半挂车牵引座结构强度有限元分析

蔡玉强，赵 飞，孟 欣，刘迎娟

（河北联合大学 机械工程学院，唐山 063009 ）

0 引言

作为连接半挂牵引车与挂车必不可少的组成部件，牵引座有着承受半挂车载荷和牵引半挂车的重要作用，同时，还经受挂接半挂车时的冲击，牵引车起步、制动、加速、减速、转向等运行工况，而对牵引座影响起着举足轻重作用的是半挂车垂直方向的下压载荷。作为半挂汽车上的重要部件，牵引座的质量性能直接影响着半挂汽车的行驶安全性[1]。因此，对牵引座进行结构强度分析有着重要的意义。

1 牵引座鞍体有限元模型的建立

1.1 有限元建模

据某公司提供的某90#牵引座的CAD图纸，利用CREO软件进行三维实体模型的创建，并对相关部件进行简化。然后将三维实体模型导入到ANSYS软件中，根据其结构特点，选用shell181单元进行模拟研究。材料为Q345，其材料属性如表1所示，定义单元属性和材料属性后，对其进行网格划分得到较为理想的网格模型，如图1所示。

图1 牵引座网格模型

图2 牵引座约束处理

1.2 边界条件施加

根据牵引座在半挂牵引车上的安装方式以及牵引座中各个部件的连接情况，对其进行如下约束：在两侧内外耳的中心圆孔处的节点上施加X、Y、Z方向上的移动自由度和Y、Z方向上的旋转自由度，如图2所示。

表1 Q345的材料属性

2 牵引座在动载荷作用下的结构强度分析

在实际的运输过程中，牵引座受到路面的随机激励作用，也就是所谓的动态载荷，其产生的作用力比在静止状态下的作用力大几倍乃至几十倍。根据假设的目标车速、频率范围、设定的路面等级反求出路面时域激励，将路面激励作用到汽车轮胎上，然后依据动力学模型仿真出动态载荷，再将求得的动态载荷作用于牵引座壳体的上表面，对其进行瞬态动力学分析。

2.1 路面不平度的功率谱密度

国际标准化组织用路面功率谱密度Gq(n)来描述路面不平度的统计特性，根据 GB7031-2005《机械振动 道路路面谱测量数据报告》中推荐用式（1）作为路面功率谱密度函数的拟合表达式[2,3]：

其中n为空间频率（单位为cycle/m，等于波长的倒数）；为路面谱密度不平度系数；w为频率指数，决定路面谱频率结构；国家标准推荐取w=2；n0参考空间频率，一般取n0=0.1m-1。我国的路面不平度分为8级，其前4级如表2所示[2]。

表2 路面不平度分类标准

在用空间功率谱密度函数作为半挂牵引车振动特性分析时的激励信号，需要将其与半挂牵引车的车速v联系起来，对上式进行换算就可以得到时间频率位移功率谱密度函数[4]：

其中f为时间频率，v为半挂牵引车行驶速度。

2.2 路面不平度的模拟生成

为了模拟实际路面的不平度激励，利用随机正弦波叠加算法生成时域随机路面[3]。由G(f) 得到路面不平度的方差：

将区间（f1，f2）均分成n个小区间，则G(f)在整个小区间内的值，可以用每个小区间的中心频率处的功率谱密度值来代替，则式（3）可以近似写成：

其中，iθ 为在[0,2π]上的随机数。

取路面等级为C级，n0=0.1m-1，车速v=11m/s，采样次数为每秒1000次，根据对牵引座进行的模态分析得到其前八阶固有频率如表三所示，为了避免采样过程中频率泄露，所确定的有效空间频率范围应该覆盖这些频率范围内的模态频率，因此取其频率的上下限分别为f1=100Hz，f2=550Hz，利用MATLAB软件编制相应程序得到C级的时域路面的不平度[5]如图3所示。

图3 C级路面时域激励信号

2.3 路面激励作用下牵引座结构强度分析

在ADAMS中建立半挂牵引车1/4虚拟仿真模型（其理论模型如图4所示），并导入C级路面时域激励信号的曲线数据，生成如图5所示的样条函数[6]。

表3 牵引座结构的固有频率

图4 半挂牵引车的理论分析模型

图4中M1为车轮质量，M2为1/2×（40%满载半挂车牵引车质量），K1为轮胎刚度，K2为悬架刚度，C2为悬架阻尼，X0路面激励，X1、X2分别为M1M2的位移坐标。

在ADAMS建立的虚拟仿真模型上对车轮施加图5所示的时域路面激励信号，进行30s动态仿真分析，采集到牵引座表面上的载荷谱（1/2载荷）如图6所示。

图5 ADAMS中C级路面时域激励信号

图6 牵引座上表面载荷谱

在ANSYS中采用完全法对牵引座进行瞬态动力学分析[7]。

1）载荷谱加载方式：将图6所示的2倍载荷谱编成数组，以表格形式将载荷谱施加到牵引座鞍体上表面，如图7所示。

图7 牵引座动载载加载方式

2）计算结果：我们选取时间步为0.5s、2.5s、10s、30s这四个具有代表性的时间点应力、位移云图，如图8、图9所示。

图8 牵引座在不同时刻的应力云图

图9 牵引座在不同时刻的位移云图

在六个时间步中，由于应力集中的原因，其最大应力都出现在壳体的两个定位孔处，最大的应力值分别为333MPa、179MPa、256MPa、205MPa，并且都在同一位置（节点编号为2156），其次就是在“开猫”处，以及壳体与框架板的焊接处的应力比较大，但是，都小于Q345的屈服强度345MPa。在壳体的圆弧过渡部分的变形最为严重，最大位移为1.14mm，壳体的弯曲变形与其宽度的比值为0.123%<0.2%。所以，结构是安全的。

由上述分析可知，壳体与框架焊接处的刚度比较大，为了实现整体的近似等刚度设计，可以适当的减小其框架板的高度或者厚度。

3 结论

本文通过MATLAB软件仿真出C级时域路面激励信号，将其添加到ADAMS的虚拟仿真模型之上，得出施加在牵引座上表面的载荷谱，利用ANSYS有限元软件对牵引座进行瞬态动力学分析，得出30s内的应力应变图，根据其应力应变情况判断了结构设计的合理性，并为后期牵引座轻量化设计研究以及重型牵引座的设计开发提供了理论基础。

[1]杨通顺.半挂牵引车牵引座要览(上)[J].汽车与配件,2004(46):28-30.

[2]韩鲁明.基于CAE技术的某半挂车车架疲劳寿命预估研究[D].南京:南京理工大学,2007.

[3]黄玮.汽车车轮动载荷的研究[D].南京:南京航空航天大学,2006.

[4]邓学钧.车辆-地面结构系统动力学研究[J].东南大学学报(自然科学版),2002,32(3):474-479.

[5]郭成超,陶向华,王复明.车速和路面不平度特性对车路相互作用的影响[J].华北水利水电学院学报,2004,25(3):42-45.

[6]孙艳鹏.载重汽车车架有限元分析及优化[D].重庆:重庆交通大学,2008.

[7]张洪才,何波.有限元分析－ANSYS13.0从入门到实践[M].北京:机械工业出版社,2011.