半挂车在牵引销的作用下实现与牵引车的灵活连接，可视为平衡悬架结构形式。车架基本尺寸为长10160mm、宽2440mm，结构组成包含2根纵梁和18根横梁。车架截面高度沿长度方向可细分为3个部分。前后两段的截面高度相同，较特殊的是中间段，该部分具有高度连续变化的特点。前后横梁两处结构均为薄壁闭口矩形钢，中间部分则以槽钢为基础材料组成横梁，厚度各异，取值区间为6~16mm。
2 半挂车车架
在化工业持续发展的背景下，以天然气为代表的各类高压气体运输规模随之扩大，管网运输存在成本高、损耗大等局限之处，而常规的中小容积气瓶所能创造的运输量极为有限，难以满足经济快节奏发展背景下的能源需求。此时，半挂车的应用优势随之彰显，其能够整合多数大容积无缝气瓶，以捆绑等方式将其稳定置于车架上，可根据用户的需求及时转运大规模的天然气等能源物质。
从半挂车的结构组成来看，车架为核心装置，其具有纵梁长、支点跨距大等多重特点，可将其视为承受荷载的骨架结构。受力方面，荷载普遍作用于车架前后端支撑板处，中间区域受力相对较小。车架的稳定性将直接影响半挂车的通行安全性，鉴于运输产品的特殊性，必须合理优化车架结构，保证其在强度、刚度等方面均满足要求。需注意的是，车架结构的受力条件错综复杂，常规的力学分析方法难以准确掌握车架各结构的受力状况以及在强度、刚度等指标方面的具体表现。
对此，可引入有限元分析法，其融入了离散、逼近的灵活算法，能够给车架强度、刚度等分析工作提供重要的指导。在有限元分析方法应用过程中，以弹性力学理论为主要依据，将其用于验证仿真结果，可兼顾加强板、横杆、横梁等车架的各处组成结构，视实际情况制定改进方案，全面提高车架的整体性能，使其能够投入到大规模运输作业中。
3 半挂车车架有限元建模与计算
3.1建模及ANSYS处理
根据车架的已知参数信息，在Pro/E中创建三维实体模型，再将其导入ANSYS平台以便展开有限元分析。车架以SHELL63壳单元为基础，建模成整体结构。在车架实体模型成型后对其抽中面处理，经此操作后将导致车架纵梁与横梁两结构间形成间隙，因此需及时补面。实际操作中应确定横梁在纵梁上的投影区域，在该处做好标记，以此为依据缝补到位。
3.2边界约束方式
以创建的有限元模型为基础，综合考虑设计要求和实际运输需求，提出3点约束措施：
（1）车架前后支架处的吊耳孔，该部分为全约束形式。
（2）牵引销板的孔为全约束形式。
（3）根据结构对称面的特点，采取对称约束的方式。
3.3平衡悬架的模拟
车架在应用于半挂车后将存在较复杂的受力条件，不利于力学分析与计算工作的顺利展开。对此，以保证模拟结果准确性为基本前提对车架结构加以简化，以达到降低工作量、提高工作效率的效果。引入圣维南原理，对本次的车架模型作出如下简化处理：①钢瓶等效为梁；②暂不考虑车架内各零部件对整体装置应力分布状况带来的不良影响；③暂不考虑细小圆角及折弯构造造成的影响；④将焊缝视为固体连接形式，且均遵循等强度焊接的原则；⑤车架所用材料均具有各向同性的基本特征。
此外，车架前部牵引销处设置有固定约束，取车轮中心将其视为支点，于该处给予固定约束处理。
考虑到建模的便捷性要求，引入杆单元模拟的方式，应保证模型完全约束，同时还需避免过定位的情况。为确保模拟结果的可靠性，此处引入3种模拟方法，分别对各自的结果展开对比分析，具体内容见图1（数字为模型的节点编号）。图1（a）中，以半挂车纵向中心面为对称中心，点14157、14159分别与14152、14154对称。图1（b）中，以半挂车纵向中心面为对称中心，点14166与14163对称。图1（c）中，固定约束点分别加在节点3、9、13、15以及1和20处，以半挂车纵向中心面为对称中心，与点9、3、1对称。
图1 平衡悬架模拟方法示意图
3.4加载
本次分析中，半挂车的额定载重量为28000kg，车架中2根纵梁承受大部分荷载。随着半挂车的运行，在不同路段对车架所造成的冲击作用具有差异性，根据既有经验可知，动载系数取值区间普遍为1.8~2.5，为保证分析结果的可靠性，此处将动载系数取为上限值，即2.5，纵梁均布荷载值为0.241N/mm2。本次建模采用的SHELL63四边形单元存在较明显的方向性，引入右手螺旋定则，取大拇指方向为正，若满足力方向与单元方向具有同向性的特征，则视为正方向，反之则为负方向，以此为依据判断力的方向并准确输入力值。
3.5最终模型
车架为自由化分网格的形式，通过对车架的离散化处理后所创建的模型中共包含14166个节点和13499个单元，再根据上述所提的模拟方法依次展开模拟、计算及分析。
4 模拟结果与分析
4.1 3种约束模拟结果的对比
所提3种模拟方法的应用特点各异，为准确掌握模拟结构在节点处的受力情况，此处呈现出各模拟方法对应的力学数值信息，具体内容见表1~表3。根据表1内容可知，节点14152与节点14154各自产生的约束反力并不具有一致性，不符合平衡悬架的特征。
表1 模拟数据一
表2 模拟数据二
表3 模拟数据三
进一步分析第2、第3种模拟方法，得知双轴的垂直约束反力具有一致性，具有平衡悬架的基本特征。相比之下，虽然2种模拟方法均能够模拟平衡悬架，但第3种方法的应用效果更佳，原因在于其采取多点与车架连接的方式，可避免应力过度集中的现象，有助于提高模拟结果的准确性。
4.2应力分布和强度校核
在确定第3种模拟方法后进一步绘制应力分布图，可知车架各点的应力分布具有差异性，其中以纵梁截面变化的过渡处较为特殊，对应的是最大应力点。半挂车选择的是16Mn材料，根据既有力学信息可知，可提供的屈服强度为345MPa，相比之下该最大应力点对应的数值为314.35MPa，小于前者，表明车架可维持稳定的状态，具有可行性。
5 结语
综上所述，本文以半挂车车架性能为探讨对象，引入3种模拟方法，经对比分析后确定合适的方法，经验证后得知在弯曲工况下车架具有稳定性。希望所提的模拟分析方法可为类似工程提供参考，提高半挂车车架的设计及制造水平。
作者：阎承博 （中国机械国际合作股份有限公司)
本文刊发于《中国高新科技》杂志2020年第24期
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