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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：根據(jù)中集車輛集團(tuán)多年來的經(jīng)驗(yàn)，本文對使用有限元對半掛車產(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 有限元在國內(nèi)半掛車行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀 國外大的汽車制造廠家對有限元工具的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟。但由于市場相對較小，國外對半掛車行業(yè)并不是非常重視，半掛車企業(yè)規(guī)模也相對較小，所以有限元工具的應(yīng)用也并不十分廣泛。 在國內(nèi)半掛車行業(yè)，有限元工具的應(yīng)用則很少有。一些院校偶爾為企業(yè)做過有限元計算。從七十年代開始，已經(jīng)有人開始使用有限元計算車架的剛強(qiáng)度5。但在九十年代前，由于軟硬件的客觀條件，半掛車的基本上局限于使用梁單元進(jìn)行模擬8。從九十年代后半期開始，隨著我國高性能微機(jī)的普及和國外商業(yè)軟件的大量進(jìn)入，國內(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等在國內(nèi)院校和企業(yè)得到廣泛應(yīng)用11，對半掛車的分析越來越精細(xì)。隨著中集車輛集團(tuán)在國內(nèi)半掛車行業(yè)的迅速崛起，中集對有限元工具的應(yīng)用也基本代表了國內(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)到動態(tài)，并涉及結(jié)構(gòu)疲勞分析，同時擁有對國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，至今已快速成長為年產(chǎn)值幾十億的國內(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)勢傳承，一開始就緊跟國外市場，可以說技術(shù)的起點(diǎn)相當(dāng)高，但同時也對先進(jìn)結(jié)構(gòu)的技術(shù)把握提出了更高的要求。此前，國內(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。對日益復(fù)雜的半掛車來說，已經(jīng)不能通過幾個經(jīng)典公式反映結(jié)構(gòu)的各方面性能，尤其是對局部的應(yīng)力集中等情況基本束手。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，考慮到設(shè)計工程師的需要，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經(jīng)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、設(shè)計校核到結(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，根據(jù)我司多年來的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，按工況和結(jié)構(gòu)主要可以分為以下幾類： （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，這里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)行說明。 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)國家物流運(yùn)輸?shù)闹髁鬈囆?，整車質(zhì)量輕，承載能力強(qiáng)。主要是其設(shè)計思想先進(jìn)，車身承載，底架無大梁。因此該類車的設(shè)計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]底架的抗彎性能就可以了。所以廂式半掛車需要分析靜載彎曲、扭轉(zhuǎn)和模態(tài)。 原始設(shè)計時該車使用的材料是國外進(jìn)口的超高強(qiáng)度鋼，我司在對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，大膽采用國產(chǎn)的普通高強(qiáng)度鋼進(jìn)行材料替代，每臺車節(jié)省了數(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)計使該車整車質(zhì)量降低到6噸以下，而目前國內(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落地沖擊工況。圖3為使用LS-DYNA對某型半掛車甩掛沖擊工況的模擬，可以看到，大梁在支腿連接部受到的瞬時沖擊應(yīng)力是非常大的，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 作為主要承載件其剛度和強(qiáng)度對整車的影響是第一位的，對此設(shè)計必須又充分的重視。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)測了在70%最大載荷時，鵝頸局部明顯失效，計算的殘余變形為27.7mm，實(shí)測為28.0mm，兩者是非常接近的。 圖4 大梁極限承載殘余應(yīng)有時對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算。要求同時運(yùn)輸兩個集裝箱且變形后不干涉，我司同時進(jìn)行試驗(yàn)和計算，試驗(yàn)結(jié)果為17mm，誤差在1mm之內(nèi)，該客戶此后一直對我司的設(shè)計深信不疑。 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 對于需要運(yùn)輸集裝箱的半掛車，其端橫梁為直接承載件，一般情況下都是非常強(qiáng)壯的，但是由于某些局部的設(shè)計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，雖然不會馬上引起端橫梁失效，但鑒于端橫梁的重要性，我們對該部件進(jìn)行了疲勞分析。分析表明，轉(zhuǎn)鎖孔設(shè)計不合理，其各轉(zhuǎn)角處的疲勞壽命嚴(yán)重不足。該研究對我司端橫梁的選型和改進(jìn)起了理論的說明，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支撐點(diǎn)之一，和懸掛具有同等重要的作用。按照美國通行的AAR標(biāo)準(zhǔn)，牽引板需要滿足三個極限強(qiáng)度要求，三個疲勞強(qiáng)度要求。我司一方面按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，同時使用Fe-safe 進(jìn)行疲勞分析，對疲勞裂紋趨勢和位置進(jìn)行了較好的預(yù)測。 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 對于某些特殊的半掛車，其結(jié)構(gòu)是可以組合拉伸的，但是其優(yōu)點(diǎn)也是結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點(diǎn)，圖8示，為某型車?yán)爝B接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在某特殊試驗(yàn)時大量下翼板發(fā)生塑性變形。經(jīng)有限元分析后發(fā)現(xiàn)主要是結(jié)構(gòu)剛度不足，因此對該局部進(jìn)行了剛度加強(qiáng)，經(jīng)長期使用未再發(fā)生變形。 圖8 半掛車連接件變形的分析結(jié)果2.3.5 保險杠破壞試驗(yàn) 為了保護(hù)乘用車，國家對貨車類（包括半掛車）的后保險杠有嚴(yán)格的要求，該標(biāo)準(zhǔn)和美國FMVSS 223基本一致，包括強(qiáng)度和能量的吸收兩方面。 圖9 半掛車后保險杠的強(qiáng)度分析結(jié)果LS-DYNA的模擬結(jié)果和試驗(yàn)非常接近，這對于我司開發(fā)符合中國和美國要求的后保險杠都有非常積極的指導(dǎo)意義。 2.3.6 立柱扭轉(zhuǎn)破壞試驗(yàn) 對于廂式半掛車來說，其上部結(jié)構(gòu)中四個角立柱是主體框架的主要承載件，一般情況下是足夠強(qiáng)壯的。 但如果側(cè)墻為開放性結(jié)構(gòu)，則顯得單薄，所以這時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)果趨勢對破壞形式預(yù)測和試驗(yàn)一致。有限元分析結(jié)果對隨后結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計給出了具體的形式和尺寸，該車經(jīng)長期使用相當(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)國家主流半掛車的廂式半掛車，廂體材料使用復(fù)合材料板已經(jīng)非常普遍。中集從一開始就非常重視車用復(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，可以隨時對各組成層進(jìn)行詳細(xì)的描述，結(jié)果具有可視性。更重要的是可以對各層的材質(zhì)、密度和厚度進(jìn)行選擇，然后預(yù)測板的整體性能和局部應(yīng)力，這種可預(yù)測性對復(fù)合材料板的開發(fā)設(shè)計是非常重要的，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，計算預(yù)測中心層將在0.33*payload時斷裂，實(shí)驗(yàn)中在0.34*payload時出現(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主要的連接形式。根據(jù)前人的研究知道，焊逢形式、焊逢長度等因素對應(yīng)力的影響巨大，最壞的結(jié)果表現(xiàn)為不是應(yīng)力集中就是失效撕裂。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)計給出了一系列優(yōu)化建議； 4) 同時它對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)已經(jīng)做到了國內(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)的發(fā)展而發(fā)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，未來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。 參考文獻(xiàn) 1 ANSYS理論手冊，ANSYS中國。 2 王勖成，邵敏。有限單元法基本原理和數(shù)值方法（第2版）。清華大學(xué)出版社, 2002。 3 黃克智，黃永剛。固體本構(gòu)關(guān)系。清華大學(xué)出版社, 2002。 4 Michael T.Heath.?？茖W(xué)計算導(dǎo)論（第2版）。清華大學(xué)出版社, 2001。 5 谷安濤，常國振。汽車車架設(shè)計計算的有限元法。汽車技術(shù)，1977.6。 6 黃金陵。汽車車架結(jié)構(gòu)元件參數(shù)的優(yōu)選。汽車技術(shù)， 1984.1。 7 黃金陵有限元法應(yīng)用于汽車車架結(jié)構(gòu)分析中的幾個問題。吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1