车车架的结构设计与强度和刚度分析.docx
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车车架的结构设计与强度和刚度分析
第29卷第7期2007年7月
北J佣maI
京科技大学学报
VoI.29No.7
ofUnive玮ityofscien傥andT∞hnolo科Beijing
Jul.2007
SGA92150型半挂车车架的结构设计与
强度和刚度分析
张国芬1’
张文明1’
剥、玉亮1’
董翠燕2)
1)北京科技大学土木与环境工程学院,北京1000832)北京首钢重型汽车制造厂,北京100043
摘要对渊2150型半挂车车架的总体布置、纵梁、横梁、纵梁与横梁的连接等进行了设计.利用有限元软件Ansys
workbench对车架进行应力和变形计算,利用Matlab软件采用传统方法对纵梁进行受力分析和应力计算.结果表明车架强度和刚度均满足要求.
关键词半挂车;车架;结构设计;强度分析;刚度分析;有限元法;实体单元分类号TD402;U469.5+3;U463.32
SGA92150型半挂车是笔者设计、北京首钢重型汽车制造厂2005年生产的重型运输车辆,它是迄今为止国内载重量最大的半挂车,具有以下四大特点:
(1)属非公路平板运输车,适用于露天矿山运输大型设备,工作条件恶劣;(2)载重量大,额定载重质量150t;(3)半挂车车架纵梁长(23m),支点跨距大(18.8m),货箱面积大(17m×6m);(4)半挂车车架采用变截面梁,质量轻(总质量31t).因而,半挂车车架的设计与普通车辆不同,需要考虑每部分应力和变形,而且尽可能减轻自身重量.
由于车架结构复杂,用经典力学方法分析其强
度和刚度不可能得到精确的结果.有限元法以离
鹅颈式.为了具有足够的强度和刚度,所设计车架材料选用16Mn钢板,采用焊接式结构.1.1总体布置
sGA92150型半挂车车架总体布置如图1所示,这里总体布置的几个总成是按照焊接次序分层的,牵引销座属于前部鹅颈总成,轮轴座属于后部轮轴座总成,牵引车通过牵引销与车架的牵引销座相连,车轮通过轮轴与车架轮轴座相连,在后面车架的
强度和刚度计算中这两个位置是约束点.本车架纵
梁共有2根、横梁共有19根.
散、逼近的灵活算法广泛地运用于结构强度和刚度分析,已成为一种常用的效果最好的结构强度和刚度分析方法….本文先利用有限元法计算车架的应力和变形,然后用传统方法进行受力分析和应力计算,并与实际使用情况对比分析车架的强度和刚度.
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结构设计
半挂车车架按纵梁形式,可分为平板式、鹅颈式
1一前部鹅颈总成;2一前部横梁总成;3一纵梁总成;4一加强板;5一后部轮轴座总成;6一后部横梁总成;7一尾座总成;8一尾部支
撑板;9一后部支撑板;10一轮轴座;11一前部支撑板;12一上盖板;13一牵引销座
图l
Fjg.1
(阶梯式)和凹梁式(桥式)[2].平板式承载面大、强度高,但车架重心高,对道路要求高;凹梁式车架重心低,但需要一套起吊设备把物件放到半挂车上,所
sGA92150型半挂车车架总体布置图
SGA92150辩mi.tmil盯’s
Layoutsketchof
fraI眦
以成本较高;鹅颈式具有两者的优点,可以兼顾重心和道路两方面的要求.
因为车架在矿山上运行,道路标准低,所以采用
收稿日期:
2006一02一12修回日期:
2006-09一12
1.2纵梁
纵梁是车架的主要承载部件,在半挂车行驶中
受弯曲应力.为了满足半挂车非公路运输、道路条
件差等使用性能的要求,纵梁采用具有很好抗弯性
能的箱形结构,纵梁断面如图2所示.上盖板是一块覆盖整个车架的大板,图中只截取一部分.为了
作者简介:
张国芬(1975一),女,博士研究生;张文明(1955一),男
教授.博士生导师
万方数据
第7期张国芬等:
sGA92150型半挂车车架的结构设计与强度和刚度分析
保证牵引装置足够的活动空间,此车架纵梁的前段较高,且鹅颈处设计成变截面;而后段的货箱较低,便于装卸货物,增加半挂车的稳定性.为了减轻车
架的重量,纵梁后段下翼板也采用变截面.
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l一外腹板;2一下翼板;3一内腹板;4一上盖板
图2纵梁截面示意图
ng.2
Sc蛔mtic
sketchofthe
I蚰gitudi衄lgIrder’scro踟secti∞
纵梁鹅颈形状有平鹅颈和弧形(上翘)鹅颈两种.平鹅颈结构适合普通公路的半挂车;而对于非公路用的半挂车,因道路条件差,半挂车相对牵引车
有较大的纵向俯仰,采用弧形鹅颈较好[3].根据半
挂车的整体布局、强度和刚度计算和校核,车架采用弧形鹅颈结构,在鹅颈下方设置了牵引板和专用的牵引销.鹅颈形状如图3所示,上翘角y=6。
和过渡
圆弧R=500mm比一般非公路用半挂车的y=4。
和R=250mm要大,从而可以保证车架有较大的俯
仰和减小应力集中.美国MEGA公司生产的
t)和E配50(载重量250
t)都是
采用平鹅颈,纵梁采用等截面,质量大;美国
t)半挂车是目前世界上载重量最大的半挂车,采用凹梁
式,鹅颈上翘弧度大,纵梁采用变截面,质量小;国内
120
t凹式伸缩挂车采用凹梁式,在鹅颈与货台之间
复杂[4].总之,本车架采用变截面的鹅颈式纵梁,与国内外同类车型相比,具有重量轻、结构简单等
优点.
图3纵梁鹅颈示意图
}
Fig.3
Schematicsketch
Ofthe10ngitudinalgirder’s900seneck
为了保证纵梁具有足够的强度,在牵引销座附
万
方数据近增加了加强板;为减小局部应力集中,在一些拐角处采用圆弧过渡.在轮轴座附近也增加了加强板
(图1中轮轴座附近).由于半挂车较宽,为防止中
间局部变形过大,车架的中间增加了倒T形的纵梁加强板(图1中的加强板4).同时还在每侧纵梁的
外侧与横梁位置对应的位置设置16对带通孔的立
板以便于穿绳固定货箱上的物品(图4(a),(b)),在两对立板之间以及车尾的纵梁外腹板与上盖板之间增加了图4(c)和(d)所示的两类加强板.所有加强板都采用点焊,以减小对纵梁和横梁的影响.
咽咀匹吁锵
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
圉4部分加强板不意图
。
ng.4
sche撇nc
sketch
of∞me№infomd
pIat嚣
在纵梁尾部采用图5所示的1:
5斜面,并在横
梁焊接两对带有夺100mm通孔的连接板,这样就可
以在斜面搭接与之配合的专用搭接板,在圆柱销定位车架和搭接板后,车辆等可以运动的物件就可以通过尾部直接运动到货箱上,而不必另外使用起吊
设备.
图5纵梁尾部示意图
Ftg.5
sche呦tic
sketchofthe
l∞gItudi弛lgirder’s蚰d呻n
1.3横梁
横梁是车架中用来连接左右纵梁,构成车架的主要构件.横梁本身的抗扭性能及其分布直接影响
着纵梁的内应力大小及其分布.
由于SGA92150型半挂车在采场运输道路上运
行,路面为砾石路面,所以必须考虑车架的抗扭能
力.在车架扭转结构中,横梁是最主要的元件,采用
轻而密的横梁,不但可以增加车架的扭转刚度,而且
还可以降低与横梁连接处的纵梁扭转应力[5].
本车架的19根横梁,主要分为两种结构形状,如图6所示.在鹅颈处采用箱形结构(图6(a)),与
鹅颈处纵梁对齐焊接;而其他的横梁采用倒T形的结构(图6(b)).在轮轴座周围的横梁虽然形状与其他部分一样都是倒T形,由于此处作用力大,所以
立板高度增大到与纵梁腹板一样.而且在轮轴座附
E配00(载重量200TowHAL公司生产的RGT一550(载重量550安装一对升降液压缸,实现货台的升高和降低,结构
北京科技大学学报第29卷
近的两根横梁之间增加一块蝶形加强板(图4(e)),从而轮轴座周围的应力也得到了改善.
图6横梁截面示意图
Fig.6
schemnc
sketchofthe
c删rder’s
cr惦s.姥ction
1.4纵梁与横梁的连接
纵梁与横梁的连接方式有分段焊接式和整体贯穿式.分段焊接式结构对纵梁的强度影响不大[6|.
本车架有图7所示的两种分段焊接方式:
横梁和纵
梁的腹板连接(图7(a));横梁与纵梁腹板下翼板连接(图7(b)).在轮轴座前后各两根横梁采用图7(b)的连接方式来提高车架的扭转刚度;其他处采用图7(a)的连接方式.因为采用横梁仅与纵梁的腹板相连接,允许纵梁截面产生自由翘曲,不产生约束扭转"J,满足该车架中部变形较大的要求.
图7横梁与纵梁的连接.(aJ横梁与腹板;《b)横梁与下翼板
ng.7
Joint
ofthe
cro豁girder
a硼longitudi矾lgird盯:
(a)cro踟
gIrderandweb;(b)crossgjrder
andwing
plate
2有限元计算和分析
车架有限元计算大多采用梁单元和板单元[8|,
这种模型规模小,但计算结果不全面,也不精确,无法得到构件截面的压力分布.随着计算机性能的提
高及有限元软件的改进,利用三维实体单元(Solid)
对车架进行全面精确的分析成为可能[9|.本文采用Solid单元,对SGA92150型半挂车进行分析。
计算出各部件的应力情况,找出薄弱环节,为车架设计提
供参考.
2.1结构离散及有限元模型的建立
由于SGA92150型半挂车车架结构左右对称,为了减小计算规模,取一半作为计算对象.首先用Unigraphics建立实体模型,然后将此模型导入到
Ansys
workbench中建立有限元模型.由于车架的
万
方数据形状复杂,尺寸变化大,如果采用八面体或者其他精
度较高的实体单元,计算开销太大,也无法适应模型的复杂程度,而采用曲棱四面体不仅能较好适合不
规则形状而且满足精度要求【lo|.本车架采用10节
点二阶单元的Solidl87,单元网格大小指定,此模型共有207151个节点,116665个单元,鹅颈部分有限元模型如图8所示.
图8
sGA92150型半挂车有限元模型
Fig.8
FEAmodel
ofthe
SGA92150辩ml・tnil盯
2.2载荷和边界条件
由于半挂车在正常使用时,前面部分经过支撑
在牵引销座上的牵引销和前端快换接头连接板上的
三根弹簧与牵引车相连,后面部分通过轮轴、车轮支撑在路面上,所以对纵梁约束为:
车架在对称面上采用对称效应约束,在牵引销座孔和轮轴座孔均采用
圆柱约束.
货物通过上盖板作用在车架上,因而采用上盖板中部(即鹅颈与尾部斜面之间的部分)承受均匀载
荷的加载方式,由于整车额定载重量为150t,所以此模型所承受的载荷为额定载重的1/2,方向垂直
向下.
2.3计算结果与分析
分析结果包括等效应力和总变形的最大最小值以及其他部分点的值.对于16Mn钢,屈服极限
盯。
=360MPa,强度极限arb=620MPa.根据文献[2]
取安全系数愚=1.4,所以车架的许用应力[d]=
孚≈257MPa.
定
图9是满载时车架的应力分布俯视图。
图10是应力分布仰视图.从图中可以看到,有限元计算得
到的最大应力为229.106MPa,小于材料的许用应
力,位置处于半挂车车架前部牵引销座附近纵梁下
翼板拐角处,而其他绝大部分的应力都小于
100
MPa,车架强度满足要求.最大应力出现在牵引
销座附近,是因为模型省略了牵引销,而模型受到扭
转作用,在实际使用中此处应力会小一些.
第7期张国芬等:
sGA92150型半挂车车架的结构设计与强度和刚度分析
图9车架应力分布俯视圉(单位:
MPa)
Fig.9
upviewofthefraⅡ”’s
str签s
distribⅡtion(uIIit:
MPa)
图10车架应力分布仰视图(单位:
MPaJ
Fig.10
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MPal
图11车架位移变形分布俯视图(单位:
咖)
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ofthe
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total
defon眦tion
distmuti吣(u-
nit:
mm)
图12车架位移变形分布仰视图
Fig.12
BottomviewoftIIe
f啪le’s
totaI
defo哪ati蚰mstributi蚰
图11是满载时车架的位移变形分布俯视图,图12是位移变形分布仰视图.半挂车车架纵梁的弯曲变形,取决于纵梁刚度.此车架轴距L=18
800
mm,在静载情况下,根据文献[3]允许纵梁的最大
变形量为y。
。
,=0.003L=56.4mm.从图中可以看到有限元计算得到最大位移变形为20.423mm。
小
于允许的最大变形量,位置处于车架中前部,车架满
足刚度要求.从现场使用情况看,纵梁纵向变形不超过20mm,与有限元计算结果吻合.
3传统方法计算和分析
上利用Matlab采用传统方法(车架简化为杆件)对纵梁进行受力分析和应力计算.传统方法快
捷明了,且可极大地提高效率.由于传统方法对模型进行了简化,计算结果有些误差,但基本趋势是可
信的.
3.1受力分析
为了简化计算,对车架作了以下几点假设:
(1)
万
方数据纵梁为支撑在前牵引销座(车架纵梁对应点)和轮轴
座中心线上的简支梁(没有考虑横梁和加强板等附件);(2)空车时簧载重量均布在左右纵梁的全长上,
满载时装载重量也均布在车架纵梁中间(与有限元
方法位置一样);(3)所有作用力均通过截面的弯心(局部扭转的影响忽略不计).在图13的受力图中,
F。
】为簧载重量时(即空车状态下)牵引销座所受的
力,N;Fhl为簧载重量时轮轴座所受的力,N;F。
2为装载重量引起的牵引销座受力,N;Fh2为装载重量
引起的轮轴座所受力,N;G。
为簧载重量,N;G。
为
装载重量,N;91为簧载重量的线密度,N・mm一1;口2
为装载重量的线密度,N・min_1;L为车架总长,
mm;L,为车架前端到牵引销座中心的距离,mm;L2为牵引销座中心到轮轴座中心的距离,mm;L3
为车架前端到加载位置前端的距离,mm江。
为牵引销座中心到加载位置后端的距离,mm.
图13纵梁受力图
Fig.13
L蚰gitudin蚰gird盯’sfor∞magmm
3.2剪力和弯矩的计算
根据图13可以得到空车状态下即簧载重量引
起的剪力Q,和弯矩M,、满载时由装载重量引起的
剪力Q2和弯矩M2,以及综合受力状态的剪力Q和弯矩M(即空车状态下簧载重量和满载时装载重
量对纵梁的剪力和弯矩叠加).
剪力图和弯矩图分别如图14和图15所示.从
图14中可以看到牵引销座和轮轴座处的剪力大,在
结构设计时这两个位置都有加强板,与结构设计一
致.从图15中可以看到综合弯矩最大处在距前端面10m处,在车架的中前部.
由于纵梁的截面为如图2所示的箱形结构,根…
w一一——6i。
——心一万’
BH3一(6一艿3)^3M
3.3应力计算
据文献[6,11]抗弯截面系数W和应力盯:
北京科技大学学报
第29卷
图14纵梁剪力图
Fig.14
Longitudjnalglrder’ssh曲rf"∞diag哺m
圈15纵梁弯矩图
Fig.15
Longitudi腿l
girder’sbending
I聃啪tdiagr蛐
式中,盯为正时表示拉应力,为负是时表示压应力,
MPa;B为纵梁宽度,mm;H为纵梁整个高度,mm;^=H一艿1一艿2,mm;6=B一艿3一艿4,mm;艿l为上
盖板厚度,mm;艿2为下翼板厚度,mm;艿3为外腹板厚度,mm;艿。
为内腹板厚度,mm.
纵梁各处的应力如图16所示.从图中可以看
到最大应力为139.28lMPa,大部分截面的应力小于100MPa,满足车架的强度要求.由于没有考虑横梁、加强板等,所以传统方法得到的结果比有限元计
算的结果偏大;同时由于传统方法没有考虑鹅颈部分以及纵梁受扭,实际最大应力值也没有体现出来,
但大部分应力趋势与有限元方法得到的结果一致.
SGA92150型半挂车是笔者自行设计、首钢重
汽2005年生产的迄今为止国内载重量最大的半挂车,它填补了国内大吨位矿用半挂车的空白.本半挂车车架纵梁采用鹅颈式来满足矿山道路要求;横
万
方数据图16纵梁应力图
Fig.16LoIlgitudi加Igird盯’sstre§s
diagr蛐
梁采用19根轻而密的横梁增加了车架的扭转刚度,降低了与横梁连接处的纵梁扭转应力;纵梁与横梁的连接采用分段焊接式,减小横梁对纵梁强度的影
响;同时在牵引销座和轮轴座以及横梁中部等位置
增加了加强板来减小应力.与ET200、E1r250和RGT一550等国内外同类半挂车结构相比,本车架具有纵梁长、货箱面积大、质量轻、结构简单等优点.为了检验本车架结构设计的合理性,本文利用有限元软件Ansysworkbench,采用盐棱四面体实体单元S0lidl87对本车架计算应力和变形;同时利用
Matlab软件进行传统方法的纵梁受力分析和应力计算.计算结果都表明车架强度和刚度均满足
要求.
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4结论
Structuredesignandstrengthandstiffnessanalysisof
frame
ZHANGanSGA92150semi—trailerG群啦犯¨,经殂NGWe扎m渤g¨,SL烈Y识勉挖g¨,DC}NGC琵i够咒2’
1)civilaJldEnvironmentalEngineeringSchool,UniverSityofScienceaIldTechnologyBe妇ing,Be西ing100083,China
2)Be寸ingShougaflgHeavyDutyTruckM锄ufactory,Be玎ing100043,China
ABSTRACT
signed.AnSGA92150semi—trailerframe’slay。
ut,longitudinalgifderS,crosSgirdersandjointswerede—ThestressanddefomationoftheframewerecalculatedbyusingAnsysWorkbenchsoftwarewithad—
stressvancedmethod,andthefbrceanalysisandcalculationofthelongitudinalgirderwerecarriedoutbyusing
enoughMatlabsoftwarewithconventionalmethod.The
toresultsshowthattheframe’sstrengthandstiffnessaremeetthedeS运nrequirements.
KEYWoRDSsemi—trailer;frame;structuraldesign;strengthanalysis;stiffnessanalysis;finiteelementmethod:
solidelement
鬻岽豢采鬻弗豢弗睾采崇泰崇_jj∈麓鬻豢采鬻臻豢采睾采料豢荣豢采豢泰*黼豢*拳毒豢米鬻米崇鬻豢鬻鬻采豢粕**∈崇泰黼豢鬻崇|IE素**粜来率崇睾豢鬻鬻**睐豢**泰糕黼豢鬻睾采豢|}}豢**豢糕鬻鬻(上接第738页)
Kineticstudy
methodonthegrowtho{ZnOnanorodarrayfilmspreparedbyhydrothermal
GUO胞咒¨,Dm0R醒扪,W-ANGⅪ挖幽7zg¨,CAj劬Pngm砌3)
1)DepartmentofPhysicalChemistry,UniverSityofScienceandTechnologyBe巧ing,Be巧ing100083。
China
2)Schd0fMateriaIsScienceandEIlgineering,BeihangUniverSity,Be巧ing100083,China
3)C0llegeofChemistryandMolecIllarEngineering,PekingUniversity,Be瑶ing100871,China
ABSTRACT
paredonByusingalowtemperaturehydrothemalapproach,well一alignedZnOnanorodarrayswerepre—substrates,whichwerepre—treatedwithc。
Uoidpre—treatingmethodindifferentgrowthperiodsof
spectroscopytime.ScanningelectronmicroscopyandX—raydiffraction
ofZnOnanorodarrays.wereemployedtostudythemorphologyKineticstudiesshowthatthefirst8histhemostimportantgrowthperiod,beyondwhichthenanorodsnearlystopgrowing.Duringthefirst8h,thegrowthofwidthofZnonanoIDds∞ntainstwodistinctsteps:
afaststepwithinthefirst1.5h,inwhichthenanorodstendtobeshortandwide,foUowedbyaslowstep,inwhichlongrodswithhighaspectratio
aareobtained.ThelengthofZnOnanorodarrays,whichessentiallyrepresentsthethicknessofhomogeneousmonolayerofthethinfilm,maybeexperimentally
atailored
KEYtoanyrequireddimensionofupZnO;nanorods;arrayto2.4pmatgrowthrateofapproximately5.5nm。
min-1.WoRDSfilms;hydrothemalmethod;kine