铝合金厢式运输半挂车的轻量化设计

铝合金厢式运输半挂车的轻量化设计

孙恒杰 ,马新艳

山东三星机械制造有限公司  山东 邹平  256500

摘要：现阶段，在各地进行物资交换的运输过程中，半挂车具有高效、灵活的优点，在运输领域发挥着重要的作用。半挂车不仅可进行滚装运输、区间运输和甩挂运输，而且具有装卸方便，运输效率高、可靠、安全，运输成本低廉的优点。半挂车将向节油环保、轻量化、专业化、多样化以及标准化未来的发展方向，对于不同半挂车生产厂家而言，半挂车车架在满足刚度以及强度的同时，半挂车车架的轻量化不仅会为企业自身带来更大的利润，也会提升企业自身的市场竞争力。因此对半挂车车架进行有限元分析与轻量化问题的研究有着十分重要的意义。

关键词：铝合金；半挂车车架结构设计；有限元分析

随着我国经济的快速发展，电商、快递业爆发式增长，货物运输量剧增，导致商用物流车需求加大，物流运输行业竞争加剧。为控制成本，增加货运量，各物流企业对车辆的性能、油耗、载质量利用率要求越来越高，而解决上述问题的最佳方案莫过于减重。轻量化对传统燃油汽车可显著降低油耗，对新能源汽车可增加续航能力，对于商用物流车最明显的优势是多拉货物，空载降低油耗，从而在相同运费情况下降本增效。车架是半挂车最关键的部件，承载着整车载荷。因此，车架轻量化要充分考虑其强度和刚度，目前钢制半挂车车架纵梁、横梁普遍采用高强钢板冲压、折弯成型，再焊接而成。相对于低碳钢车架，高强钢车架在钢板壁厚上做了一定程度的减薄，因其材料屈服和抗拉强度高，也能满足使用要求，轻量化效果也不错。但因钢板壁厚薄，工作环境恶劣，容易锈蚀，影响车架强度，使用寿命很短。铝合金密度仅为钢的三分之一，其表面有一层致密的氧化膜，可隔绝空气与铝的接触，作为车架材料永不生锈。通过合理的结构设计，将铝合金应用于该领域，实现轻、强、耐用的效果，对半挂车的轻量化很有意义。

1、半挂车车架有限元分析

1.1有限元法概念

有限元法是用简单的问题替换复杂的问题并进行求解，具有计算精度较高的优点，可对不同复杂形状的工程问题进行科学有效的分析以及计算。

1.2半挂车车架设计

在半挂车车架设计前期，工作人员通常使用较为传统的设计模式，有限元分析工作与车架模型设计工作没有很好的结合起来，二者没有同步进行；因此导致了工作人员之间的交流不充分、不及时，在满足车架刚度以及强度要求时，没有做好半挂车车架的简化计算精度工作，这种现象导致设计出的半挂车车架过于笨重，增加了半挂车车架的设计成本。与此同时，应为半挂车车架的计算以及设计分离，对半挂车车架工作人员的设计水平造成了很大的不良影响。因此，使用有限元法分析半挂车车架，在提高半挂车车架的性能、开发、效能、设计以及分析的同时，还可促进半挂车车架工作人员水平的提升。

1.3半挂车车架有限元分析可解决的问题

在日常的运输工作中，半挂车车架在不同负载作用下，通常会发生弯曲、整体扭转、偏心扭转等变形问题。传统的半挂车车架设计方案，不利于当前半挂车的变形和复杂受力情况，前期的半挂车车架构架性能计算，是从半挂车车架简化做起，将车架简化为单根衡量，再将其弯曲进行强度校验；这种传统的半挂车车架设计技术沿用至今，但已满足不了目前半挂车对结构性能的要求。之后推出的仅计算纯扭转工况的车架扭转强度计算方式也并不完善，没有考虑到半挂车车架在实际工作时的情况，在日常运用中存在工作量大，计算方式复杂等问题。而有限元法可以很好的解决这些问题。
 

2、半挂车车架开裂类型及其危害概述

在现阶段我国经济发展过程中，大宗商品的运输更多的是以半挂车为主，并且均为新型的半挂车辆。尽管在新型半挂车辆较之传统的半挂车辆具有着更为突出的优势，但是在长期的运输过程中，其也不可避免的存在一些质量问题。很多半挂车司机反映，车架在实际的运输途中往往会出现裂纹，尤其是鹅颈部，这样一来，就会对整个半挂车运输任务的顺利完成产生严重的影响，不仅如此，如果不能及时进行处理，还会对司机及车主的生命财产安全带来严重的威胁。如果半挂车车架开裂成为一种常态，则会对整个交通运输业以及国民经济的发展产生严重的影响。

3、半挂车车架刚性力度分析

3.1半挂车车架弯曲度分析

在对半挂车车架弯曲度进行分析时，其主要方案如下：首先应将车架按照纵梁与地面垂直状态进行投影，并将投影点进行相互连接，形成一个简单的支梁构造图；其次，对于结构图中的第一条边和第二条边分别施加一个垂直向下的力，这样车架就会发生弯曲变形；最后通过相应的公式对车架弯曲刚度进行计算，公式为：CB=a3/48×F/f，其中CB代表弯曲刚度，F代表集中载荷，a代表轴距，f代表载荷作用点处的扰度。通过公式可以帮助设计人员对结构车架的有限元结构模拟结果进行科学合理的分析，同时对车架弯曲刚度的临界点进行计算，以现代新型概念半挂车而言，其车架弯曲刚度临界点为8.88E13N·mm，较之传统的半挂车，其弯曲刚度临界点下降了40%。通过计算可以得出，在半挂车执行运输作业过程中，当其车架面对各类因素引起弯曲力度的抵抗能力是相对较弱的，这样也就非常容易导致车架出现弯曲断裂问题。

3.2半挂车车架扭转刚度分析

通常来讲，半挂车车架的刚度水平也同样是导致半挂车车架开裂的重要因素之一。在设计过程中，要想保证后续半挂车应用的安全性水平，其中做好半挂车车架扭转刚度的分析工作也同样是非常重要的一个内容。在对半挂车车架扭转刚度分析过程中，其主要的分析方案如下：首先，设计人员应在半挂车前车架左边纵梁上选择一个着力点并对其进行垂直投影，然后将垂直投影点作为分析点；其次，在半挂车前车架右边纵梁上选择一个着力点对其进行垂直投影，同样将垂直投影点作为分析点；最后，在半挂车后桥车的垂直倒影点上给予其一个垂直向上的荷载，这样就会使得半挂车车架发生扭转变形。计算公式为：CT=L2π/180×F/h，其中CT代表扭转刚度，F代表集中载荷，L代表力臂，h代表载荷作用点扰度。应用公式对结构车架有限元结构模拟法进行分析，计算出扭转刚度临界点为CT=1.23E8N·mm，较之传统半挂车车架，其差异为40%。通过分析可以发现，现代半挂车车架在抵抗各类因素引起扭转力度方面也相对较弱，这也是引发半挂车车架开裂的主要原因之一。

3.3半挂车车架轻量化研究

半挂车车架的轻量化是半挂车未来的发展方向，在确保半挂车车架性能与结构要求的前提下，减少半挂车车架的重量和使用材料。传统设计模式通常使用类比方法，导致大多构件应力分布不高，并且强度过大，发生材料浪费的现象。但使用现代化的结构优化技术，可在满足半挂车车架整体刚度和强度要求的同时，得到材料分布构建的最好形状和最佳布局，从而推进半挂车车架的轻量化发展。半挂车车架设计重点从传统设计变为结构优化，使用有限元分析提供的方案，可满足目前半挂车车架的轻量化设计需求。因此，在半挂车车架设计以及其他结构设计中，有限元法已成为最常用并且相当重要的设计工具，可制造出低成本、高质量、高舒适性的产品，可以提升企业自身市场竞争力，提升企业盈利能力，推动企业的快速发展。

4、结语
通过合理设计型材断面和车架结构，选用可靠的连接方式，结合有限元分析，优化后的铝合金半挂车车架比传统钢制车架不仅减重效果明显，刚强度也可满足载荷要求。实际运营一年后，车架未出现问题，为专用车领域轻量化探明了一个方向，有助于铝合金材料在专用车行业的推广及应用。

参考文献
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[2]马曙光，周佳.铝合金与船舶及海洋工程轻量化设计[J]中国海洋平台2017（1）

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