有限元工具在中集车辆产品开发中的应用

1、有限元工工具在中中集车辆辆产品开开发中的的应用作者：中中集车辆辆集团 龚友摘 要：根据中中集车辆辆集团多多年来的的经验，本文对对使用有有限元对对半挂车车产品进进行仿真真分析进进行了总总结。实实践表明明：有限限元工具具对中集集车辆产产品的开开发具有有重要作作用。 关键词词：半挂挂车；有有限元 1 前前言 11.1 有限元元在国内内半挂车车行业应应用现状状 国外外大的汽汽车制造造厂家对对有限元元工具的的应用已已经非常常成熟。但由于于市场相相对较小小，国外外对半挂挂车行业业并不是是非常重重视，半半挂车企企业规模模也相对对较小，所以有有限元工工具的应应用也并并不十分分广泛。 在国国内半挂挂车行业业，有

2、限限元工具具的应用用则很少少有。一一些院校校偶尔为为企业做做过有限限元计算算。从七七十年代代开始，已经有有人开始始使用有有限元计计算车架架的刚强强度55。但但在九十十年代前前，由于于软硬件件的客观观条件，半挂车车的 HYPERLINK /product/1310002001.964.1.html 有限限元分析析基本上上局限于于使用梁梁单元进进行模拟拟8。从九九十年代代后半期期开始，随着我我国高性性能微机机的普及及和国外外商业软软件的大大量进入入，国内内的半挂挂车研究究和分析析人员逐逐渐过渡渡到使用用板壳单单元和实实体单元元100。进进入二十十一世纪纪，商业业软件如如ANSSYS、MSCC/NA

3、ASTRRAN、Alggor等等在国内内院校和和企业得得到广泛泛应用11，对半半挂车的的分析越越来越精精细。随随着中集集车辆集集团在国国内半挂挂车行业业的迅速速崛起，中集对对有限元元工具的的应用也也基本代代表了国国内半挂挂车行业业的水平平。目前前中集有有限元分分析覆盖盖了从静静态到动动态，并并涉及结结构疲劳劳分析，同时拥拥有对国国际流行行的 HYPERLINK /cat_1210019.html 复合合材料厢厢式半挂挂车的分分析能力力。 11.2 中集车车辆集团团有限元元应用现现状 中中集车辆辆事业从从上世纪纪末秘密密研发开开始，到到20002年正正式投产产进入专专用车领领域，至至今已快快速成

4、长长为年产产值几十十亿的国国内最大大的专用用车制造造商。在在这其中中，半挂挂车是最最大的一一部分，由于中中集在集集装箱上上的优势势传承，一开始始就紧跟跟国外市市场，可可以说技技术的起起点相当当高，但但同时也也对先进进结构的的技术把把握提出出了更高高的要求求。此前前，国国内半挂挂车企业业一般是是按照经经典的材材料力学学进行强强度较核核。对日日益复杂杂的半挂挂车来说说，已经经不能通通过几个个经典公公式反映映结构的的各方面面性能，尤其是是对局部部的应力力集中等等情况基基本束手手。这种种情况下下，先进进的有限限元工具具就表现现出了其其强大的的功能。中集从从20000年开开始买入入ANSSYS/Strr

5、uctturee，后来来又陆续续购进AANSYYS/MMechhaniicall模块、显式有有限元软软件LSS-DYYNA和和Fe-saffe疲劳劳分析软软件。同同时，考考虑到设设计工程程师的需需要，还还购入了了Worrkbeenchh快速分分析模块块。目前前，还有有更多的的有限元元软件被被考虑中中。中集集车辆的的所有车车型都经经过了有有限元分分析，解解决了大大量的现现实问题题。从投投标、概概念设计计、设计计校核到到结构优优化和故故障处理理，处处处可见有有限元的的身影。 2 正文 2.11 半挂挂车有限限元分析析分类 半挂车车的有限限元分析析应用涉涉及从整整车到零零部件的的各方面面，根据据我司

6、多多年来的的应用经经验，按按工况和和结构主主要可以以分为以以下几类类： （1） 整车 a) 弯曲，又分为为垂直弯弯曲和横横向弯曲曲。 bb) 模模态。 c) 瞬态冲冲击。 （2） 零部部件 aa) 大大梁垂直直弯曲。 b) 端横横梁横向向弯曲。 c) 牵引引板疲劳劳。 dd) 连连接件变变形。 e) 保险杠杠破坏试试验。 f) 立柱扭扭转。 g) 复合材材料板承承载能力力。 hh) 焊焊逢应力力。 由由于半挂挂车种类类繁多，各种类类之间差差异较大大，这里里仅就各各类半挂挂车较通通用的工工况和结结构进行行例举，下面就就各分析析类进行行说明。 2.2 整整车分析析 图11为厢式式半挂车车垂直弯弯曲

7、工况况的分析析结果。 图1 厢厢式半挂挂车垂直直弯曲工工况的分分析该厢式半半挂车是是发达国国家物流流运输的的主流车车型，整整车质量量轻，承承载能力力强。主主要是其其设计思思想先进进，车身身承载，底架无无大梁。因此该该类车的的设计必必须考虑虑整车的的抗弯性性能抗扭扭性能，这不同同于其他他类型的的半挂车车，因为为其他类类型的半半挂车一一般只需需考虑底底架的抗抗弯性能能就可以以了。所所以厢式式半挂车车需要分分析静载载弯曲、扭转和和模态。 原始始设计时时该车使使用的材材料是国国外进口口的超高高强度钢钢，我司司在对整整车的抗抗弯性能能抗扭性性能进行行全面有有限元分分析的基基础上，大胆采采用国产产的普通通

8、高强度度钢进行行材料替替代，每每台车节节省了数数千元的的成本，也降低低了零件件冲压加加工的难难度。进进一步的的轻量化化设计使使该车整整车质量量降低到到6吨以以下，而而目前国国内其他他厂家的的厢式半半挂车的的质量还还在7-9吨以以上。 图2 厢厢式半挂挂车模态态分析结结果另外半挂挂车在使使用过程程中还有有独特的的甩挂工工况，即即半挂车车从牵引引车卸下下时落地地冲击工工况。图图3为使使用LSS-DYYNA对对某型半半挂车甩甩挂冲击击工况的的模拟，可以看看到，大大梁在支支腿连接接部受到到的瞬时时冲击应应力是非非常大的的，需要要引起足足够的重重视。 图3 半半挂车甩甩挂冲击击模拟结结果2.3 零部件件

9、分析 2.33.1 半挂车车大梁 作为主主要承载载件其刚刚度和强强度对整整车的影影响是第第一位的的，对此此设计必必须又充充分的重重视。首首先，大大梁要满满足强度度要求，不仅有有均布载载荷要求求，也有有集中载载荷的要要求。 图4 示为某某型大梁梁的极限限承载残残余应力力。有限限元准确确的预测测了在770%最最大载荷荷时，鹅鹅颈局部部明显失失效，计计算的残残余变形形为277.7mmm，实实测为228.00mm，两者是是非常接接近的。 图4 大大梁极限限承载残残余应有时对于于集装箱箱半挂车车的大梁梁的刚度度有比强强度更严严格的要要求，通通常要求求在一定定的范围围之内，不能大大不能小小。 图图5为某某

10、型码头头车的刚刚度计算算。要求求同时运运输两个个集装箱箱且变形形后不干干涉，我我司同时时进行试试验和计计算，试试验结果果为177mm，误差在在1mmm之内，该客户户此后一一直对我我司的设设计深信信不疑。 图5 半半挂车大大梁垂直直弯曲工工况的分分析结果果2.3.2 半半挂车端端横梁 对于需需要运输输集装箱箱的半挂挂车，其其端横梁梁为直接接承载件件，一般般情况下下都是非非常强壮壮的，但但是由于于某些局局部的设设计不合合理往往往引起局局部裂纹纹。 图图6为某某型半挂挂车的端端横梁。在该车车使用一一年以后后，转锁锁孔的各各转角处处出现明明显裂纹纹，虽然然不会马马上引起起端横梁梁失效，但鉴于于端横梁梁

11、的重要要性，我我们对该该部件进进行了疲疲劳分析析。分析析表明，转锁孔孔设计不不合理，其各转转角处的的疲劳寿寿命严重重不足。该研究究对我司司端横梁梁的选型型和改进进起了理理论的说说明，四四年来未未再出现现类似问问题。 图6 半半挂车端端横梁横横向弯曲曲工况的的疲劳分分析结果果2.3.3 牵牵引板疲疲劳 牵牵引板作作为半挂挂车的两两个支撑撑点之一一，和悬悬挂具有有同等重重要的作作用。按按照美国国通行的的AARR标准，牵引板板需要满满足三个个极限强强度要求求，三个个疲劳强强度要求求。我司司一方面面按照标标准进行行疲劳试试验，同同时使用用Fe-saffe 进进行疲劳劳分析，对疲劳劳裂纹趋趋势和位位置进

12、行行了较好好的预测测。 图7 半半挂车牵牵引板横横向推拉拉工况的的疲劳分分析结2.3.4 连连接件变变形 对对于某些些特殊的的半挂车车，其结结构是可可以组合合拉伸的的，但是是其优点点也是结结构设计计的难点点，图88示，为为某型车车拉伸连连接结构构，该结结构在某某特殊试试验时大大量下翼翼板发生生塑性变变形。经经有限元元分析后后发现主主要是结结构刚度度不足，因此对对该局部部进行了了刚度加加强，经经长期使使用未再再发生变变形。 图8 半半挂车连连接件变变形的分分析结果果2.3.5 保保险杠破破坏试验验 为了了保护乘乘用车，国家对对货车类类（包括括半挂车车）的后后保险杠杠有严格格的要求求，该标标准和美

13、美国FMMVSSS 2223基本本一致，包括强强度和能能量的吸吸收两方方面。 图9 半半挂车后后保险杠杠的强度度分析结结果LS-DDYNAA的模拟拟结果和和试验非非常接近近，这对对于我司司开发符符合中国国和美国国要求的的后保险险杠都有有非常积积极的指指导意义义。 22.3.6 立立柱扭转转破坏试试验 对对于厢式式半挂车车来说，其上部部结构中中四个角角立柱是是主体框框架的主主要承载载件，一一般情况况下是足足够强壮壮的。 但如果果侧墙为为开放性性结构，则显得得单薄，所以这这时候需需要考察察其抗弯弯和抗扭扭两性能能。图110某型型厢式半半挂车的的角立柱柱的扭转转破坏试试验，有有限元模模拟的结结果趋势

14、势对破坏坏形式预预测和试试验一致致。有限限元分析析结果对对随后结结构的改改进设计计给出了了具体的的形式和和尺寸，该车经经长期使使用相当当可靠，其刚度度好，承承载能力力强。 图10 半挂车车立柱扭扭转破坏坏试验的的模拟2.3.7 复复合材料料板承载载能力试试验 作作为发达达国家主主流半挂挂车的厢厢式半挂挂车，厢厢体材料料使用复复合材料料板已经经非常普普遍。中中集从一一开始就就非常重重视车用用复合材材料的开开发，种种类目前前已相当当齐全。由于复复合材料料的复杂杂性，在在使用和和试验过过程中其其中心夹夹层的情情况是不不可测量量的，一一般只有有在割开开表层金金属后才才能了解解。因此此使用有有限元进进行

15、复合合材料的的分析具具有先天天的优势势，可以以随时对对各组成成层进行行详细的的描述，结果具具有可视视性。更更重要的的是可以以对各层层的材质质、密度度和厚度度进行选选择，然然后预测测板的整整体性能能和局部部应力，这种可可预测性性对复合合材料板板的开发发设计是是非常重重要的，是传统统的实验验摸索法法不可比比拟的。图111 示是是某型复复合材料料的弯曲曲实验模模拟结果果，计算算预测中中心层将将在0.33*payyloaad时断断裂，实实验中在在0.334*ppaylloadd时出现现断裂声声。 图11 半挂车车复合材材料板弯弯曲试验验的模拟拟2.3.8 焊焊逢应力力分析 在半挂挂车结构构中大量量使用

16、焊焊接作为为零部件件主要的的连接形形式。根根据前人人的研究究知道，焊逢形形式、焊焊逢长度度等因素素对应力力的影响响巨大，最坏的的结果表表现为不不是应力力集中就就是失效效撕裂。图122示焊逢逢应力在在焊逢结结构略微微修改后后迅速下下降，达达到强度度要求。 图12-1 原原始方案案焊逢应应力图12-2 改改进后焊焊逢应力力 图112 焊焊逢方案案的改进进3 结论论 由上上实例可可见，有有限元工工具在中中集车辆辆集团的的半挂车车产品的的研发过过程中发发挥了重重要的作作用，具具体总结结如下： 1) 它使使整车产产品的概概念设计计趋于合合理方案案； 22) 它它在强度度校核的的基础上上为产品品的改进进和

17、定型型提供了了理论支支持； 3) 它为零零部件的的精益设设计给出出了一系系列优化化建议； 4) 同时时它对局局部失效效提出了了有效的的改进措措施，在在此基础础上使中中集车辆辆产品更更成熟和和先进； 5) 最重重要而直直接的贡贡献：有有限元工工具保障障了中集集车辆半半挂车产产品机械械结构无无大故障障发生。 综上上所述，中集的的半挂车车事业已已经做到到了国内内第一，正向世世界第一一迈进。有限元元工具在在中集集集团从随随着车辆辆事业的的发展而而发展，其应用用日益广广泛，在在中集车车辆产品品开发的的中发挥挥了实际际而有效效的作用用，未来来将为中中集车辆辆日益丰丰富的产产品线提提供更完完善更先先进的技技

18、术支持持。 参考文文献 1 ANNSYSS理论手手册，AANSYYS中国国。 2 王勖成成，邵敏敏。有限限单元法法基本原原理和数数值方法法（第22版）。清华大大学出版版社, 20002。 3 黄克克智，黄黄永刚。固体本本构关系系。清华华大学出出版社, 20002。 44 MMichhaell T.Heaath.。科学学计算导导论（第第2版）。清华华大学出出版社, 20001。 55 谷谷安涛，常国振振。汽车车车架设设计计算算的有限限元法。汽车技技术，119777.6。 66 黄黄金陵。汽车车车架结构构元件参参数的优优选。汽汽车技术术， 119844.1。 77 黄黄金陵有限元元法应用用于汽车车车架结结构分析析中的几几个问题题。吉