1 前言
1.1 有限元在國內(nèi)半掛車行業(yè)應用現(xiàn)狀
由于市場相對較小，國外對半掛車行業(yè)并不是非常重視，半掛車企業(yè)規(guī)模也相對較小，所以有限元工具的應用也并不十分廣泛。國外大的汽車制造廠家對有限元工具的應用已經(jīng)非常成熟。
在國內(nèi)半掛車行業(yè)，有限元工具的應用則很少有。一些院校偶爾為企業(yè)做過有限元計算。從七十年代開始，已經(jīng)有人開始使用有限元計算車架的剛強度[5]。但在九十年代前，由于軟硬件的客觀條件，半掛車的有限元分析基本上局限于使用梁單元進行模擬[8]。從九十年代后半期開始，隨著我國高性能微機的普及和國外商業(yè)軟件的大量進入，國內(nèi)的半掛車研究和分析人員逐漸過渡到使用板殼單元和實體單元[10]。進入二十一世紀，商業(yè)軟件如ANSYS、MSC/NASTRAN、Algor等在國內(nèi)院校和企業(yè)得到廣泛應用[11]，對半掛車的分析越來越精細。隨著中集車輛集團在國內(nèi)半掛車行業(yè)的迅速崛起，中集對有限元工具的應用也基本代表了國內(nèi)半掛車行業(yè)的水平。目前中集有限元分析覆蓋了從靜態(tài)到動態(tài)，并涉及結(jié)構(gòu)疲勞分析，同時擁有對國際流行的復合材料廂式半掛車的分析能力。
1.2 中集車輛集團有限元應用現(xiàn)狀
中集車輛事業(yè)從上世紀末秘密研發(fā)開始，到2002年正式投產(chǎn)進入專用車領域，至今已快速成長為年產(chǎn)值幾十億的國內(nèi)最大的專用車制造商。在這其中，半掛車是最大的一部分，由于中集在集裝箱上的優(yōu)勢傳承，一開始就緊跟國外市場，可以說技術的起點相當高，但同時也對先進結(jié)構(gòu)的技術把握提出了更高的要求。此前，，國內(nèi)半掛車企業(yè)一般是按照經(jīng)典的材料力學進行強度較核。對日益復雜的半掛車來說，已經(jīng)不能通過幾個經(jīng)典公式反映結(jié)構(gòu)的各方面性能，尤其是對局部的應力集中等情況基本束手。這種情況下，先進的有限元工具就表現(xiàn)出了其強大的功能。中集從2000年開始買入ANSYS/Structure，后來又陸續(xù)購進ANSYS/Mechanical模塊、顯式有限元軟件LS-DYNA和Fe-safe疲勞分析軟件。同時，考慮到設計工程師的需要，還購入了Workbench快速分析模塊。目前，還有更多的有限元軟件被考慮中。中集車輛的所有車型都經(jīng)過了有限元分析，解決了大量的現(xiàn)實問題。從投標、概念設計、設計校核到結(jié)構(gòu)優(yōu)化和故障處理，處處可見有限元的身影。
2 正文
2.1 半掛車有限元分析分類
半掛車的有限元分析應用涉及從整車到零部件的各方面，根據(jù)我司多年來的應用經(jīng)驗，按工況和結(jié)構(gòu)主要可以分為以下幾類：
（1） 整車
a) 彎曲，又分為垂直彎曲和橫向彎曲。
b) 模態(tài)。
c) 瞬態(tài)沖擊。
（2） 零部件
a) 大梁垂直彎曲。
b) 端橫梁橫向彎曲。
c) 牽引板疲勞。
d) 連接件變形。
e) 保險杠破壞試驗。
f) 立柱扭轉(zhuǎn)。
g) 復合材料板承載能力。
h) 焊逢應力。
由于半掛車種類繁多，各種類之間差異較大，這里僅就各類半掛車較通用的工況和結(jié)構(gòu)進行例舉，下面就各分析類進行說明。
2.2 整車分析
該廂式半掛車是發(fā)達國家物流運輸?shù)闹髁鬈囆?，整車質(zhì)量輕，承載能力強。主要是其設計思想先進，車身承載，底架無大梁。因此該類車的設計必須考慮整車的抗彎性能抗扭性能，這不同于其他類型的半掛車，因為其他類型的半掛車一般只需考慮底架的抗彎性能就可以了。所以廂式半掛車需要分析靜載彎曲、扭轉(zhuǎn)和模態(tài)。
原始設計時該車使用的材料是國外進口的超高強度鋼，我司在對整車的抗彎性能抗扭性能進行全面有限元分析的基礎上，大膽采用國產(chǎn)的普通高強度鋼進行材料替代，每臺車節(jié)省了數(shù)千元的成本，也降低了零件沖壓加工的難度。進一步的輕量化設計使該車整車質(zhì)量降低到6噸以下，而目前國內(nèi)其他廠家的廂式半掛車的質(zhì)量還在7-9噸以上。
另外半掛車在使用過程中還有獨特的甩掛工況，即半掛車從牽引車卸下時落地沖擊工況。使用LS-DYNA對某型半掛車甩掛沖擊工況的模擬，可以看到，大梁在支腿連接部受到的瞬時沖擊應力是非常大的，需要引起足夠的重視。
2.3 零部件分析
2.3.1 半掛車大梁
作為主要承載件其剛度和強度對整車的影響是第一位的，對此設計必須又充分的重視。首先，大梁要滿足強度要求，不僅有均布載荷要求，也有集中載荷的要求。
某型大梁的極限承載殘余應力。有限元準確的預測了在70%最大載荷時，鵝頸局部明顯失效，計算的殘余變形為27.7mm，實測為28.0mm，兩者是非常接近的。
有時對于集裝箱半掛車的大梁的剛度有比強度更嚴格的要求，通常要求在一定的范圍之內(nèi)，不能大不能小。
某型碼頭車的剛度計算。要求同時運輸兩個集裝箱且變形后不干涉，我司同時進行試驗和計算，試驗結(jié)果為17mm，誤差在1mm之內(nèi)，該客戶此后一直對我司的設計深信不疑。
2.3.2 半掛車端橫梁
對于需要運輸集裝箱的半掛車，其端橫梁為直接承載件，一般情況下都是非常強壯的，但是由于某些局部的設計不合理往往引起局部裂紋。
某型半掛車的端橫梁。在該車使用一年以后，轉(zhuǎn)鎖孔的各轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)明顯裂紋，雖然不會馬上引起端橫梁失效，但鑒于端橫梁的重要性，我們對該部件進行了疲勞分析。分析表明，轉(zhuǎn)鎖孔設計不合理，其各轉(zhuǎn)角處的疲勞壽命嚴重不足。該研究對我司端橫梁的選型和改進起了理論的說明，四年來未再出現(xiàn)類似問題。
2.3.3 牽引板疲勞
牽引板作為半掛車的兩個支撐點之一，和懸掛具有同等重要的作用。按照美國通行的AAR標準，牽引板需要滿足三個極限強度要求，三個疲勞強度要求。我司一方面按照標準進行疲勞試驗，同時使用Fe-safe 進行疲勞分析，對疲勞裂紋趨勢和位置進行了較好的預測。
2.3.4 連接件變形
對于某些特殊的半掛車，其結(jié)構(gòu)是可以組合拉伸的，但是其優(yōu)點也是結(jié)構(gòu)設計的難點，為某型車拉伸連接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在某特殊試驗時大量下翼板發(fā)生塑性變形。經(jīng)有限元分析后發(fā)現(xiàn)主要是結(jié)構(gòu)剛度不足，因此對該局部進行了剛度加強，經(jīng)長期使用未再發(fā)生變形。
2.3.5 保險杠破壞試驗
為了保護乘用車，國家對貨車類（包括半掛車）的后保險杠有嚴格的要求，該標準和美國FMVSS 223基本一致，包括強度和能量的吸收兩方面。
LS-DYNA的模擬結(jié)果和試驗非常接近，這對于我司開發(fā)符合中國和美國要求的后保險杠都有非常積極的指導意義。
2.3.6 立柱扭轉(zhuǎn)破壞試驗
對于廂式半掛車來說，其上部結(jié)構(gòu)中四個角立柱是主體框架的主要承載件，一般情況下是足夠強壯的。
但如果側(cè)墻為開放性結(jié)構(gòu)，則顯得單薄，所以這時候需要考察其抗彎和抗扭兩性能。某型廂式半掛車的角立柱的扭轉(zhuǎn)破壞試驗，有限元模擬的結(jié)果趨勢對破壞形式預測和試驗一致。有限元分析結(jié)果對隨后結(jié)構(gòu)的改進設計給出了具體的形式和尺寸，該車經(jīng)長期使用相當可靠，其剛度好，承載能力強。
2.3.7 復合材料板承載能力試驗
作為發(fā)達國家主流半掛車的廂式半掛車，廂體材料使用復合材料板已經(jīng)非常普遍。中集從一開始就非常重視車用復合材料的開發(fā)，種類目前已相當齊全。由于復合材料的復雜性，在使用和試驗過程中其中心夾層的情況是不可測量的，一般只有在割開表層金屬后才能了解。因此使用有限元進行復合材料的分析具有先天的優(yōu)勢，可以隨時對各組成層進行詳細的描述，結(jié)果具有可視性。更重要的是可以對各層的材質(zhì)、密度和厚度進行選擇，然后預測板的整體性能和局部應力，這種可預測性對復合材料板的開發(fā)設計是非常重要的，是傳統(tǒng)的實驗摸索法不可比擬的。是某型復合材料的彎曲實驗模擬結(jié)果，計算預測中心層將在0.33*payload時斷裂，實驗中在0.34*payload時出現(xiàn)斷裂聲。
2.3.8 焊逢應力分析
在半掛車結(jié)構(gòu)中大量使用焊接作為零部件主要的連接形式。根據(jù)前人的研究知道，焊逢形式、焊逢長度等因素對應力的影響巨大，最壞的結(jié)果表現(xiàn)為不是應力集中就是失效撕裂。 焊逢應力在焊逢結(jié)構(gòu)略微修改后迅速下降，達到強度要求。
3 結(jié)論
由上實例可見，有限元工具在中集車輛集團的半掛車產(chǎn)品的研發(fā)過程中發(fā)揮了重要的作用，具體總結(jié)如下：
1) 它使整車產(chǎn)品的概念設計趨于合理方案；
2) 它在強度校核的基礎上為產(chǎn)品的改進和定型提供了理論支持；
3) 它為零部件的精益設計給出了一系列優(yōu)化建議；
4) 同時它對局部失效提出了有效的改進措施，在此基礎上使中集車輛產(chǎn)品更成熟和先進；
5) 最重要而直接的貢獻：有限元工具保障了中集車輛半掛車產(chǎn)品機械結(jié)構(gòu)無大故障發(fā)生。
綜上所述，中集的半掛車事業(yè)已經(jīng)做到了國內(nèi)第一，正向世界第一邁進。有限元工具在中集集團從隨著車輛事業(yè)的發(fā)展而發(fā)展，其應用日益廣泛，在中集車輛產(chǎn)品開發(fā)的中發(fā)揮了實際而有效的作用，未來將為中集車輛日益豐富的產(chǎn)品線提供更完善更先進的技術支持。
（轉(zhuǎn)載）
