絎架式汽車半掛運輸車車廂有限元模擬

用有限元法分析靜動態強度和結構剛度是現代汽車工業設計的必要手段。采用現代有限元結構分析技術，使汽車結構分析不再僅憑經驗進行，并且可以獲得設計的參變量(如絎架車廂的結構形式、構件的幾何尺寸及其布置方式等)與結構響應(如輸出的應力和位移)之間的某種關系，還可以利用軟件提供的可視化技術，實時地觀察計算分析的結果，而利用這些信息就可以對結構進行優化。

本文主要討論如何在絎架式汽車半掛運輸車車廂有限元模型的基礎上，結合汽車在實際運行中可能出現的典型情況，如勻速行駛，緊急制動及急速轉彎等情況，研究相應載荷及邊界約束條件施加的實現方法，分析車身結構的應力分布情況，給出強度和剛度分析評價結果。

1 有限元模型建立

絎架式汽車半掛運輸車車廂為三軸式，其結構如圖1所示。由于車廂是左右對稱的，所以為了方便模型分析，對模型進行了簡化，只選取了車廂的左側面進行模擬分析。根據車廂的絎架式結構，確定使用2節點線單元建立車廂模型，由于車廂是固定在掛車上的，所以將車廂地面上和掛車車架連接的地方定義為固定點，車廂整體按絎架式結構，由鋼管焊接而成，鋼管材料選用A3鋼，直徑60mm，壁厚8mm，材料特性見表1。

2 模擬分析

2.1 勻速行駛情況

汽車勻速直線行駛時車速較高，動載荷最大。路面的反作用力使車廂承受對稱的垂直載荷，它使車廂產生彎曲變形，其大小取決于作用在車身各處的靜載荷及垂直加速度，要求車廂必須保證有足夠的強度和抗疲勞能力。車廂在勻速行駛情況下的受力狀況如圖2所示。

a 剪力圖 b 彎矩圖
圖2 勻速行駛情況下車廂的受力

由圖2可以明顯的看出在該情況下車廂的剪力主要集中在斜向桿與斜向桿的交界處;車廂的彎矩主要集中在斜向桿上，斜向桿是彎矩的主要承受者;車廂所受的軸力由上向下逐漸增加，在下端桿與桿的焊接處軸力達到最大。這是因為在勻速直線行駛情況下，車廂的受力主要受到本身自重的影響。由于是勻速直線行駛，橫向桿和斜向桿的變形主要受重力影響，產生桿的中心部分有向下的趨勢，所以中心部分的彎矩是最大的;越向下軸力越大，因為向下造成動載荷的疊加，尤其是在桿與桿的焊接處，疊加的更多，在側門柱的下部達到最大值。

2.2 緊急制動情況

汽車行駛過程中遇到突發事件而采取的緊急制動行為，會使汽車車廂除受各部件的重力作用外，還受到縱向慣性力的作用，車廂在緊急制動情況下的受力狀況如圖3所示。

由圖3可以看出，在緊急制動情況下車廂的應力主要集中在桿與桿的焊接處，各焊接點是受力最大的地方。因為在慣性力的作用下，車廂內部桿件之間的相互作用力都通過焊接點作用到桿上，而每根桿都是以兩端點為固定點，焊接在一起的，所以各種應力就都集中到這些焊接處了。雖然焊接處的應力比較集中，受力較大，但彈性形變很小，并不影響到車廂的整體性能。

2.3 急速轉彎情況

在急速轉彎工況下，主要考慮當車廂以最大轉向加速度0.4g轉彎時，慣性力對車身的影響，由于左、右急速轉彎情況下，車廂所受橫向慣性力的大小相等，方向相反，所以只對一種情況分析即可，在這里選擇左急速轉彎情況下車廂的受力情況進行分析。車廂在左急速轉彎情況下的受力狀況如圖4所示。由圖4可以看出，車廂在做左急速轉彎時，受到方向指向轉彎中心的橫向慣性力的影響，車廂發生彈性形變。由于車廂下方是固定的，所以車廂由下至上變形加大。在左急速轉彎情況下，車廂的應力主要集中在桿件的底端，也就是車廂與車體的焊接處。這是因為車廂在左急速轉彎情況下，廂體底端固定，上部是自由的，所以廂體由下至上變形加大，桿件所受慣性力也就集中體現在桿件底端的固定端上。

3 結論

在三種基本情況下，車廂的彈性形變并不大，有的甚至基本不發生形變，說明車廂可以承受正常情況下的載荷。在材料選擇方面可以在不增加整體質量的情況下，多增加桿件或采用更細、強度更高的材料來代替，這樣既不會降低車廂的結構強度，又能分散應力，緩解應力過度集中的情況。