用有限元法分析靜動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)剛度是現(xiàn)代汽車(chē)工業(yè)設(shè)計(jì)的必要手段。采用現(xiàn)代有限元結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，使汽車(chē)結(jié)構(gòu)分析不再僅憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，并且可以獲得設(shè)計(jì)的參變量(如絎架車(chē)廂的結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件的幾何尺寸及其布置方式等)與結(jié)構(gòu)響應(yīng)(如輸出的應(yīng)力和位移)之間的某種關(guān)系，還可以利用軟件提供的可視化技術(shù)，實(shí)時(shí)地觀察計(jì)算分析的結(jié)果，而利用這些信息就可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

本文主要討論如何在絎架式汽車(chē)半掛運(yùn)輸車(chē)車(chē)廂有限元模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合汽車(chē)在實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)的典型情況，如勻速行駛，緊急制動(dòng)及急速轉(zhuǎn)彎等情況，研究相應(yīng)載荷及邊界約束條件施加的實(shí)現(xiàn)方法，分析車(chē)身結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，給出強(qiáng)度和剛度分析評(píng)價(jià)結(jié)果。

1 有限元模型建立

絎架式汽車(chē)半掛運(yùn)輸車(chē)車(chē)廂為三軸式，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于車(chē)廂是左右對(duì)稱(chēng)的，所以為了方便模型分析，對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，只選取了車(chē)廂的左側(cè)面進(jìn)行模擬分析。根據(jù)車(chē)廂的絎架式結(jié)構(gòu)，確定使用2節(jié)點(diǎn)線單元建立車(chē)廂模型，由于車(chē)廂是固定在掛車(chē)上的，所以將車(chē)廂地面上和掛車(chē)車(chē)架連接的地方定義為固定點(diǎn)，車(chē)廂整體按絎架式結(jié)構(gòu)，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(jiàn)表1。

2 模擬分析

2.1 勻速行駛情況

汽車(chē)勻速直線行駛時(shí)車(chē)速較高，動(dòng)載荷最大。路面的反作用力使車(chē)廂承受對(duì)稱(chēng)的垂直載荷，它使車(chē)廂產(chǎn)生彎曲變形，其大小取決于作用在車(chē)身各處的靜載荷及垂直加速度，要求車(chē)廂必須保證有足夠的強(qiáng)度和抗疲勞能力。車(chē)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(chē)廂的受力

由圖2可以明顯的看出在該情況下車(chē)廂的剪力主要集中在斜向桿與斜向桿的交界處;車(chē)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(chē)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(dá)到最大。這是因?yàn)樵趧蛩僦本€行駛情況下，車(chē)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(chǎn)生桿的中心部分有向下的趨勢(shì)，所以中心部分的彎矩是最大的;越向下軸力越大，因?yàn)橄蛳略斐蓜?dòng)載荷的疊加，尤其是在桿與桿的焊接處，疊加的更多，在側(cè)門(mén)柱的下部達(dá)到最大值。

2.2 緊急制動(dòng)情況

汽車(chē)行駛過(guò)程中遇到突發(fā)事件而采取的緊急制動(dòng)行為，會(huì)使汽車(chē)車(chē)廂除受各部件的重力作用外，還受到縱向慣性力的作用，車(chē)廂在緊急制動(dòng)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(dòng)情況下車(chē)廂的應(yīng)力主要集中在桿與桿的焊接處，各焊接點(diǎn)是受力最大的地方。因?yàn)樵趹T性力的作用下，車(chē)廂內(nèi)部桿件之間的相互作用力都通過(guò)焊接點(diǎn)作用到桿上，而每根桿都是以?xún)啥它c(diǎn)為固定點(diǎn)，焊接在一起的，所以各種應(yīng)力就都集中到這些焊接處了。雖然焊接處的應(yīng)力比較集中，受力較大，但彈性形變很小，并不影響到車(chē)廂的整體性能。

2.3 急速轉(zhuǎn)彎情況

在急速轉(zhuǎn)彎工況下，主要考慮當(dāng)車(chē)廂以最大轉(zhuǎn)向加速度0.4g轉(zhuǎn)彎時(shí)，慣性力對(duì)車(chē)身的影響，由于左、右急速轉(zhuǎn)彎情況下，車(chē)廂所受橫向慣性力的大小相等，方向相反，所以只對(duì)一種情況分析即可，在這里選擇左急速轉(zhuǎn)彎情況下車(chē)廂的受力情況進(jìn)行分析。車(chē)廂在左急速轉(zhuǎn)彎情況下的受力狀況如圖4所示。由圖4可以看出，車(chē)廂在做左急速轉(zhuǎn)彎時(shí)，受到方向指向轉(zhuǎn)彎中心的橫向慣性力的影響，車(chē)廂發(fā)生彈性形變。由于車(chē)廂下方是固定的，所以車(chē)廂由下至上變形加大。在左急速轉(zhuǎn)彎情況下，車(chē)廂的應(yīng)力主要集中在桿件的底端，也就是車(chē)廂與車(chē)體的焊接處。這是因?yàn)檐?chē)廂在左急速轉(zhuǎn)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(xiàn)在桿件底端的固定端上。

3 結(jié)論

在三種基本情況下，車(chē)廂的彈性形變并不大，有的甚至基本不發(fā)生形變，說(shuō)明車(chē)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(zhì)量的情況下，多增加桿件或采用更細(xì)、強(qiáng)度更高的材料來(lái)代替，這樣既不會(huì)降低車(chē)廂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又能分散應(yīng)力，緩解應(yīng)力過(guò)度集中的情況。