有限元工具在中集車輛產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用

1、有限元工工具在中中集車輛輛產(chǎn)品開開發(fā)中的的應(yīng)用作者：中中集車輛輛集團(tuán) 龔友摘 要：根據(jù)中中集車輛輛集團(tuán)多多年來的的經(jīng)驗(yàn)，本文對(duì)對(duì)使用有有限元對(duì)對(duì)半掛車車產(chǎn)品進(jìn)進(jìn)行仿真真分析進(jìn)進(jìn)行了總總結(jié)。實(shí)實(shí)踐表明明：有限限元工具具對(duì)中集集車輛產(chǎn)產(chǎn)品的開開發(fā)具有有重要作作用。 關(guān)鍵詞詞：半掛掛車；有有限元 1 前前言 11.1 有限元元在國(guó)內(nèi)內(nèi)半掛車車行業(yè)應(yīng)應(yīng)用現(xiàn)狀狀 國(guó)外外大的汽汽車制造造廠家對(duì)對(duì)有限元元工具的的應(yīng)用已已經(jīng)非常常成熟。但由于于市場(chǎng)相相對(duì)較小小，國(guó)外外對(duì)半掛掛車行業(yè)業(yè)并不是是非常重重視，半半掛車企企業(yè)規(guī)模模也相對(duì)對(duì)較小，所以有有限元工工具的應(yīng)應(yīng)用也并并不十分分廣泛。 在國(guó)國(guó)內(nèi)半掛掛車行業(yè)業(yè)，有

2、限限元工具具的應(yīng)用用則很少少有。一一些院校校偶爾為為企業(yè)做做過有限限元計(jì)算算。從七七十年代代開始，已經(jīng)有有人開始始使用有有限元計(jì)計(jì)算車架架的剛強(qiáng)強(qiáng)度55。但但在九十十年代前前，由于于軟硬件件的客觀觀條件，半掛車車的 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?jiǎn)卧M(jìn)進(jìn)行模擬擬8。從九九十年代代后半期期開始，隨著我我國(guó)高性性能微機(jī)機(jī)的普及及和國(guó)外外商業(yè)軟軟件的大大量進(jìn)入入，國(guó)內(nèi)內(nèi)的半掛掛車研究究和分析析人員逐逐漸過渡渡到使用用板殼單單元和實(shí)實(shí)體單元元100。進(jìn)進(jìn)入二十十一世紀(jì)紀(jì)，商業(yè)業(yè)軟件如如ANSSYS、MSCC/NA

3、ASTRRAN、Alggor等等在國(guó)內(nèi)內(nèi)院校和和企業(yè)得得到廣泛泛應(yīng)用11，對(duì)半半掛車的的分析越越來越精精細(xì)。隨隨著中集集車輛集集團(tuán)在國(guó)國(guó)內(nèi)半掛掛車行業(yè)業(yè)的迅速速崛起，中集對(duì)對(duì)有限元元工具的的應(yīng)用也也基本代代表了國(guó)國(guó)內(nèi)半掛掛車行業(yè)業(yè)的水平平。目前前中集有有限元分分析覆蓋蓋了從靜靜態(tài)到動(dòng)動(dòng)態(tài)，并并涉及結(jié)結(jié)構(gòu)疲勞勞分析，同時(shí)擁?yè)碛袑?duì)國(guó)國(guó)際流行行的 HYPERLINK /cat_1210019.html 復(fù)合合材料廂廂式半掛掛車的分分析能力力。 11.2 中集車車輛集團(tuán)團(tuán)有限元元應(yīng)用現(xiàn)現(xiàn)狀 中中集車輛輛事業(yè)從從上世紀(jì)紀(jì)末秘密密研發(fā)開開始，到到20002年正正式投產(chǎn)產(chǎn)進(jìn)入專專用車領(lǐng)領(lǐng)域，至至今已快快速成

4、長(zhǎng)長(zhǎng)為年產(chǎn)產(chǎn)值幾十十億的國(guó)國(guó)內(nèi)最大大的專用用車制造造商。在在這其中中，半掛掛車是最最大的一一部分，由于中中集在集集裝箱上上的優(yōu)勢(shì)勢(shì)傳承，一開始始就緊跟跟國(guó)外市市場(chǎng)，可可以說技技術(shù)的起起點(diǎn)相當(dāng)當(dāng)高，但但同時(shí)也也對(duì)先進(jìn)進(jìn)結(jié)構(gòu)的的技術(shù)把把握提出出了更高高的要求求。此前前，國(guó)國(guó)內(nèi)半掛掛車企業(yè)業(yè)一般是是按照經(jīng)經(jīng)典的材材料力學(xué)學(xué)進(jìn)行強(qiáng)強(qiáng)度較核核。對(duì)日日益復(fù)雜雜的半掛掛車來說說，已經(jīng)經(jīng)不能通通過幾個(gè)個(gè)經(jīng)典公公式反映映結(jié)構(gòu)的的各方面面性能，尤其是是對(duì)局部部的應(yīng)力力集中等等情況基基本束手手。這種種情況下下，先進(jìn)進(jìn)的有限限元工具具就表現(xiàn)現(xiàn)出了其其強(qiáng)大的的功能。中集從從20000年開開始買入入ANSSYS/Strr

5、uctturee，后來來又陸續(xù)續(xù)購(gòu)進(jìn)AANSYYS/MMechhaniicall模塊、顯式有有限元軟軟件LSS-DYYNA和和Fe-saffe疲勞勞分析軟軟件。同同時(shí)，考考慮到設(shè)設(shè)計(jì)工程程師的需需要，還還購(gòu)入了了Worrkbeenchh快速分分析模塊塊。目前前，還有有更多的的有限元元軟件被被考慮中中。中集集車輛的的所有車車型都經(jīng)經(jīng)過了有有限元分分析，解解決了大大量的現(xiàn)現(xiàn)實(shí)問題題。從投投標(biāo)、概概念設(shè)計(jì)計(jì)、設(shè)計(jì)計(jì)校核到到結(jié)構(gòu)優(yōu)優(yōu)化和故故障處理理，處處處可見有有限元的的身影。 2 正文 2.11 半掛掛車有限限元分析析分類 半掛車車的有限限元分析析應(yīng)用涉涉及從整整車到零零部件的的各方面面，根據(jù)據(jù)我司

6、多多年來的的應(yīng)用經(jīng)經(jīng)驗(yàn)，按按工況和和結(jié)構(gòu)主主要可以以分為以以下幾類類： （1） 整車 a) 彎曲，又分為為垂直彎彎曲和橫橫向彎曲曲。 bb) 模模態(tài)。 c) 瞬態(tài)沖沖擊。 （2） 零部部件 aa) 大大梁垂直直彎曲。 b) 端橫橫梁橫向向彎曲。 c) 牽引引板疲勞勞。 dd) 連連接件變變形。 e) 保險(xiǎn)杠杠破壞試試驗(yàn)。 f) 立柱扭扭轉(zhuǎn)。 g) 復(fù)合材材料板承承載能力力。 hh) 焊焊逢應(yīng)力力。 由由于半掛掛車種類類繁多，各種類類之間差差異較大大，這里里僅就各各類半掛掛車較通通用的工工況和結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行行例舉，下面就就各分析析類進(jìn)行行說明。 2.2 整整車分析析 圖11為廂式式半掛車車垂直彎彎曲

7、工況況的分析析結(jié)果。 圖1 廂廂式半掛掛車垂直直彎曲工工況的分分析該廂式半半掛車是是發(fā)達(dá)國(guó)國(guó)家物流流運(yùn)輸?shù)牡闹髁鬈囓囆?，整整車質(zhì)量量輕，承承載能力力強(qiáng)。主主要是其其設(shè)計(jì)思思想先進(jìn)進(jìn)，車身身承載，底架無無大梁。因此該該類車的的設(shè)計(jì)必必須考慮慮整車的的抗彎性性能抗扭扭性能，這不同同于其他他類型的的半掛車車，因?yàn)闉槠渌愵愋偷陌氚霋燔囈灰话阒恍栊杩紤]底底架的抗抗彎性能能就可以以了。所所以廂式式半掛車車需要分分析靜載載彎曲、扭轉(zhuǎn)和和模態(tài)。 原始始設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)該車使使用的材材料是國(guó)國(guó)外進(jìn)口口的超高高強(qiáng)度鋼鋼，我司司在對(duì)整整車的抗抗彎性能能抗扭性性能進(jìn)行行全面有有限元分分析的基基礎(chǔ)上，大膽采采用國(guó)產(chǎn)產(chǎn)的普通通

8、高強(qiáng)度度鋼進(jìn)行行材料替替代，每每臺(tái)車節(jié)節(jié)省了數(shù)數(shù)千元的的成本，也降低低了零件件沖壓加加工的難難度。進(jìn)進(jìn)一步的的輕量化化設(shè)計(jì)使使該車整整車質(zhì)量量降低到到6噸以以下，而而目前國(guó)國(guó)內(nèi)其他他廠家的的廂式半半掛車的的質(zhì)量還還在7-9噸以以上。 圖2 廂廂式半掛掛車模態(tài)態(tài)分析結(jié)結(jié)果另外半掛掛車在使使用過程程中還有有獨(dú)特的的甩掛工工況，即即半掛車車從牽引引車卸下下時(shí)落地地沖擊工工況。圖圖3為使使用LSS-DYYNA對(duì)對(duì)某型半半掛車甩甩掛沖擊擊工況的的模擬，可以看看到，大大梁在支支腿連接接部受到到的瞬時(shí)時(shí)沖擊應(yīng)應(yīng)力是非非常大的的，需要要引起足足夠的重重視。 圖3 半半掛車甩甩掛沖擊擊模擬結(jié)結(jié)果2.3 零部件件

9、分析 2.33.1 半掛車車大梁 作為主主要承載載件其剛剛度和強(qiáng)強(qiáng)度對(duì)整整車的影影響是第第一位的的，對(duì)此此設(shè)計(jì)必必須又充充分的重重視。首首先，大大梁要滿滿足強(qiáng)度度要求，不僅有有均布載載荷要求求，也有有集中載載荷的要要求。 圖4 示為某某型大梁梁的極限限承載殘殘余應(yīng)力力。有限限元準(zhǔn)確確的預(yù)測(cè)測(cè)了在770%最最大載荷荷時(shí)，鵝鵝頸局部部明顯失失效，計(jì)計(jì)算的殘殘余變形形為277.7mmm，實(shí)實(shí)測(cè)為228.00mm，兩者是是非常接接近的。 圖4 大大梁極限限承載殘殘余應(yīng)有時(shí)對(duì)于于集裝箱箱半掛車車的大梁梁的剛度度有比強(qiáng)強(qiáng)度更嚴(yán)嚴(yán)格的要要求，通通常要求求在一定定的范圍圍之內(nèi)，不能大大不能小小。 圖圖5為某某

10、型碼頭頭車的剛剛度計(jì)算算。要求求同時(shí)運(yùn)運(yùn)輸兩個(gè)個(gè)集裝箱箱且變形形后不干干涉，我我司同時(shí)時(shí)進(jìn)行試試驗(yàn)和計(jì)計(jì)算，試試驗(yàn)結(jié)果果為177mm，誤差在在1mmm之內(nèi)，該客戶戶此后一一直對(duì)我我司的設(shè)設(shè)計(jì)深信信不疑。 圖5 半半掛車大大梁垂直直彎曲工工況的分分析結(jié)果果2.3.2 半半掛車端端橫梁 對(duì)于需需要運(yùn)輸輸集裝箱箱的半掛掛車，其其端橫梁梁為直接接承載件件，一般般情況下下都是非非常強(qiáng)壯壯的，但但是由于于某些局局部的設(shè)設(shè)計(jì)不合合理往往往引起局局部裂紋紋。 圖圖6為某某型半掛掛車的端端橫梁。在該車車使用一一年以后后，轉(zhuǎn)鎖鎖孔的各各轉(zhuǎn)角處處出現(xiàn)明明顯裂紋紋，雖然然不會(huì)馬馬上引起起端橫梁梁失效，但鑒于于端橫梁梁

11、的重要要性，我我們對(duì)該該部件進(jìn)進(jìn)行了疲疲勞分析析。分析析表明，轉(zhuǎn)鎖孔孔設(shè)計(jì)不不合理，其各轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角處的的疲勞壽壽命嚴(yán)重重不足。該研究究對(duì)我司司端橫梁梁的選型型和改進(jìn)進(jìn)起了理理論的說說明，四四年來未未再出現(xiàn)現(xiàn)類似問問題。 圖6 半半掛車端端橫梁橫橫向彎曲曲工況的的疲勞分分析結(jié)果果2.3.3 牽牽引板疲疲勞 牽牽引板作作為半掛掛車的兩兩個(gè)支撐撐點(diǎn)之一一，和懸懸掛具有有同等重重要的作作用。按按照美國(guó)國(guó)通行的的AARR標(biāo)準(zhǔn)，牽引板板需要滿滿足三個(gè)個(gè)極限強(qiáng)強(qiáng)度要求求，三個(gè)個(gè)疲勞強(qiáng)強(qiáng)度要求求。我司司一方面面按照標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行行疲勞試試驗(yàn)，同同時(shí)使用用Fe-saffe 進(jìn)進(jìn)行疲勞勞分析，對(duì)疲勞勞裂紋趨趨勢(shì)和位位置進(jìn)

12、行行了較好好的預(yù)測(cè)測(cè)。 圖7 半半掛車牽牽引板橫橫向推拉拉工況的的疲勞分分析結(jié)2.3.4 連連接件變變形 對(duì)對(duì)于某些些特殊的的半掛車車，其結(jié)結(jié)構(gòu)是可可以組合合拉伸的的，但是是其優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)也是結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)的難點(diǎn)點(diǎn)，圖88示，為為某型車車?yán)爝B連接結(jié)構(gòu)構(gòu)，該結(jié)結(jié)構(gòu)在某某特殊試試驗(yàn)時(shí)大大量下翼翼板發(fā)生生塑性變變形。經(jīng)經(jīng)有限元元分析后后發(fā)現(xiàn)主主要是結(jié)結(jié)構(gòu)剛度度不足，因此對(duì)對(duì)該局部部進(jìn)行了了剛度加加強(qiáng)，經(jīng)經(jīng)長(zhǎng)期使使用未再再發(fā)生變變形。 圖8 半半掛車連連接件變變形的分分析結(jié)果果2.3.5 保保險(xiǎn)杠破破壞試驗(yàn)驗(yàn) 為了了保護(hù)乘乘用車，國(guó)家對(duì)對(duì)貨車類類（包括括半掛車車）的后后保險(xiǎn)杠杠有嚴(yán)格格的要求求，該標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)和美

13、美國(guó)FMMVSSS 2223基本本一致，包括強(qiáng)強(qiáng)度和能能量的吸吸收兩方方面。 圖9 半半掛車后后保險(xiǎn)杠杠的強(qiáng)度度分析結(jié)結(jié)果LS-DDYNAA的模擬擬結(jié)果和和試驗(yàn)非非常接近近，這對(duì)對(duì)于我司司開發(fā)符符合中國(guó)國(guó)和美國(guó)國(guó)要求的的后保險(xiǎn)險(xiǎn)杠都有有非常積積極的指指導(dǎo)意義義。 22.3.6 立立柱扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)破壞試試驗(yàn) 對(duì)對(duì)于廂式式半掛車車來說，其上部部結(jié)構(gòu)中中四個(gè)角角立柱是是主體框框架的主主要承載載件，一一般情況況下是足足夠強(qiáng)壯壯的。 但如果果側(cè)墻為為開放性性結(jié)構(gòu)，則顯得得單薄，所以這這時(shí)候需需要考察察其抗彎彎和抗扭扭兩性能能。圖110某型型廂式半半掛車的的角立柱柱的扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)破壞試試驗(yàn)，有有限元模模擬的結(jié)結(jié)果趨勢(shì)

14、勢(shì)對(duì)破壞壞形式預(yù)預(yù)測(cè)和試試驗(yàn)一致致。有限限元分析析結(jié)果對(duì)對(duì)隨后結(jié)結(jié)構(gòu)的改改進(jìn)設(shè)計(jì)計(jì)給出了了具體的的形式和和尺寸，該車經(jīng)經(jīng)長(zhǎng)期使使用相當(dāng)當(dāng)可靠，其剛度度好，承承載能力力強(qiáng)。 圖10 半掛車車立柱扭扭轉(zhuǎn)破壞壞試驗(yàn)的的模擬2.3.7 復(fù)復(fù)合材料料板承載載能力試試驗(yàn) 作作為發(fā)達(dá)達(dá)國(guó)家主主流半掛掛車的廂廂式半掛掛車，廂廂體材料料使用復(fù)復(fù)合材料料板已經(jīng)經(jīng)非常普普遍。中中集從一一開始就就非常重重視車用用復(fù)合材材料的開開發(fā)，種種類目前前已相當(dāng)當(dāng)齊全。由于復(fù)復(fù)合材料料的復(fù)雜雜性，在在使用和和試驗(yàn)過過程中其其中心夾夾層的情情況是不不可測(cè)量量的，一一般只有有在割開開表層金金屬后才才能了解解。因此此使用有有限元進(jìn)進(jìn)行

15、復(fù)合合材料的的分析具具有先天天的優(yōu)勢(shì)勢(shì)，可以以隨時(shí)對(duì)對(duì)各組成成層進(jìn)行行詳細(xì)的的描述，結(jié)果具具有可視視性。更更重要的的是可以以對(duì)各層層的材質(zhì)質(zhì)、密度度和厚度度進(jìn)行選選擇，然然后預(yù)測(cè)測(cè)板的整整體性能能和局部部應(yīng)力，這種可可預(yù)測(cè)性性對(duì)復(fù)合合材料板板的開發(fā)發(fā)設(shè)計(jì)是是非常重重要的，是傳統(tǒng)統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)摸索法法不可比比擬的。圖111 示是是某型復(fù)復(fù)合材料料的彎曲曲實(shí)驗(yàn)?zāi)ＤM結(jié)果果，計(jì)算算預(yù)測(cè)中中心層將將在0.33*payyloaad時(shí)斷斷裂，實(shí)實(shí)驗(yàn)中在在0.334*ppaylloadd時(shí)出現(xiàn)現(xiàn)斷裂聲聲。 圖11 半掛車車復(fù)合材材料板彎彎曲試驗(yàn)驗(yàn)的模擬擬2.3.8 焊焊逢應(yīng)力力分析 在半掛掛車結(jié)構(gòu)構(gòu)中大量量使用

16、焊焊接作為為零部件件主要的的連接形形式。根根據(jù)前人人的研究究知道，焊逢形形式、焊焊逢長(zhǎng)度度等因素素對(duì)應(yīng)力力的影響響巨大，最壞的的結(jié)果表表現(xiàn)為不不是應(yīng)力力集中就就是失效效撕裂。圖122示焊逢逢應(yīng)力在在焊逢結(jié)結(jié)構(gòu)略微微修改后后迅速下下降，達(dá)達(dá)到強(qiáng)度度要求。 圖12-1 原原始方案案焊逢應(yīng)應(yīng)力圖12-2 改改進(jìn)后焊焊逢應(yīng)力力 圖112 焊焊逢方案案的改進(jìn)進(jìn)3 結(jié)論論 由上上實(shí)例可可見，有有限元工工具在中中集車輛輛集團(tuán)的的半掛車車產(chǎn)品的的研發(fā)過過程中發(fā)發(fā)揮了重重要的作作用，具具體總結(jié)結(jié)如下： 1) 它使使整車產(chǎn)產(chǎn)品的概概念設(shè)計(jì)計(jì)趨于合合理方案案； 22) 它它在強(qiáng)度度校核的的基礎(chǔ)上上為產(chǎn)品品的改進(jìn)進(jìn)和

17、定型型提供了了理論支支持； 3) 它為零零部件的的精益設(shè)設(shè)計(jì)給出出了一系系列優(yōu)化化建議； 4) 同時(shí)時(shí)它對(duì)局局部失效效提出了了有效的的改進(jìn)措措施，在在此基礎(chǔ)礎(chǔ)上使中中集車輛輛產(chǎn)品更更成熟和和先進(jìn)； 5) 最重重要而直直接的貢貢獻(xiàn)：有有限元工工具保障障了中集集車輛半半掛車產(chǎn)產(chǎn)品機(jī)械械結(jié)構(gòu)無無大故障障發(fā)生。 綜上上所述，中集的的半掛車車事業(yè)已已經(jīng)做到到了國(guó)內(nèi)內(nèi)第一，正向世世界第一一邁進(jìn)。有限元元工具在在中集集集團(tuán)從隨隨著車輛輛事業(yè)的的發(fā)展而而發(fā)展，其應(yīng)用用日益廣廣泛，在在中集車車輛產(chǎn)品品開發(fā)的的中發(fā)揮揮了實(shí)際際而有效效的作用用，未來來將為中中集車輛輛日益豐豐富的產(chǎn)產(chǎn)品線提提供更完完善更先先進(jìn)的技技

18、術(shù)支持持。 參考文文獻(xiàn) 1 ANNSYSS理論手手冊(cè)，AANSYYS中國(guó)國(guó)。 2 王勖成成，邵敏敏。有限限單元法法基本原原理和數(shù)數(shù)值方法法（第22版）。清華大大學(xué)出版版社, 20002。 3 黃克克智，黃黃永剛。固體本本構(gòu)關(guān)系系。清華華大學(xué)出出版社, 20002。 44 MMichhaell T.Heaath.?？茖W(xué)學(xué)計(jì)算導(dǎo)導(dǎo)論（第第2版）。清華華大學(xué)出出版社, 20001。 55 谷谷安濤，常國(guó)振振。汽車車車架設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)算算的有限限元法。汽車技技術(shù)，119777.6。 66 黃黃金陵。汽車車車架結(jié)構(gòu)構(gòu)元件參參數(shù)的優(yōu)優(yōu)選。汽汽車技術(shù)術(shù)， 119844.1。 77 黃黃金陵有限元元法應(yīng)用用于汽車車車架結(jié)結(jié)構(gòu)分析析中的幾幾個(gè)問題題。吉