有限元工具在中集车辆产品开发中的运用

有限元工具在中集车辆产品开发中的应用作者：中集车辆集团 龚友摘 要：根据中集车辆集团多年来的经验，本文对使用有限元对半挂车产品进行仿真分析进行了总结。实践表明：有限元工具对中集车辆产品的开发具有重要作用。 关键词：半挂车；有限元 1 前言 1.1 有限元在国内半挂车行业应用现状 国外大的汽车制造厂家对有限元工具的应用已经非常成熟。但由于市场相对较小，国外对半挂车行业并不是非常重视，半挂车企业规模也相对较小，所以有限元工具的应用也并不十分广泛。 在国内半挂车行业，有限元工具的应用则很少有。一些院校偶尔为企业做过有限元计算。从七十年代开始，已经有人开始使用有限元计算车架的刚强度5。但在九十年代前，由于软硬件的客观条件，半挂车的基本上局限于使用梁单元进行模拟8。从九十年代后半期开始，随着我国高性能微机的普及和国外商业软件的大量进入，国内的半挂车研究和分析人员逐渐过渡到使用板壳单元和实体单元10。进入二十一世纪，商业软件如ANSYS、MSC/NASTRAN、Algor等在国内院校和企业得到广泛应用11，对半挂车的分析越来越精细。随着中集车辆集团在国内半挂车行业的迅速崛起，中集对有限元工具的应用也基本代表了国内半挂车行业的水平。目前中集有限元分析覆盖了从静态到动态，并涉及结构疲劳分析，同时拥有对国际流行的厢式半挂车的分析能力。 1.2 中集车辆集团有限元应用现状 中集车辆事业从上世纪末秘密研发开始，到2002年正式投产进入专用车领域，至今已快速成长为年产值几十亿的国内最大的专用车制造商。在这其中，半挂车是最大的一部分，由于中集在集装箱上的优势传承，一开始就紧跟国外市场，可以说技术的起点相当高，但同时也对先进结构的技术把握提出了更高的要求。此前，国内半挂车企业一般是按照经典的材料力学进行强度较核。对日益复杂的半挂车来说，已经不能通过几个经典公式反映结构的各方面性能，尤其是对局部的应力集中等情况基本束手。这种情况下，先进的有限元工具就表现出了其强大的功能。中集从2000年开始买入ANSYS/Structure，后来又陆续购进ANSYS/Mechanical模块、显式有限元软件LS-DYNA和Fe-safe疲劳分析软件。同时，考虑到设计工程师的需要，还购入了Workbench快速分析模块。目前，还有更多的有限元软件被考虑中。中集车辆的所有车型都经过了有限元分析，解决了大量的现实问题。从投标、概念设计、设计校核到结构优化和故障处理，处处可见有限元的身影。 2 正文 2.1 半挂车有限元分析分类 半挂车的有限元分析应用涉及从整车到零部件的各方面，根据我司多年来的应用经验，按工况和结构主要可以分为以下几类： （1） 整车 a) 弯曲，又分为垂直弯曲和横向弯曲。 b) 模态。 c) 瞬态冲击。 （2） 零部件 a) 大梁垂直弯曲。 b) 端横梁横向弯曲。 c) 牵引板疲劳。 d) 连接件变形。 e) 保险杠破坏试验。 f) 立柱扭转。 g) 复合材料板承载能力。 h) 焊逢应力。 由于半挂车种类繁多，各种类之间差异较大，这里仅就各类半挂车较通用的工况和结构进行例举，下面就各分析类进行说明。 2.2 整车分析 图1为厢式半挂车垂直弯曲工况的分析结果。 图1 厢式半挂车垂直弯曲工况的分析该厢式半挂车是发达国家物流运输的主流车型，整车质量轻，承载能力强。主要是其设计思想先进，车身承载，底架无大梁。因此该类车的设计必须考虑整车的抗弯性能抗扭性能，这不同于其他类型的半挂车，因为其他类型的半挂车一般只需考虑底架的抗弯性能就可以了。所以厢式半挂车需要分析静载弯曲、扭转和模态。 原始设计时该车使用的材料是国外进口的超高强度钢，我司在对整车的抗弯性能抗扭性能进行全面有限元分析的基础上，大胆采用国产的普通高强度钢进行材料替代，每台车节省了数千元的成本，也降低了零件冲压加工的难度。进一步的轻量化设计使该车整车质量降低到6吨以下，而目前国内其他厂家的厢式半挂车的质量还在7-9吨以上。 图2 厢式半挂车模态分析结果另外半挂车在使用过程中还有独特的甩挂工况，即半挂车从牵引车卸下时落地冲击工况。图3为使用LS-DYNA对某型半挂车甩挂冲击工况的模拟，可以看到，大梁在支腿连接部受到的瞬时冲击应力是非常大的，需要引起足够的重视。 图3 半挂车甩挂冲击模拟结果2.3 零部件分析 2.3.1 半挂车大梁 作为主要承载件其刚度和强度对整车的影响是第一位的，对此设计必须又充分的重视。首先，大梁要满足强度要求，不仅有均布载荷要求，也有集中载荷的要求。 图4 示为某型大梁的极限承载残余应力。有限元准确的预测了在70%最大载荷时，鹅颈局部明显失效，计算的残余变形为27.7mm，实测为28.0mm，两者是非常接近的。 图4 大梁极限承载残余应有时对于集装箱半挂车的大梁的刚度有比强度更严格的要求，通常要求在一定的范围之内，不能大不能小。 图5为某型码头车的刚度计算。要求同时运输两个集装箱且变形后不干涉，我司同时进行试验和计算，试验结果为17mm，误差在1mm之内，该客户此后一直对我司的设计深信不疑。 图5 半挂车大梁垂直弯曲工况的分析结果2.3.2 半挂车端横梁 对于需要运输集装箱的半挂车，其端横梁为直接承载件，一般情况下都是非常强壮的，但是由于某些局部的设计不合理往往引起局部裂纹。 图6为某型半挂车的端横梁。在该车使用一年以后，转锁孔的各转角处出现明显裂纹，虽然不会马上引起端横梁失效，但鉴于端横梁的重要性，我们对该部件进行了疲劳分析。分析表明，转锁孔设计不合理，其各转角处的疲劳寿命严重不足。该研究对我司端横梁的选型和改进起了理论的说明，四年来未再出现类似问题。 图6 半挂车端横梁横向弯曲工况的疲劳分析结果2.3.3 牵引板疲劳 牵引板作为半挂车的两个支撑点之一，和悬挂具有同等重要的作用。按照美国通行的AAR标准，牵引板需要满足三个极限强度要求，三个疲劳强度要求。我司一方面按照标准进行疲劳试验，同时使用Fe-safe 进行疲劳分析，对疲劳裂纹趋势和位置进行了较好的预测。 图7 半挂车牵引板横向推拉工况的疲劳分析结2.3.4 连接件变形 对于某些特殊的半挂车，其结构是可以组合拉伸的，但是其优点也是结构设计的难点，图8示，为某型车拉伸连接结构，该结构在某特殊试验时大量下翼板发生塑性变形。经有限元分析后发现主要是结构刚度不足，因此对该局部进行了刚度加强，经长期使用未再发生变形。 图8 半挂车连接件变形的分析结果2.3.5 保险杠破坏试验 为了保护乘用车，国家对货车类（包括半挂车）的后保险杠有严格的要求，该标准和美国FMVSS 223基本一致，包括强度和能量的吸收两方面。 图9 半挂车后保险杠的强度分析结果LS-DYNA的模拟结果和试验非常接近，这对于我司开发符合中国和美国要求的后保险杠都有非常积极的指导意义。 2.3.6 立柱扭转破坏试验 对于厢式半挂车来说，其上部结构中四个角立柱是主体框架的主要承载件，一般情况下是足够强壮的。 但如果侧墙为开放性结构，则显得单薄，所以这时候需要考察其抗弯和抗扭两性能。图10某型厢式半挂车的角立柱的扭转破坏试验，有限元模拟的结果趋势对破坏形式预测和试验一致。有限元分析结果对随后结构的改进设计给出了具体的形式和尺寸，该车经长期使用相当可靠，其刚度好，承载能力强。 图10 半挂车立柱扭转破坏试验的模拟2.3.7 复合材料板承载能力试验 作为发达国家主流半挂车的厢式半挂车，厢体材料使用复合材料板已经非常普遍。中集从一开始就非常重视车用复合材料的开发，种类目前已相当齐全。由于复合材料的复杂性，在使用和试验过程中其中心夹层的情况是不可测量的，一般只有在割开表层金属后才能了解。因此使用有限元进行复合材料的分析具有先天的优势，可以随时对各组成层进行详细的描述，结果具有可视性。更重要的是可以对各层的材质、密度和厚度进行选择，然后预测板的整体性能和局部应力，这种可预测性对复合材料板的开发设计是非常重要的，是传统的实验摸索法不可比拟的。图11 示是某型复合材料的弯曲实验模拟结果，计算预测中心层将在0.33*payload时断裂，实验中在0.34*payload时出现断裂声。 图11 半挂车复合材料板弯曲试验的模拟2.3.8 焊逢应力分析 在半挂车结构中大量使用焊接作为零部件主要的连接形式。根据前人的研究知道，焊逢形式、焊逢长度等因素对应力的影响巨大，最坏的结果表现为不是应力集中就是失效撕裂。图12示焊逢应力在焊逢结构略微修改后迅速下降，达到强度要求。 图12-1 原始方案焊逢应力图12-2 改进后焊逢应力 图12 焊逢方案的改进3 结论 由上实例可见，有限元工具在中集车辆集团的半挂车产品的研发过程中发挥了重要的作用，具体总结如下： 1) 它使整车产品的概念设计趋于合理方案； 2) 它在强度校核的基础上为产品的改进和定型提供了理论支持； 3) 它为零部件的精益设计给出了一系列优化建议； 4) 同时它对局部失效提出了有效的改进措施，在此基础上使中集车辆产品更成熟和先进； 5) 最重要而直接的贡献：有限元工具保障了中集车辆半挂车产品机械结构无大故障发生。 综上所述，中集的半挂车事业已经做到了国内第一，正向世界第一迈进。有限元工具在中集集团从随着车辆事业的发展而发展，其应用日益广泛，在中集车辆产品开发的中发挥了实际而有效的作用，未来将为中集车辆日益丰富的产品线提供更完善更先进的技术支持。 参考文献 1 ANSYS理论手册，ANSYS中国。 2 王勖成，邵敏。有限单元法基本原理和数值方法（第2版）。清华大学出版社, 2002。 3 黄克智，黄永刚。固体本构关系。清华大学出版社, 2002。 4 Michael T.Heath.。科学计算导论（第2版）。清华大学出版社, 2001。 5 谷安涛，常国振。汽车车架设计计算的有限元法。汽车技术，1977.6。 6 黄金陵。汽车车架结构元件参数的优选。汽车技术， 1984.1。 7 黄金陵有限元法应用于汽车车架结构分析中的几个问题。吉林工业大学学报，1980.1。 8 汪三清，王运周。半挂车车架的有限元分析及其静弯曲强度储备问题。汽车