铝合金厢式半挂车有限元分析

祝 哮，李 冰，徐 鑫，张德伟，刘瑞萍，王东辉

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

在中国经济飞速发展，道路运输日趋发达的背景下，特种车辆在汽车工业中占据着重要位置。厢式半挂车是特种车行业内相对常见的车型[1]。目前市场上的半挂车多以钢制为主，为响应国家节能减排、绿色出行的方针政策，半挂车轻量化刻不容缓。铝合金因其密度低、比强度高、加工性能优及出众的环保性能等被广泛应用到半挂车的制造中去[2]。

半挂车结构复杂，载货种类繁多，运行的道路多样，导致厢式挂车所受载荷复杂，因此车体结构需要具有足够的强度和刚度以抵抗破坏和变形。

本文采用有限元法对半挂车车架强度进行计算，并依据JT/T 389—2010标准分析厢体刚度，保证半挂车可靠运行的同时，实现结构的轻量化。

1 有限元模型的建立

厢式半挂车车架采用主纵梁结构，两根纵梁及横梁均为“工字型”挤压型材，厢体框架及厢板为组合模挤压型材。材料均为Al-Mg-Si合金。主要采用焊接和螺接的方式进行连接。建模过程中，在不影响力学特性的前提下，对结构的细小特征、非承载的附属部件进行简化[3]，有限元模型如图1所示。

图1 厢式半挂车有限元模型

2 车架强度仿真模拟

考虑厢式半挂车的实际服役状况的不同，在不同工况时，完成车架及厢体的装配，对带厢体结构的半挂车进行分析。厢式半挂车的额定载重为30 t，将载荷施加于厢体内。

2.1 弯曲工况

弯曲工况主要考虑半挂车在路面静止或以恒定速度行驶在路面上时，车体的受力及变形情况。当路面不平整而颠簸时，在车体满载的情况下，加载2 G的加速度，以保证结构的安全系数。

车架结构的应力云图，如图2所示。

图2 水平弯曲工况应力云图

可以看出，车架最大应力为183.2 MPa，位于纵梁处。低于材料(6082-T6)屈服极限，车架结构满足使用要求。

2.2 扭转工况

当半挂车在行驶过程中时，车架受到非对称载荷的作用，产生静态扭矩，即出现扭转工况，此时，半挂车车架发生扭转后将产生应力及变形[4-5]，可用来评价车架结构的可靠性。而扭转工况是车身结构可靠性分析中较严苛的一种工况。

通过仿真运算，车架最大应力出现在车架与悬架的连接位置，应力值为241.4 MPa，且低于材料的屈服强度。因此，车架具有较好的使用可靠性。计算云图如图3所示。

图3 扭转工况应力云图

3 厢体刚度仿真模拟

由于厢式半挂车载货的多样性及路况的不确定性，厢体结构需具有足够的刚度来抵抗变形，以保证不影响其使用功能。根据JT/T 389—2010要求对前墙和侧墙进行载荷施加，要求载荷卸载后部件的残余变形不大于12 mm。

3.1 前墙刚度

半挂车在遇到紧急制动等工况时，厢体内的货物会对前墙产生较大的冲击。根据标准要求，对前墙施加0.4×额定载重的载荷，以压强的形式加载。仿真分析结果云图如图4所示。

(a)加载；(b)卸载

由图可知，在前墙施加载荷时变形为89.3 mm。卸载后，前墙的残余变形为8.6 mm，小于目标值12 mm。满足法规要求，表明厢体前墙具有足够的刚度可抵抗变形。

3.2 侧墙刚度

满载的半挂车在发生转向工况时，厢体内的货物会对侧墙产生冲击作用。根据标准要求，对侧墙施加0.3×额定载重的载荷，然后卸载。加载和卸载位移云图如图5所示。

由图可知，加载载荷时变形为86.2 mm。卸载后，侧墙的残余变形为9.6 mm，小于目标值12 mm。满足法规要求，表明厢体具有足够的刚度。

4 结论

通过对厢式半挂车车架强度和厢体刚度的分析，结论如下：

1)水平弯曲和扭转工况下，车架的最大应力均低于材料的屈服强度(安全系数取2)，满足材料的强度要求。

(a)加载;(b)卸载

2)厢体前墙和侧墙施加法规规定的载荷后，永久变形满足法规JT/T 389—2010要求。厢体具有足够的刚度抵抗变形能力。

综上，厢式半挂车在强度和刚度方面满足30 t载荷的设计要求，从而保证半挂车的可靠使用。