机动灵活，倒车方便，适应性好。半挂 汽车与同类型的载重汽车比较，其装载量可提高一倍，降低运输成本，提高运输效 率。国外由于集装箱运输的发展，高速公路的增加，物质流向的统一管理，国际间 运输网的形成，使半挂车的优点进一步发挥，因此近年来国外半挂车的保有量逐渐 增加；就国内来说，半挂车的应用也愈来愈多。 从汽车分类来说，半挂车属牵引汽车的一种，特点是半挂牵引汽车后部设有牵 引座，用来牵引和支承半挂车前端。而同属牵引汽车的全挂牵引汽车本身带有车 箱，其外形虽与货车相似，但其车辆长度和轴距较短，而且尾部设有拖钩。牵引汽 车都装设有一部分挂车制动装置及挂车电气接线板等。 按照中国汽车分类标准g b 9 4 1 7 8 9 ，半挂车可分为：轻型半挂车( g a - 7 i t ) 、 ， 中型半挂车( 7 1 t g a = 1 9 5 ) 、重型半挂车( 1 9 5 t g a 3 4 t ) 主纵梁是半挂车车架中承受载荷，完成半挂车预定装载功能的主要构件。半挂 车的轴距一般较大，因此对其纵梁要求具有足够的强度和刚性。国产半挂车的纵梁 在选材上一般采用1 6 m n l ，是因为用这种材料制造的纵梁具有较好的抗弯曲性能。 承载式车身主纵梁结构大多数单元是合金钢板组焊成工字型结构，在车身结构分析 中起空间梁的作用。合金钢板长度和宽度远