散装水泥半挂运输车车架建模及有限元分析.docx

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散装水泥半挂运输车车架建模及有限元分析

河北工业大学

毕业设计说明书（论文）

作者：

孙亚星学号：

100301

学院：

机械工程学院

系（专业）：

车辆工程

题目：

散装水泥半挂运输车车架建模

及有限元分析

指导者：

王金刚教授

（姓名）（专业技术职务）

评阅者：

（姓名）（专业技术职务）

2014年6月6日

毕业设计（论文）中文摘要

散装水泥半挂运输车车架建模及有限元分析

摘要：

近些年来，中国的基础设施不断完善，高速公路和干线公路网的形成使得公路运输逐渐成为我国客货运输的基本方式。

中国经济蓬勃发展，尤其是房地产行业膨胀式发展，对水泥产生了大量的需求，散装水泥半挂运输车在这种背景下扮演着越来越重要的角色的同时，对运输车提出了更高的要求。

计算机的普及和UG,hypermesh相关软件的应用为这种功能的实现提供了可能。

首先,利用UG建立了散装水泥半挂运输车车的三维模型，该模型满足了设计的所有参数要求。

然后再利用hypermesh对所导入的模型进行有限元分析并求解静态完全均布载荷下的弯曲或者扭转工况下的应力应变，结果表明该车具有足够的强度和刚度。

关键词：

半挂运输车UG建模hypermesh有限元分析

毕业设计（论文）外文摘要

TitleBulkcementsemi-trailertruckframemodelingandfiniteelementanalysis

Abstract

China'sinfrastructurehaveagreatimprovementinrecentyears,especiallyintheformationoffreewayandarterialhighwaynetwork,whichmakestheroadtransportationhasgraduallybecomethebasicmodeofpassengerandcargotransportationinourcountry.China'seconomyisbecominghoter,especiallytherealestateindustrydevelopment,makesalotofdemand.Underthisbackgroundthecementbulkcementandtransportvehicleplaysamoreandmoreimportantrole,whichalsoputsforwardhigherrequirementsontransportvehicle.ThepopularityofcomputerandUG,hypermeshsoftwareapplicationsfortherealizationofthefunctionofthisprovidethepossibility.

Firstofall,bulkcementsemi-trailertruckcarwasestablishedbasedonUGthree-dimensionalmodelandalltheparametersofthemodelmeetthedesignedrequirements.Hypermeshcanbeappliedtoanalyzetheimportedmodelunderstaticallyuniformlydistributedloadofbendingortorsionconditionsofstressandstrainbyfiniteelementanalysis.Theresultprovethevehicle,whichhasenoughstrengthandstiffness.

Keywords：

Thesemi-trailertruckUGmodelhypermeshfiniteelementanalysis

目录

一绪论-1-

1.1本课题产生的时代背景-1-

1.1.1我国公路与汽车发展的概况-1-

1.1.2我国水泥市场的发展与竞争-2-

1.1.3我国水泥车市场的困境-3-

1.2半挂运输车在国内外的发展状况-4-

1.3汽车与计算机技术的结合-5-

1.3.1计算机软硬件的发展-5-

1.3.2现代汽车发展要求-5-

二、散装水泥半挂运输车-6-

2.1散装水泥半挂车的基本介绍-6-

2.1.1半挂车的基本结构-6-

2.1.2半挂车的分类-6-

2.1.3散装水泥半挂运输车的工作原理-8-

2.2半挂车车架-8-

2,2.1车架的基本构成-8-

2.2.2有限元发展在车架方面的应用-8-

三、散装水泥半挂运输车车架的建模-9-

3.1UG软件的介绍-9-

3.1.1UG软件的发展及在我国的应用-9-

3.1.2UG软件基本功能的介绍-10-

3.2车架建模-11-

3.2.1车架零部件三维模型-11-

3.2.2UG建模过程中的问题及解决方案-15-

3.2.3车架总体建模展示-16-

3.2.4组装过程遇到的问题及解决方案-17-

四.散装水泥半挂运输车车架有限元分析-18-

4.1有限元方法简介-18-

4.1.1有限元分析的基本思想-18-

4.1.2有限元分析的基本步骤-18-

4.1.3有限元分析的优点-19-

4.2有限元分析软件hypermesh简介-20-

4.2.1hypermesh介绍-20-

4.2.2hypermesh的优势-20-

4.2.3本次毕设所涉及的内容-21-

4.3散装水泥半挂运输车车架的有限元模型建立-22-

4.3.1静态完全均布载荷静态弯曲工况-22-

4.3.2静态完全均布载荷静态扭转工况-24-

结论-27-

参考文献-28-

致谢-30-

一绪论

1.1本课题产生的时代背景

1.1.1我国公路与汽车发展的概况

改革开放后尤其是近10多年来，我国经济继续保持着良好发展的态势，国内的各项基础设施也在不断地完善，交通运输业也取得了长足的发展。

到2012年末,我国的公路里总数与公路密度的情况与发展可参考下图:

图1-12008-2012年我国公路总里数与公路密度的发展

我国公路业的多年的长足发展，使得我过得干线公路和高速公路网基本形成。

另一方面我国已经成为第一生产大国，截止到2013年，我国汽车保有量将近1.37亿辆，从2003年至2013年这10年期间，我国汽车行业迅速发展，保有量也大幅增加，从2003年的2400万辆增长到2013年的1.37亿辆，年均增加大约达到1100万辆，这10年间汽车数量增加了4.7倍。

增加的车辆必然导致公路上汽车流量的增大，反过来这也是一种重要的参考。

我国国道和高速公路日均交通量和发展趋势请参看下图：

图1-22008-2012年国道和高速公路的日平均交通量

这些因素都促进了公路运输的发展，使公路运输真正起到综合运输的基础性作用、协同作用和使得全国形成一个比较完整的大动脉。

交通运输具有适应性强，直达运输等优点时期逐渐成为主要的运输方式，尤其是中短途和边远山区的运输。

1.1.2我国水泥市场的发展与竞争

我国房地产的火爆，基础建设桥梁，道路等各方面都促进了对水泥的需求，早在2001年，中国水泥不仅在产量和而且在消费量都达到了世界第一，在世界占到34%，在亚洲更是超过了一半达到了57%。

当时我国水泥年产具体为7.1亿吨，是世界名副其实第一水泥大国。

这种趋势并没有停止，在2012年时水泥产量更是达到221000万吨，产量接近全球的60%，我国水泥产量大的同时依然保持着较快的增长，图1-3为2013年相比于2012年的增长：

2013年全国的经济陷入低迷，但是水泥行业的增长率仍能达到9.6%的增长率是十分不容易的，水泥行业的前景还是十分乐观的。

庞大的水泥量必然需要运送，这就为水泥车的设计和运输提供了需要和更高的要求。

图1-32013年我国水泥日均产量及同比增速

1.1.3我国水泥车市场的困境

我们必须清楚的是,尽管市场需求量不断增长,但是市场竞争也变的越来越激烈。

水泥市场的高利润，促使了对水泥车的需求，外加上这种运输车所需的技术不多，使得企业的进入相对比较容易，只要有一定的资本，就可以进入，因此生产厂家众多,良莠不齐，一些小厂的年产量一般在200台以下,这么多的生产企业是导致散装水泥运输车行业竞争激烈的直接原因。

众多企业抢夺利润，必然会导致零和竞争，引起企业大打价格战，微薄的利润必然使企业无力投入研发，不利于企业产品质量的提高，长期以往,对我国散装水泥运输车行业发展极为不利,，如果想要健康持续发展，必须扭转这一局面。

散装水泥运输车行业内多数企业没有真正意义上的知识产权,新产品开发的种类各厂家基本雷同或者参考国外国产散装水泥运输车在技术和工艺上与发达国家的相比仍存在不不小的差距。

尽管从目前的数据来看,国内的散装水泥运输车市场是依然走高,出现的这些问题可能对企业的利润影响不大,但是利润总会慢慢减少,要想真正提高企业的核心竞争力,在众多的企业中脱颖而出，企业必须在质量上下功夫，反之,则很可能像国产手机市场那样大打价格战,最终整个行业陷人困境。

这种局势也为我们的研发提供了需求和要求。

1.2半挂运输车在国内外的发展状况

近几年，半挂车市场十分火爆，火热的市场更是催生了许多半挂车生产企业，这也造成了目前半挂车企业良莠不齐。

根据有关数据，截止到2007年，我国半挂车的产量达到11万7137辆，比往期增长31.8%，可以说半挂车运输是今后道路运输的发展趋势之一，市场前景非常看好[1]。

汽车运输得到了快速发展，其中汽车运输主要朝着散装和集装箱运输的方向发展，散装物料运输，就是在粉末状等物质的运输过程中，不再采用其它的包装措施，而在专用散装运输车中散装水泥运输车得到广泛的应用。

与此同时我国正处于城镇化的剧烈变迁中，各方面的建设都离不开对水泥的需求，散装水泥半挂运输车是装载量大、运输效益高、市场需求量大的专用汽车品种之一，可以完成对散装水泥的长途运输任务。

随着科学技术的日新月异,制造业在具体机械上是数字的智能的，在生产销售商是网络的全球的,产品生产周期逐渐变短的同时,新产品也更快的走向了市场,机械设计与机械制造的效率对产品的开发效率也就起着决定性的影响[21]。

由于专用汽车可提高运输的效率和经济性，发达国家专用汽车的保有量已占运输车的7080%，欧洲甚至有人提出过“为减轻1g自质量而努力”的口号，随着国内用户理念的不断走向成熟，用户的买车意向也逐渐发生了变化，由以前的“超载型”转为便捷的“轻型车”。

而我国的专用汽车的发展还不能满足经济建设的要求,保有量远远不够，随着我国治理超载、超限工作的逐步深化，运输车超载在以后是必然严惩的。

在这样的情况下，挂车制造商面临着严重的挑战，如何设计方能使挂车更加轻量化，尽可能的提高车辆的载质量利用系数并提高车辆有效的承载能力就变得越来越迫切[117]。

水泥散装化是现代文明的重要标志之一，发展散装水泥是建设和谐社会的客观需求，更是循环经济的具体体现。

发达国家早在20世纪60年代末就实现了水泥运输从袋装到散装的转变，散装率普遍超过了70%，美德日俄等技术比较先进的甚至达到了90%以上。

但是我国到2004年水泥的散装率仅仅是33.47%，只是达到了发达国家三分之一的水平，要在根本上得到改观，即使达到70%，也需各方面多年共同的努力，其中即蕴含了散装水泥车极大的市场空间[25]。

各种因素的综合影响使得专用汽车越来越受到企业的和社会的重视，尤其是半挂车作为专用车中用量较大的车型，如果能设计得好，不仅可以节约原材料的使用，降低生产成本，还可以在节约燃油的同时提高安全性。

现在城市雾霾越来越严重，节能减排是未来的发展潮流，各生产厂家应根据市场的变化，开发出满足客户需求的产品，不仅可以增加销量，还可以提高企业产品的市场竞争力。

1.3汽车与计算机技术的结合

1.3.1计算机软硬件的发展

我们清楚地看到计算机技术的进步改变世界上几乎所有行业的工作方式，使人们的脑力活动不再那么繁重，1946年2月14日，ENIAC的诞生标志着计算机时代的到来。

计算机制造之初体积庞大，贵重，不是普通人可以使用的，但是随着计算机的不断发展为我们提供了更多的可能。

计算机到第四代时有了明显的变化，随着大规模集成电路的成功制作，计算机的体积和性能都得到了改善。

集成更高的大容量半导体存储器作为内存储器，发展了并行技术和多机系统，软件系统工程化、理论化，程序设计自动化。

微型计算机在社会上的应用范围进一步扩大，计算机几乎目前存在的所有领域，并带来了巨大的影响。

计算机的每一次发展，都伴随着技术的某种进步，成本体积在不断地缩小，在20世纪90年代之后已经进入了中国的千家万户，这为我们应用笔记本解决工程问题提供了支持，计算机硬件不断改变的同时软件也有了长足的发展。

第一代软件是用机器语言编写的，机器语言采用的都是二进制，只有专业人员可以编写程序，使得计算机得不到推广使用。

第二代软件中使用的是高级语言，它的指令形式跟自然语言和数学比较类似，因此在学习、编程和可读性方面都有改进，但是高级语言的执行必须先变为机器语言，因此高级语言不但运行效率不高，所占用的软硬件资源还大。

随着软件数量急剧膨胀出现了很多严重问题，主要表现在维护工作上，软件以令人惊讶的比例消耗资源并酿成了软件危机。

因此，1968年在德国召开国际会议分析研究了软件危机问题，提出“软件工程”这个概念。

这次的会议极大促进了软件的发展。

再后来比较重大的事件是万维网技术的攻克，使得人机可以更加有效的互动，技术人员可在网上找到相应的资料。

1.3.2现代汽车发展要求

现代汽车的要求与设计之初有着很大的区别，汽车作为一个成熟的产品正在全国各地奔驰，可能是华北的平原地区，也可能是东北的严寒地区，可能是海南的赤道炎热地区，也可能是西藏的山区地区等等，不同的工作坏境意味着看中的性能不大一样，这是产品细分的原则，也是汽车产品逐步特种化的一个体现，思考每一种工况下汽车的合理设计是我们这些研发人员的工作。

另外一个比较重要的问题是，全球现在资源紧张，污染严重，很多城市严重的雾霾是由于汽车尾气的大量排放导致的。

这就对汽车的设计提出了新的要求，汽车的质量应当越来越轻，不断地向轻量化发展，但是汽车的刚度和强度也不能下降，这就是一个挑战，计算机的发展为我们解决这个问题提供了一个契机，UG,CAD,CAE,hypermesh,ADAMS等等软件的发展使得我们可以更好地模拟实际的工况，更加全面的把握问题的所在，节约了时间的同时，还提高了产品的质量。

计算机技术与汽车技术的结合，相信可以大幅的提高产品的经济性和使用性，满足包括水泥行业在内的各种行业的需求，这也是我们持续努力的方向。

二、散装水泥半挂运输车

2.1散装水泥半挂车的基本介绍

2.1.1半挂车的基本结构

半挂车是指将车抽（单轴或多轴）置于车辆质心（均匀载荷时）后面，并且具有可将水平力和垂直力传递给牵引车的牵引连接装置的被牵引车辆。

半挂汽车是由牵引车和半挂车两大部分组成,牵引车是由整车厂制造,半挂车则由专业汽车改装厂改装生产。

总体尺寸进行布置组成梁格式的框架结构,基本结构一般还有：

牵引销，牵引座，支撑装置，纵梁，车轮，悬架，制动系统，横梁。

2.1.2半挂车的分类

全部半挂车可详细分为以下几种：

平板半挂车，栏板半挂车，车辆运输半挂车，液体罐式半挂车，气体罐式半挂车，粉粒物料罐式半挂车，半挂工程车，集装箱半挂车，仓栅式半挂车，自卸半挂车，厢式半挂车，其它半挂车。

散装水泥半挂运输车属于粉粒物料罐式半挂车，上户吨位10吨到35吨不等，长度一般不超过15米，轴数一根到三根不等。

可参考图片：

图2-1散装水泥半挂运输车

散装水泥汽车有三种：

1．重力卸灰汽车：

散装水泥汽车的鼻祖。

基本构成：

自卸汽车加上货厢顶盖组成。

基本原理：

水泥在卸货时，货厢倾起由于重力的缘故会自动卸出。

不足是水泥卸的位置必须低于车厢，水泥飞扬比较严重。

2.机械卸灰汽车：

最大特色在于：

在汽车上的安装螺旋输送机，可以通过调节螺旋输送机的位置，调节水泥卸载的高度，水泥飞扬也很少，解决了重力卸灰车的问题，但卸灰机件的磨损十分严重。

3.气力卸灰汽车：

现在主流的水泥车，最大载重量可达百吨级，货厢多为罐式，立置或斜卧在汽车车架上。

加灰时可以通过罐上部的一个或多个加灰口。

基本原理：

利用空气压缩机卸灰，从罐底进入的压缩空气，先是经过透气层，然后分成细流充入水泥，最后形成均匀的水泥与空气的混合物,由于容器内外不同的压差，水泥可以沿着卸料管流出。

优点是：

卸灰快，水泥飞扬少，受高度和距离的限制极小，不受风雨天的影响。

2.1.3散装水泥半挂运输车的工作原理

工作时，半挂车车架下端的牵引销通过与牵引车的牵引座相互配合来牵引半挂车行驶，并在转向时完成牵引车和半挂车之间的相互转动。

载荷通过牵引销座和悬架系统分配到牵引车和半挂车车轮，当脱离牵引车时，半挂车前部由支撑装置支撑。

半挂车制动通过制动系统与牵引车连同，达到二者同时制动[24]。

半挂式散装水泥车的特殊之处在于罐体，罐体内部由滑料板、筛形板、气舱和料舱组成,水泥从罐体上部入灰口装入料舱，在卸水泥时,不断向气舱内部充压,高压气体使水泥在气流的压力下呈半流体状流到工作场所。

主要的工况为水泥的自重载荷、卸载时气压和水泥自重的共同作用以及运输时的惯性载荷[14]。

2.2半挂车车架

2,2.1车架的基本构成

半挂车车架通常采用两根纵梁、两根边梁和若干横梁按车架[5]。

其中车架主要是由纵梁和横梁组成。

半挂车的车架主要有：

平板式，鹅颈式和凹梁式三种。

平板式车架具有平直的货台，位于车轮之上，可以充分利用牵引车和半挂车的牵引部分的以上空间，因此货台面积较大，这种车架结构优势在于比较简单，制造容易，多用于超重型挂车。

鹅颈式车架亦称阶梯式，车架虽然呈阶梯形，货台平面在鹅颈之后，从而使货台主平面降低，便于货物的装卸和运输，但是车架的受力情况不如平板式车架好。

凹梁式车架其货台呈凹形，具有最低的承载平面，一般适用于运输大型或超高的设备。

散装水泥车一般采取第二种方式。

汽车车架作为汽车总成的一部分，道路以及各种载荷很多都作用在车架上，尤为指出的是汽车车架是很多重要部件的载体，其性能与整车性能直接相关，所以车架的强度刚度是汽车总体设计中十分关键的一环。

2.2.2有限元发展在车架方面的应用

车架是半挂车的主要承载部件,承受复杂的空间力系作用,需要进行有限元分析确保车架有足够的抗弯强度和抗扭强度。

车架支撑着发动机,离合器等部件，各种部件都将力或者力矩传递给车架，其可靠性关系到整车能否能够正常行驶以及汽车的安全性能.过去汽车移函数选取合理,不断缩小范围，求得近似解,这种方法不仅费用大,试制周期长,多种方案之间也不利于评价和比较。

对车辆轻量化和降低成本的要求越来越高，，随着计算机技术的发展，现普遍将有限元法应用到车架强度的计算中.实践证明,有限元分析是一种有效技术有段，有限元分析技术与汽车主要技术的各个方面都有结合，主要有以下方面：

1.结构强度、刚度和模态分析及结构优化设计

2.NVH的有限元分析

3.碰撞和安全性的分析

4.整车性能的分析评价与预测

本次课设中主要涉及的是第一方面，车身作为主要的承载部件，其刚度和强度极为重要，必须有足够的疲劳强度，有限元分析可以满足要求的同时，缩短了研发周期，节约了成本，可以在较短的时间内得出多种方案，有利于比较，实现结构的优化。

三、散装水泥半挂运输车车架的建模

3.1UG软件的介绍

3.1.1UG软件的发展及在我国的应用

UG是Siemens出品的一个产品工程解决方案，它的出现使得工程设计人员的工作量大幅减少。

McDonnellDouglasAutomation公司于1960年正式成立。

1976年，该公司收购UnitedComputer公司，Unigraphics雏形产品问世。

后来逐渐进入市场，开始为波音公司提供CAD,CAE,CAM的标准，后来又可以实体建模，曲线建模，装配等等。

2002年推出了UGNX1.0，继承了UG18的优点的同时，使得功能更加强大，更加完美。

2005年推出的NX4.0，具有崭新的体系，使得开发和应用更加的简单明快。

本次毕设采用的是NX8.0，具有有限元的分析功能，但考虑到这方面Hypermesh一直做得最好，在本次毕设中便没有采用。

Unigraphics软件是世界上顶尖的设计、工程及制造系统于一体的软件,并在80年代后期开始引进我国,广泛的应用在航空航天、汽车、通用机械、模具等领域。

以我国发表的关于UG论文的数量而论，我国关于UG的论文研究最早发布于1992年。

近些年来,关于UG研究论文不断增加，越来越多。

其中,1992-2000年这9年是起步时期,每年发表的论文数不足一百;2001-2004年的这段时间属于发展期,每年发表的论文数量都超过三位数;2005年后的高潮期,每年发表的论文都达到500篇左右,短短的3年共发表论文1515篇,占论文总数的61.19%。

这些数据表明UG在国内应用更加普及，还说明很多企业、科研机，学校已经认识到ug的重要性，投入的研究也越来越大。

3.1.2UG软件基本功能的介绍

经过50余年的不断发展完善，UG的各方面能得到不断地修正与加强，目前主要有以下方面：

工业设计：

解决工业设计与风格的问题，在此板块下，可利用渲染和可视化工具尽可能的满足审美要求。

产品设计：

NX的机械设计和制图功能十分强大，在制造设计的过程中具有高性能和灵活性，可以满足复杂产品的需要，适应不同的客户。

NC加工：

UGNX加工基础模块是UG所有的加工模块连接的一个基础框架，它为UGNX所有加工模块提供一个相同的、界面友好的图形化窗口环境。

模具设计：

关键是做好分模工作，UG在这方面做得非常好，因此广泛的流行。

此次毕设中主要应用到的是实体建模和相关的组装，可参考以下图形：

图3-1UG装配过程一

图3-2UG装配过程二

3.2车架建模

3.2.1车架零部件三维模型

利用UG软件来建立各个部件的三维空间图，这些部件主要包括：

纵梁腹板、前边梁、牵引板支撑、横梁、后边梁、牵引销板、上翼板、下翼板。

这些部件都是利用UG软件中的草图，实体，拉伸等特征或特征操作生成的。

纵梁腹板结构如图所示：

图3-3纵梁腹板

该腹板的左右是不对称的，需要在草图中逐一画出，然后拉伸。

前边梁的结构如图所示：

图3-4前边梁

牵引板支撑有三种不同的尺寸，但基本结构类似现只展示其中一种,如下图：

图3-5牵引支撑板

后边梁结构如下图：

图3-6后边梁

牵引销板结构如下图所示：

图3-7牵引销