有限元工具在中集車輛產(chǎn)品開發(fā)中的運用

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

關鍵詞：半掛車；有限元

1前言

1.1有限元在國內半掛車行業(yè)應用現(xiàn)狀

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

在國內半掛車行業(yè)，有限元工具的應用則專門少有。一些院校間或為企業(yè)做過有限元計算。從七十年代開始，差不多有人開始使用有限元計算車架的剛強度[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單元進行模擬[8]。從九十年代后半期開始，隨著我國高性能微機的普及和國外商業(yè)軟件的大量進入，國內的半掛車研究和分析人員逐漸過渡到使用板殼單元和實體單元[10]。進入二十一世紀，商業(yè)軟件如ANSYS、MSC/NASTRAN、Algor等在國內院校和企業(yè)得到廣泛應用[11]，對半掛車的分析越來越精細。隨著中集車輛集團在國內半掛車行業(yè)的迅速崛起，中集對有限元工具的應用也差不多代表了國內半掛車行業(yè)的水平。目前中集有限元分析覆蓋了從靜態(tài)到動態(tài)，并涉及結構疲勞分析，同時擁有對國際流行的廂式半掛車的分析能力。

1.2中集車輛集團有限元應用現(xiàn)狀

中集車輛事業(yè)從上世紀末秘密研發(fā)開始，到2002年正式投產(chǎn)進入專用車領域，至今已快速成長為年產(chǎn)值幾十億的國內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，能夠講技術的起點相當高，但同時也對先進結構的技術把握提出了更高的要求。此前，，國內半掛車企業(yè)一般是按照經(jīng)典的材料力學進行強度較核。對日益復雜的半掛車來講，差不多不能通過幾個經(jīng)典公式反映結構的各方面性能，尤其是對局部的應力集中等情況差不多束手。這種情況下，先進的有限元工具就表現(xiàn)出了其強大的功能。中集從2000年開始買入ANSYS/Structure，后來又陸續(xù)購進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通過了有限元分析，解決了大量的現(xiàn)實問題。從投標、概念設計、設計校核到結構優(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用涉及從整車到零部件的各方面，依照我司多年來的應用經(jīng)驗，按工況和結構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)保險杠破壞試驗。

f)立柱扭轉。

g)復合材料板承載能力。

h)焊逢應力。

由于半掛車種類繁多，各種類之間差異較大，那個地點僅就各類半掛車較通用的工況和結構進行例舉，下面就各分析類進行講明。

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)達國家物流運輸?shù)闹髁鬈囆停囐|量輕，承載能力強。要緊是其設計思想先進，車身承載，底架無大梁。因此該類車的設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，因為其他類型的半掛車一般只需考慮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、扭轉和模態(tài)。

原始設計時該車使用的材料是國外進口的超高強度鋼，我司在對整車的抗彎性能抗扭性能進行全面有限元分析的基礎上，大膽采納國產(chǎn)的一般高強度鋼進行材料替代，每臺車節(jié)約了數(shù)千元的成本，也降低了零件沖壓加工的難度。進一步的輕量化設計使該車整車質量降低到6噸以下，而目前國內其他廠家的廂式半掛車的質量還在7-9噸以上。

圖2廂式半掛車模態(tài)分析結果另外半掛車在使用過程中還有獨特的甩掛工況，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，能夠看到，大梁在支腿連接部受到的瞬時沖擊應力是特不大的，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度對整車的阻礙是第一位的，對此設計必須又充分的重視。首先，大梁要滿足強度要求，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力。有限元準確的預測了在70%最大載荷時，鵝頸局部明顯失效，計算的殘余變形為27.7mm，實測為28.0mm，兩者是特不接近的。

圖4大梁極限承載殘余應有時關于集裝箱半掛車的大梁的剛度有比強度更嚴格的要求，通常要求在一定的范圍之內，不能大不能小。

圖5為某型碼頭車的剛度計算。要求同時運輸兩個集裝箱且變形后不干涉，我司同時進行試驗和計算，試驗結果為17mm，誤差在1mm之內，該客戶此后一直對我司的設計深信不疑。

圖5半掛車大梁垂直彎曲工況的分析結果2.3.2半掛車端橫梁

關于需要運輸集裝箱的半掛車，其端橫梁為直接承載件，一般情況下差不多上特不強壯的，然而由于某些局部的設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，轉鎖孔的各轉角處出現(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，我們對該部件進行了疲勞分析。分析表明，轉鎖孔設計不合理，其各轉角處的疲勞壽命嚴峻不足。該研究對我司端橫梁的選型和改進起了理論的講明，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果2.3.3牽引板疲勞

牽引板作為半掛車的兩個支撐點之一，和懸掛具有同等重要的作用。按照美國通行的AAR標準，牽引板需要滿足三個極限強度要求，三個疲勞強度要求。我司一方面按照標準進行疲勞試驗，同時使用Fe-safe進行疲勞分析，對疲勞裂紋趨勢和位置進行了較好的預測。

圖7半掛車牽引板橫向推拉工況的疲勞分析結2.3.4連接件變形

關于某些專門的半掛車，其結構是能夠組合拉伸的，然而其優(yōu)點也是結構設計的難點，圖8示，為某型車拉伸連接結構，該結構在某專門試驗時大量下翼板發(fā)生塑性變形。經(jīng)有限元分析后發(fā)覺要緊是結構剛度不足，因此對該局部進行了剛度加強，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果2.3.5保險杠破壞試驗

為了愛護乘用車，國家對貨車類（包括半掛車）的后保險杠有嚴格的要求，該標準和美國FMVSS223差不多一致，包括強度和能量的汲取兩方面。

圖9半掛車后保險杠的強度分析結果LS-DYNA的模擬結果和試驗特不接近，這關于我司開發(fā)符合中國和美國要求的后保險杠都有特不積極的指導意義。

2.3.6立柱扭轉破壞試驗

關于廂式半掛車來講，其上部結構中四個角立柱是主體框架的要緊承載件，一般情況下是足夠強壯的。

但假如側墻為開放性結構，則顯得單薄，因此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破壞試驗，有限元模擬的結果趨勢對破壞形式預測和試驗一致。有限元分析結果對隨后結構的改進設計給出了具體的形式和尺寸，該車經(jīng)長期使用相當可靠，其剛度好，承載能力強。

圖10半掛車立柱扭轉破壞試驗的模擬2.3.7復合材料板承載能力試驗

作為發(fā)達國家主流半掛車的廂式半掛車，廂體材料使用復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合材料的開發(fā)，種類目前已相當齊全。由于復合材料的復雜性，在使用和試驗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。因此使用有限元進行復合材料的分析具有先天的優(yōu)勢，能夠隨時對各組成層進行詳細的描述，結果具有可視性。更重要的是能夠對各層的材質、密度和厚度進行選擇，然后預測板的整體性能和局部應力，這種可預測性對復合材料板的開發(fā)設計是特不重要的，是傳統(tǒng)的實驗摸索法不可比擬的。圖11示是某型復合材料的彎曲實驗模擬結果，計算預測中心層將在0.33*payload時斷裂，實驗中在0.34*payload時出現(xiàn)斷裂聲。

圖11半掛車復合材料板彎曲試驗的模擬2.3.8焊逢應力分析

在半掛車結構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、焊逢長度等因素對應力的阻礙巨大，最壞的結果表現(xiàn)為不是應力集中確實是失效撕裂。圖12示焊逢應力在焊逢結構略微修改后迅速下降，達到強度要求。

圖12-1原始方案焊逢應力

圖12-2改進后焊逢應力

圖12焊逢方案的改進3結論

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

1)它使整車產(chǎn)品的概念設計趨于合理方案；

2)它在強度校核的基礎上為產(chǎn)品的改進和定型提供了理論支持；

3)它為零部件的精益設計給出了一系列優(yōu)化建議；

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

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

綜上所述，中集的半掛車事業(yè)差不多做到了國內第一，正向世界第一邁進。有限元工具在中集集團從隨著車輛事業(yè)的進展而進展，其應用日益廣泛，在中集車輛產(chǎn)品開發(fā)的中發(fā)揮了實際而有效的作用，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的技術支持。

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