安世亚太：有限元工具在中集车辆产品开发中的应用_产品创新数字化(PLM)_CAE_1469

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1、安世亚太：有限元工具在中集车辆产品开发中的应用_产品创新数字化(PLM)_CAE   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，半挂车的有限元分析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

2、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复合材料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

3、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

4、，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

5、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结果 图2厢式半挂车模态分析结果   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

6、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。   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

7、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大梁极限承载残余应力图   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。   有时对于集装箱半挂车的大梁的刚度有比强度更