绗架式汽车半挂运输车车厢有限元模拟

用有限元法分析静动态强度和结构刚度是现代汽车工业设计的必要手段。采用现代有限元结构分析技术，使汽车结构分析不再仅凭经验进行，并且可以获得设计的参变量(如绗架车厢的结构形式、构件的几何尺寸及其布置方式等)与结构响应(如输出的应力和位移)之间的某种关系，还可以利用软件提供的可视化技术，实时地观察计算分析的结果，而利用这些信息就可以对结构进行优化。

本文主要讨论如何在绗架式汽车半挂运输车车厢有限元模型的基础上，结合汽车在实际运行中可能出现的典型情况，如匀速行驶，紧急制动及急速转弯等情况，研究相应载荷及边界约束条件施加的实现方法，分析车身结构的应力分布情况，给出强度和刚度分析评价结果。

1 有限元模型建立

绗架式汽车半挂运输车车厢为三轴式，其结构如图1所示。由于车厢是左右对称的，所以为了方便模型分析，对模型进行了简化，只选取了车厢的左侧面进行模拟分析。根据车厢的绗架式结构，确定使用2节点线单元建立车厢模型，由于车厢是固定在挂车上的，所以将车厢地面上和挂车车架连接的地方定义为固定点，车厢整体按绗架式结构，由钢管焊接而成，钢管材料选用A3钢，直径60mm，壁厚8mm，材料特性见表1。

2 模拟分析

2.1 匀速行驶情况

汽车匀速直线行驶时车速较高，动载荷最大。路面的反作用力使车厢承受对称的垂直载荷，它使车厢产生弯曲变形，其大小取决于作用在车身各处的静载荷及垂直加速度，要求车厢必须保证有足够的强度和抗疲劳能力。车厢在匀速行驶情况下的受力状况如图2所示。

a 剪力图 b 弯矩图

图2 匀速行驶情况下车厢的受力

由图2可以明显的看出在该情况下车厢的剪力主要集中在斜向杆与斜向杆的交界处;车厢的弯矩主要集中在斜向杆上，斜向杆是弯矩的主要承受者;车厢所受的轴力由上向下逐渐增加，在下端杆与杆的焊接处轴力达到最大。这是因为在匀速直线行驶情况下，车厢的受力主要受到本身自重的影响。由于是匀速直线行驶，横向杆和斜向杆的变形主要受重力影响，产生杆的中心部分有向下的趋势，所以中心部分的弯矩是最大的;越向下轴力越大，因为向下造成动载荷的叠加，尤其是在杆与杆的焊接处，叠加的更多，在侧门柱的下部达到最大值。

2.2 紧急制动情况

汽车行驶过程中遇到突发事件而采取的紧急制动行为，会使汽车车厢除受各部件的重力作用外，还受到纵向惯性力的作用，车厢在紧急制动情况下的受力状况如图3所示。

由图3可以看出，在紧急制动情况下车厢的应力主要集中在杆与杆的焊接处，各焊接点是受力最大的地方。因为在惯性力的作用下，车厢内部杆件之间的相互作用力都通过焊接点作用到杆上，而每根杆都是以两端点为固定点，焊接在一起的，所以各种应力就都集中到这些焊接处了。虽然焊接处的应力比较集中，受力较大，但弹性形变很小，并不影响到车厢的整体性能。

2.3 急速转弯情况

在急速转弯工况下，主要考虑当车厢以最大转向加速度0.4g转弯时，惯性力对车身的影响，由于左、右急速转弯情况下，车厢所受横向惯性力的大小相等，方向相反，所以只对一种情况分析即可，在这里选择左急速转弯情况下车厢的受力情况进行分析。车厢在左急速转弯情况下的受力状况如图4所示。由图4可以看出，车厢在做左急速转弯时，受到方向指向转弯中心的横向惯性力的影响，车厢发生弹性形变。由于车厢下方是固定的，所以车厢由下至上变形加大。在左急速转弯情况下，车厢的应力主要集中在杆件的底端，也就是车厢与车体的焊接处。这是因为车厢在左急速转弯情况下，厢体底端固定，上部是自由的，所以厢体由下至上变形加大，杆件所受惯性力也就集中体现在杆件底端的固定端上。

3 结论

在三种基本情况下，车厢的弹性形变并不大，有的甚至基本不发生形变，说明车厢可以承受正常情况下的载荷。在材料选择方面可以在不增加整体质量的情况下，多增加杆件或采用更细、强度更高的材料来代替，这样既不会降低车厢的结构强度，又能分散应力，缓解应力过度集中的情况。