半挂车车架作为主要承载件，承受着车内外的各种载荷，其可靠性关系到半挂车能否正常行驶，以及半挂车的安全性，是影响整车性能的关键部件。运用有限元方法，在设计初阶段对车架进行强度、刚度校核，有助于缩短车架开发周期；同时，对强度、刚度足够富余的位置进行减材料设计，实现车架轻量化设计，提升半挂车整体性能。图1所示是市场某款半挂车车架，额定载重量34t。本案例将对车架施加多种工况下的边界条件和载荷，进行静力学分析，校核强度和刚度是否满足要求，为后续的结构优化打好基础。
图1半挂车车架三维模型图建立仿真模型将车架三维模型导入HyperMesh中进行几何清理和抽取中面。使用板壳单元划分网格，总单元数量433144，三角形单元占比小于1%。赋予几何材料参数和厚度，车架材料为Q345和Q700，如图2所示。
图2 车架网格模型焊接是主要应用于金属构件之间的一种连接方式，本实例采用hypermesh中seam面板处理焊接结构，以reb3+棱柱实体单元模拟焊接。如图3所示。车辆结构有限元分析时，板簧结构的简化对最终分析结果有很大影响，查阅相关文献（柴山,郭明.车辆钢板弹簧悬架的有限元模型），本文采用等效弧形薄板模型模拟钢板弹簧，使用与实际钢板弹簧弧高、弧长、刚度等参数相等的一条纵向弧形薄板来模拟实际的钢板弹簧，采用四边形壳单元划分薄板。如图4所示。
图3 HyperMesh模拟缝焊连接的示意图图4板簧等效示意图边界条件及工况集装箱半挂车在运输过程中存在多种工况，不同工况下车架受到的载荷也不相同。车辆结构的静力学分析一般研究弯曲、扭转、紧急制动、转弯这四种典型工况，这几种工况的边界条件和载荷有所差异。本案例进行静力学分析所选工况的描述如下表1所示：
表1边界工况描述表结果分析工况1——弯曲工况对车架纵梁与横梁表面施加333200N的集中力，并施加重力加速度9.8m/s^2。
图5 弯曲工况车架变形云图
图6弯曲工况车架局部应力云图1)最大变形量约为16mm。其原因是由于此处距离前部牵引销和后部悬架较远，刚度较小。
2)车架板料本身最大应力都未超过345Mpa，主要是焊接处焊核达到了屈服强度，表明该处属于高应力区域。工况2——扭转工况载荷与弯曲工况相同。释放左前轮板簧底部所有自由度。
图7 扭转工况车架变形云图
图8 扭转工况车架局部应力云图1)车架最大变形量约为24mm。车架变形不对称，主要原因是左前轮板簧无约束。
2)扭转工况下，相比弯曲工况，高应力区域更为明显且增大了。纵梁阶梯处是通过焊接的方式将两个纵梁连接起来，此处受力最大，对焊接要求较高。可适当增加加强筋厚度。工况3——紧急制动工况
集中力：333200N，均匀分布在梁的表面。重力加速度9.8m/s^2。惯性力：GB7258-2017《机动车运行技术条件》规定半挂车满载时紧急制动减速度不小于5m/s^2。本实例取紧急制动加速度5m/s^2。
图9紧急制动工况车架变形云图
图10 紧急制动车架局部应力云图1)车架最大变形量约为15.4mm。横梁受到集装箱对其惯性力作用，在X方向发生形变，最大值在连接处，大小约2mm。
2)紧急制动工况下，车架高应力区域与扭转差不多，横梁与纵梁连接处焊核强度满足要求，未出现高应力现象。工况4——转弯工况集中力：333200N，均匀分布在梁的表面。重力加速度9.8m/s^2。惯性力：惯性加速度3m/s^2。
图11转弯工况车架变形云图
图12转弯工况车架局部应力云图1)最大变形量约为28mm。由于转弯惯性影响，横梁在Y方向发生形变，大小约20mm。
2)纵梁阶梯处极少量焊核应力超过700Mpa，部分超过345Mpa。可适当增加加强筋厚度。分析总结对半挂车车架进行了四种工况下的静力学分析，结论如下：1)四种工况下，车架的高应力区域基本相同，主要集中在纵梁阶梯连接处和牵引销连接处。四种工况下都有部分焊核超过材料屈服强度。
3)各工况下的车架变形为：转弯工况28mm>扭转工况24mm>弯曲工况16mm>紧急制动工况15.4mm。变形最大位置主要发生牵引销与第一排板簧之间，主要是原因是此区间没有其他约束支撑，刚度小，易发生变形。可通过调节轴距、纵梁间距以及合理排布横梁位置来提高刚度，从而减小变形量。建议1)增大纵梁阶梯连接处加强筋的厚度。增大牵引销处横梁厚度。
2)横梁之间增加连接件，从而提高刚度，如图13所示。
图13车架修改建议图联系方式欢迎技术交流和咨询联系人：陈韬联系人：伍丽娜