张永恒+林志敏

摘 要：针对全承载半挂车设计中存在的问题，选择两种骨架截面尺寸设计方案，运用ANSYS软件计算了两种方案的应力和变形，增大截面尺寸可使最大位移、最大应力减小约50%，质量增加19.74%。适宜的骨架截面尺寸可在方案一与方案二之间选取。

关键词：半挂车车架  有限元分析  静态分析  半挂车计算

中图分类号：TP391.72              文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（b）-0104-02

The Static Strength Analysis of Frame Structure Box Type Semi-trailer

Zhang Yongheng  Lin Zhimin

（School of Mechanical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu，730070，China）

Abstract：Counting in the problems existed in the design of full load semi-trailer， the stress and deformation of the frame are calculated with ANSYS for the two different plans of frame section sizes. It is shown that the maximum displacement and stress can be reduced by 50% with the increase of cross section size， meanwhile the mass of the frame is increased by 19.74%.the practical cross section size of the frame can be chosen between the two plans.

Key Words：Semi-trailer Frame;Finite Element Analysis;Static Analysis;Semi Trailer Calculation

随着我国物流行业的快速发展，半挂车制造业应运而生[1]。半挂车底架通过前悬和后悬支撑在车轴上。根据运输货物的类型，常见的底架形式有平货台、阶梯型货台及凹梁型货台三种[2-5]。为规范货运半挂车的生产与使用管理，引导货运半挂车车型的标准化发展，交通运输部于2012年制订了《甩挂运输推荐车型基本要求（修订版）》[6-7]。虽然文献[6]对不同类型半挂车配置、载质量、外形尺寸等提出了明确要求，但在车架、车身、悬挂等结构方面生产企业仍有很大的设计空间。对于小型、散装货物，半挂车车身大多采用箱式全承载结构。由于箱式全承载结构未采用传统的工字型或槽型纵、横梁的车身结构，在承载能力不变的情况下全承载式结构可使半挂车自重降低近35%[8]。有数据显示，车辆自重每降低1000 kg，可降低油耗6%～7%[9]。箱式半挂车在实际运用中由于强度和刚度不足会出现牵引销座产生裂纹，箱体失稳导致“塌箱”等问题[10]。该文针对某三轴全承载箱式货车车身的两种骨架截面尺寸设计方案，运用ANSYS软件计算其强度和变形，对计算结果进行分析、比较。

1 箱式半挂车概况

本三轴箱式半挂车为全承载框架结构。底架呈凹形，前悬通过牵引销与牵引车连接，并支撑在牵引销座上，后悬通过板弹簧支撑在三轴轮上，半挂车外形如图1所示，基本参数如表1所示。半挂车骨架由矩形截面方管焊接而成，方管截面尺寸按两种方案考虑。方案一：方管截面选三种规格，分别为100 mm×80 mm×3 mm、100 mm×50 mm×3 mm及50 mm× 50 mm×3 mm，牵引板厚为10 mm，后悬车轮护罩板厚为4 mm，骨架侧围立柱、车顶采用50 mm×50 mm×3 mm方管，侧围两端立柱、底架纵梁采用100 mm×50 mm×3 mm方管，底架横梁采用100 mm×80 mm×3 mm方管。方案二：方管截面选两种规格，分别为55 mm×55 mm×3 mm和150 mm× 80 mm×3 mm，牵引板厚为12 mm，后悬车轮护罩板厚仍为为4 mm;方管及板的材料均为16Mn。

2 箱式半挂车静力计算模型

为便于计算，首先对车厢实际结构进行简化。忽略车身结构中的非承载构件;将车身骨架中的曲梁简化为直梁;不考虑车厢蒙皮、地板、箱体前后端墙（门），不计侧围斜梁与立柱间的间隙，认为斜梁与立柱交会于一点。

计算目的是分析满载时梁的强度和变形，采用ANSYS软件进行计算和分析。由于骨架主要由梁和板组成，采用ANSYS中的BEAM 188单元和SHELL 181单元。建模时以方管截面几何形心为参考坐标。

车底架前悬牵引板与牵引销上端焊接，牵引销下端与牵引车销座连接，车厢可相对牵引销座绕垂直轴（z轴）转动，但在横向和纵向受到约束，因此对牵引板牵引销孔周围节点的横向（y轴）和纵向（x轴）位移进行约束，另外对其中一个节点的所有自由度进行约束。车底架后悬每一侧有三组板弹簧，有四个悬挂点，板弹簧可绕y轴转动，将约束施加于悬挂点上，对每个悬挂点的横向和纵向位移进行约束。

总载荷按380000 N计算，分四跨按比例分配，分配后的载荷均匀分布在对应跨的横梁和斜梁上。各跨长度、载荷及比例如表2所示。

各节点约束及底架加载情况如图2所示。

所用材料的弹性模量E=207 GPa，密度ρ=7800 kg/m3，泊松比μ=0.3，强度极限=550 MPa，屈服极限=355 MPa。根据第四强度理论：endprint

（1）

许用应力为：

（安全系数取2.5）     （2）

3 计算结果与分析

对方案一计算所得骨架横向位移、垂向位移及综合应力云图分别见图3、图4所示。横向变形最大（沿y轴正方向）和最小（沿y轴负方向）值分别出现在后悬靠前的立柱及前悬中部的立柱上。

从横向位移云图可以看出在前悬发生最小位移立柱对面的立柱上也有较大的横向位移。侧围立柱上较大的横向位移对车身外面的蒙皮有很大影响，严重时蒙皮会开裂，影响运送货物的质量和安全。

由图4可知，方案一的骨架有较大的垂向位移，车底架中部横梁下凹。由于安装牵引销的平板上有一个节点对垂向位移进行了约束，因此底架大部分位置下沉。关于位移值，在车辆设计中没有给定明确的限制值，但位移值过大意味着刚度不足，车辆运动中容易产生振动，一方面影响货物安全，另一方面更易使结构发生疲劳破坏。计算表明，在考虑到车轮的弹性及板弹簧的变形后，垂向位移还会增加，车辆运行中会有较大的垂向振幅。

如图5所示，方案一最大von Mises应力出现在牵引销安装位置，应力值达到253 MPa，该值大于计算中选用的许用应力，但低于材料的屈服极限，考虑到车轮的弹性及板弹簧的变形后，最大应力接近材料的屈服极限。

对方案二计算所得位移和应力云图与方案一有相似的分布，但对应数值减小很多，同名参数最大值减少约50%。由ANSYS提取模型单元质量得，方案一模型总质量为2570.505 kg，方案二模型总质量为3077.967 kg，方案二比方案一质量增加19.74%。若追求小的变形，方案二增加的质量还是可以接受的。具体计算结果如表3所示。应当说方案二是较保守的设计，可行的截面尺寸可在方案一与方案二之间选取。在有约束的优化问题中，最优值在可行域的边界上取得，因此选取合适的安全系数对于获得最优值有重要影响。

4 结语

半挂车运输灵活，适应性强，全承载箱式半挂车外观整洁、质量小、载货量大，有很大的应用市场。根据某实际车型，选取了两种截面尺寸方案，经计算增大骨架截面尺寸能有效减少车身横向和垂向位移，降低最大应力，适宜的骨架截面尺寸可在方案一与方案二之间选取。

参考文献

[1] 刘海亮.我国半挂车的现状及发展趋势研究[J].黑龙江科技信息，2012（9）：114.

[2] 徐建全，苏建登，陈铭年.平板式半挂车车架有限元分析[J].福建工程学院学报，2012，10（1）：45-49.

[3] 李楠，孙桓五，闰杰，等.阶梯式半挂车车架疲劳寿命预测[J].机械工程与自动化，2012（5）：9-11.

[4] 张润东，孙桓五，帝瑞静，等.某特种半挂车车架的静态特性研究现[J].现代制造工，2013（7）：38-41.

[5] 翟正锟，崔俊杰，郑伟茂，等.某鹅颈式半挂车车架有限元静态分析[J].中国农机化学报，2014，35（2）：175-178.

[6] 张学礼，张红卫，董金松.《货运汔车列车（甩挂运输）推荐车型基本要——半挂车》释义[J].交通标准化，2011（24）：131-145

[7] 交通运输部.甩挂运输推荐车型基本要求（修订版）[EB/OL].2012，http：//www.moc.gov.cn/zizhan/siju/daoluyunshusi/cheliangguanli/guanliwenjian/201207/P020120731497894635287.pdf.

[8] 王伟，王铁，申晋宪.新型全承载式半挂车车身结构设计[J].专用汽车，2011（6）：56-57.

[9] 范叶，杨沿平，孟先春，等.汽车轻量化技术及其实施途径[J].汽车工业研究，2006（7）：40-42.

[10] 王耀鑫.普通箱式半挂车技术改进方案分析与研究[J].农业装备与车辆工程，2012（1）：50-53.endprint

（1）

许用应力为：

（安全系数取2.5）     （2）

3 计算结果与分析

对方案一计算所得骨架横向位移、垂向位移及综合应力云图分别见图3、图4所示。横向变形最大（沿y轴正方向）和最小（沿y轴负方向）值分别出现在后悬靠前的立柱及前悬中部的立柱上。

从横向位移云图可以看出在前悬发生最小位移立柱对面的立柱上也有较大的横向位移。侧围立柱上较大的横向位移对车身外面的蒙皮有很大影响，严重时蒙皮会开裂，影响运送货物的质量和安全。

由图4可知，方案一的骨架有较大的垂向位移，车底架中部横梁下凹。由于安装牵引销的平板上有一个节点对垂向位移进行了约束，因此底架大部分位置下沉。关于位移值，在车辆设计中没有给定明确的限制值，但位移值过大意味着刚度不足，车辆运动中容易产生振动，一方面影响货物安全，另一方面更易使结构发生疲劳破坏。计算表明，在考虑到车轮的弹性及板弹簧的变形后，垂向位移还会增加，车辆运行中会有较大的垂向振幅。

如图5所示，方案一最大von Mises应力出现在牵引销安装位置，应力值达到253 MPa，该值大于计算中选用的许用应力，但低于材料的屈服极限，考虑到车轮的弹性及板弹簧的变形后，最大应力接近材料的屈服极限。

对方案二计算所得位移和应力云图与方案一有相似的分布，但对应数值减小很多，同名参数最大值减少约50%。由ANSYS提取模型单元质量得，方案一模型总质量为2570.505 kg，方案二模型总质量为3077.967 kg，方案二比方案一质量增加19.74%。若追求小的变形，方案二增加的质量还是可以接受的。具体计算结果如表3所示。应当说方案二是较保守的设计，可行的截面尺寸可在方案一与方案二之间选取。在有约束的优化问题中，最优值在可行域的边界上取得，因此选取合适的安全系数对于获得最优值有重要影响。

4 结语

半挂车运输灵活，适应性强，全承载箱式半挂车外观整洁、质量小、载货量大，有很大的应用市场。根据某实际车型，选取了两种截面尺寸方案，经计算增大骨架截面尺寸能有效减少车身横向和垂向位移，降低最大应力，适宜的骨架截面尺寸可在方案一与方案二之间选取。

参考文献

[1] 刘海亮.我国半挂车的现状及发展趋势研究[J].黑龙江科技信息，2012（9）：114.

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[8] 王伟，王铁，申晋宪.新型全承载式半挂车车身结构设计[J].专用汽车，2011（6）：56-57.

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[10] 王耀鑫.普通箱式半挂车技术改进方案分析与研究[J].农业装备与车辆工程，2012（1）：50-53.endprint

（1）

许用应力为：

（安全系数取2.5）     （2）

3 计算结果与分析

对方案一计算所得骨架横向位移、垂向位移及综合应力云图分别见图3、图4所示。横向变形最大（沿y轴正方向）和最小（沿y轴负方向）值分别出现在后悬靠前的立柱及前悬中部的立柱上。

从横向位移云图可以看出在前悬发生最小位移立柱对面的立柱上也有较大的横向位移。侧围立柱上较大的横向位移对车身外面的蒙皮有很大影响，严重时蒙皮会开裂，影响运送货物的质量和安全。

由图4可知，方案一的骨架有较大的垂向位移，车底架中部横梁下凹。由于安装牵引销的平板上有一个节点对垂向位移进行了约束，因此底架大部分位置下沉。关于位移值，在车辆设计中没有给定明确的限制值，但位移值过大意味着刚度不足，车辆运动中容易产生振动，一方面影响货物安全，另一方面更易使结构发生疲劳破坏。计算表明，在考虑到车轮的弹性及板弹簧的变形后，垂向位移还会增加，车辆运行中会有较大的垂向振幅。

如图5所示，方案一最大von Mises应力出现在牵引销安装位置，应力值达到253 MPa，该值大于计算中选用的许用应力，但低于材料的屈服极限，考虑到车轮的弹性及板弹簧的变形后，最大应力接近材料的屈服极限。

对方案二计算所得位移和应力云图与方案一有相似的分布，但对应数值减小很多，同名参数最大值减少约50%。由ANSYS提取模型单元质量得，方案一模型总质量为2570.505 kg，方案二模型总质量为3077.967 kg，方案二比方案一质量增加19.74%。若追求小的变形，方案二增加的质量还是可以接受的。具体计算结果如表3所示。应当说方案二是较保守的设计，可行的截面尺寸可在方案一与方案二之间选取。在有约束的优化问题中，最优值在可行域的边界上取得，因此选取合适的安全系数对于获得最优值有重要影响。

4 结语

半挂车运输灵活，适应性强，全承载箱式半挂车外观整洁、质量小、载货量大，有很大的应用市场。根据某实际车型，选取了两种截面尺寸方案，经计算增大骨架截面尺寸能有效减少车身横向和垂向位移，降低最大应力，适宜的骨架截面尺寸可在方案一与方案二之间选取。

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[4] 张润东，孙桓五，帝瑞静，等.某特种半挂车车架的静态特性研究现[J].现代制造工，2013（7）：38-41.

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[6] 张学礼，张红卫，董金松.《货运汔车列车（甩挂运输）推荐车型基本要——半挂车》释义[J].交通标准化，2011（24）：131-145

[7] 交通运输部.甩挂运输推荐车型基本要求（修订版）[EB/OL].2012，http：//www.moc.gov.cn/zizhan/siju/daoluyunshusi/cheliangguanli/guanliwenjian/201207/P020120731497894635287.pdf.

[8] 王伟，王铁，申晋宪.新型全承载式半挂车车身结构设计[J].专用汽车，2011（6）：56-57.

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[10] 王耀鑫.普通箱式半挂车技术改进方案分析与研究[J].农业装备与车辆工程，2012（1）：50-53.endprint