某压载挂车车架静态特征与模态分析

陈鸣涧，杨振宇，李陆宽，王文迎，刘柏旭

(山东理工大学机械工程学院，山东 淄博 255000)

压载挂车车架为中央箱形截面梁式，用于运输起重机配重。目前，压载挂车在欧洲得到了广泛应用，因其特殊的车架形态非常适合压载运输，再加上日益繁忙的吊装作业需求，以Mammoet、Sarens、Felbermayr为主的各著名吊装公司争先抢购各种型号的压载挂车。欧洲主要压载挂车生产商为德国的Goldhofer公司和荷兰的Nooteboom公司，生产的压载挂车轴数为5～8轴、额定载质量为40～100 t。

大型起重机配重块往往密度较大，单位面积对载货台的压力也就偏大，国内一般利用传统鹅颈式半挂车来运输各种型号的配重块，其车架为焊接框架结构，由纵梁、主横梁、贯穿梁、边梁以及底板等组成，纵梁为工字钢[1]。通过分析以往的关于鹅颈式半挂车车架静力学研究案例可以得出，目前导致鹅颈半挂车车架开裂的主要工况因素是弯曲工况和扭转工况[2]。车架的最大应力基本出现在后悬架处和鹅颈部位，且当车架处于满载扭转工况下时，应力值最大，会造成车架的疲劳断裂和变形[3]。

车架是半挂车的主要承载部件，它能否满足半挂车在使用过程中的强度、刚度及振动要求，是衡量半挂车质量的重要指标[4]。本文针对常见实际工况对压载挂车车架进行静态特征分析，通过研究满载弯曲、满载扭转、满载搓板路工况下车架应力及变形情况，验证其运输起重机配重时的强度和刚度,并对车架结构进行有限元模态分析，辨识车架结构动态性能，分析其结构设计是否合理。

1 车架有限元模型建立

本文研究的压载挂车属于特种运输半挂车，其车架为中央箱形截面梁式，载质量为45 t。该压载挂车车架主要由一根中央矩形截面主梁、若干三角加强筋和边梁等结构焊接而成，车架分为前部的非载货区与中、后部的载货区，载货区可放置配重块、液压支腿等机械部件；非载货区可安置压载箱(通过增大牵引车驱动轴轴荷的方式来增大扭矩，便于坡路运输)。该压载挂车车架非载货区底盘通过牵引销与牵引车的鞍座连接，整车设置为五轴载荷模式，车架的主要参数见表1。

表1 车架主要参数

压载挂车车架材料采用16Mn低合金结构钢，其弹性模量为216 000 MPa，泊松比为0.31，密度为7 870 kg/m3，屈服强度为450 MPa。

利用UG建立五轴压载挂车车架的几何模型，并将其导入HyperMesh中建立有限元模型，导入时去除载货区边缘的索孔以及车架中的倒角、圆角以及车架附属结构(例如防护架、工具箱、油箱座等)。本文选择三维四面体单元对车架模型进行网格划分，将基本单元格大小设置为60 mm，并对连接点以及应力集中区域进行细致的网格划分，一共划分出104 198个有限元单元，最终的车架有限元模型如图1所示。

图1 车架有限元模型

2 车架有限元静力学分析

本文主要对压载挂车车架进行满载弯曲、满载扭转、满载搓板路3种工况下的有限元静力学动强度分析，主要分析其正常直线行驶时的地形适应性。

2.1 满载弯曲工况

车架需要足够的弯曲刚度来保证半挂车在各种复杂工况下的整车工作。弯曲工况指当车辆全部的车轮与地面接触并在路况良好的路面上以恒定的速度行驶时，车架对其压载情况的状态响应。

约束处理：约束牵引销局部X,Y轴方向的全部自由度以及Z轴方向的平动自由度；所有悬架与车架接触处约束X,Y,Z轴方向的平动自由度。

载荷处理：在车架载货区中部建立一个宽度为1 530 mm的平面承受垂直于载货台向下的45 t均布载荷，并使其贯穿整个载货区。车架在外力作用下原为直线的轴线发生变形成为曲线，从而能够模拟配重块安放在载货台时重力作用于载货台面的工况，此时动载荷系数取2。

结果分析：通过有限元分析，分别得到图2、图3所示车架弯曲工况下的形变量云图和应力分布云图。由图2可知，车架最大变形量为1.694 mm，位于车架中后部的两侧边梁处，对于主要压载部位影响较小。由图3可知，第一车桥下方悬架的连接处出现了轻微的应力集中现象，最大应力为52.50 MPa，车架大部分应力值小于30 MPa且分布均匀，没有发生应力值突变现象，故车架满足强度要求，有较高的抗弯刚度。

图2 满载弯曲工况形变量云图

图3 满载弯曲工况应力云图

2.2 满载扭转工况

扭转工况是半挂车最危险的工况之一，当车辆在凹凸不平的道路上行驶时，若干车轮抬起或落下，其对侧车轮仍与地面接触，从而使得左右车轮形成相对高度差，即车辆受到非对称载荷作用，产生静态扭转矩，从而使车架产生扭转变形。

约束处理：约束牵引销局部X,Y轴方向的全部自由度以及Z轴方向的平动自由度；1,3,5车桥左悬架与车架接触处约束X,Y,Z轴方向的平动自由度；2,4车桥右悬架与车架接触处约束X,Y,Z轴方向的平动自由度。

载荷处理：载荷处理方式与弯曲工况完全相同。

结果分析：图4和图5分别是车架处于扭转工况下的形变量云图和应力分布云图。由图4可知，车架最大变形为2.03 mm，发生在车架左前方的边梁以及左后方边梁处。由图5可知，第一车桥右侧吊耳处出现了应力集中现象，最大应力为92.04 MPa。本压载挂车车架所用材料的屈服强度为450 MPa，根据国家标准，选取安全系数为2.5[5]，而扭转工况下的安全系数为材料的屈服强度除以最大应力，即450/92.04=4.89，满足工况需求，说明车架处于扭转工况时结构安全。从车架整体应力分布来看，整体应力水平较低，且由于悬架的减震作用，该处的实际应力是小于最大应力的，但尽管如此，也应尽量避免使车架长期在该工况下运行，从而延长车架使用寿命。

图4 满载扭转工况形变量云图

图5 满载扭转工况应力云图

2.3 满载搓板路工况

当半挂车行驶于道路状况恶劣的山区路段时，常常会处于所谓搓板路工况，此种工况模拟的是车架在崎岖路面上行驶时左右两侧车轮同时抬起或落下的状态。

约束处理：约束牵引销局部X,Y轴方向的全部自由度以及Z轴方向的平动自由度；约束1,3,5车桥左右悬架与车架接触处的X,Y,Z轴方向的平动自由度。

载荷处理：载荷处理方式与弯曲工况完全相同。

结果分析：图6和图7分别是车架在搓板路工况下的形变量云图和应力分布云图。由图6可知，车架最大变形为1.95 mm，发生在车架中后部两侧边梁处。由图7可知，第三车桥两侧吊耳处出现了应力集中现象，最大应力为60.67 MPa，此现象是由于2，4车桥悬架自由度释放后车架载货台下降，使得第三车桥悬架承受了车体大部分重力造成的。通过对比车架处于搓板路工况、扭转工况、弯曲工况的形变及应力分布情况可以看出，搓板路工况分析结果综合了弯曲、扭转工况，其条件相比扭转工况更为极端，更符合国内实际工况条件，所以车架有限元分析时应当独立分析搓板路工况，而不应将其归结到扭转工况中去，搓板路工况对于半挂车车架在国内工况下的适应性研究分析有着极其重要的意义[6]。

图6 满载搓板路工况形变量云图

图7 满载搓板路工况应力云图

2.4 车架结构改进措施及验算

由工况分析可知，压载挂车车架处于满载扭转工况时，其释放了自由度的前悬架的对侧悬架吊耳处易产生应力集中现象，应力值为92.04 MPa。针对此现象，本文采取的改进措施为在产生应力集中的一侧悬架吊耳处增加如图8所示的三角加强筋，对实体模型进行修改和分析，并对扭转工况重新计算后，得到该悬架吊耳处的最大应力为63.50 MPa。而三角加强筋作为附件，其承受的最大应力为127 MPa，有效消除了悬架部位的应力集中，减小了最大应力值，改进后悬架吊耳处的应力分布如图9所示。

图8 三角加强筋

图9 改进后悬架吊耳处的应力分布

3 车架模态分析

模态分析是对机械结构的固有频率和模态振型的研究，是研究结构动力特征的一种方法，一般应用在工程振动领域。通过对压载挂车车架进行模态分析，预测车架结构在某频段内，在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应，从而通过合理设计结构以避开共振频率[4]。通过计算分析可得车架前6阶模态频率为趋近于0，可近似看作刚体模态，对模态分析意义不大。刚体模态前10阶模态的固有频率和振型如表2、图10～图14所示。

图14 第15,16阶振型

表2 车架前16阶模态的固有频率和振型

图10 第7,8阶振型

图11 第9,10阶振型

图12 第11,12阶振型

图13 第13,14阶振型

通过研究模态分析结果可以看出，车架的振动频率很低,振幅很小，振型主要是垂直弯曲和复合振动。车架的 7～16 阶频率分布在 6.63～38.42 Hz，且频率过渡相对稳定，无突变情况。车辆行驶时，激励源主要来自于路面和发动机，一般较好路面的激励频率为20 Hz以下的垂直弯曲，此振动对车架的影响最为严重。由模态分析结果可知，模态频率在20 Hz以下的振型无垂直弯曲，且模态频率在 20 Hz 以内的仅有 7，8，9 阶模态，其模态频率分别为 6.63，11.65，15.86 Hz, 这3阶模态的振幅都很小，因而对车架影响较小。车架部分的固有频率为10～15 Hz，由表2可知，车架的1阶弯曲和1阶扭转频率均不在此范围内。

依据上述分析可知，该压载挂车车架正常行驶时可有效避免共振现象，不会引起较大振幅，说明该压载挂车车架结构设计合理。

4 结束语

本文研究表明，五轴压载挂车相比于国内传统鹅颈式半挂车，在压载运输方面有明显优势。通过与传统双边梁式半挂车车架的有限元分析结果的对比可知，压载挂车车架在承受极端载荷情况下变形程度大大降低，且应力分布较为均匀，此现象表明中央梁式车架结构在重型运输状态下具有较长的使用寿命。此外还通过模态分析验证了压载挂车车架结构设计的合理性，并确定了车架振幅较大的位置，有利于对车架结构的进一步优化。本文的研究结果对今后国内重型运输特种半挂车的研究和发展具有一定的指导意义。