趙飛，蔡玉強(qiáng)，孟欣

（河北聯(lián)合大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山063009）

牽引座是半掛牽引車與掛車之間重要的連接裝置，不但承受垂直、橫向、縱向等多種載荷的作用，同時(shí)，還經(jīng)受列車起步、加速、減速、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等運(yùn)行工況以及掛接半掛車時(shí)的沖擊。作為半掛汽車上的重要部件，牽引座的強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)特性將直接影響半掛汽車的行駛安全性［1］。

1 牽引座鞍體有限元模型的建立

1.1 實(shí)體模型的建立

根據(jù)唐山龍泉機(jī)械有限公司提供的某90＃牽引座的CAD圖紙，利用CREO軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模，在建立其三維實(shí)體模型的時(shí)候考慮到其計(jì)算精度的影響和有限元模型的計(jì)算規(guī)模，可以對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的化簡(jiǎn)。所建立的模型，如圖1所示。

圖1 牽引座結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 有限元模型的建立

將牽引座的三維實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用shell181單元進(jìn)行模擬分析，然后對(duì)該牽引座的實(shí)際結(jié)構(gòu)對(duì)各個(gè)部分賦予相應(yīng)的實(shí)常數(shù)。90＃牽引座選用的材料為Q345，其材料屬性見(jiàn)表一，在定義好單元屬性和材料屬性后，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后得到38163個(gè)節(jié)點(diǎn)，38627個(gè)單元，與其它劃分情況相比較，此劃分結(jié)果較為理想，得到的網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2 牽引座網(wǎng)格模型

表1 Q345的材料屬性

2.3 邊界條件的施加

根據(jù)牽引座在牽引車上的安裝方式以及牽引座中各個(gè)部件的連接方式，對(duì)其進(jìn)行如下約束：在兩側(cè)內(nèi)外耳的中心圓孔處的節(jié)點(diǎn)上施加X(jué)、Y、Z方向上的移動(dòng)自由度和Y、Z方向上的旋轉(zhuǎn)自由度，如圖3所示。

圖3 牽引座的約束處理

圖4 牽引座的靜載加載方式

2 牽引座結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析

在半掛牽引車運(yùn)輸過(guò)程中，豎直方向的載荷主要來(lái)自半掛車的垂直下壓載荷作用。我們根據(jù)GB／T 20069—2006《道路車輛 牽引座強(qiáng)度試驗(yàn)》［2］的相關(guān)要求，制定了牽引座受垂直載荷的工況。根據(jù)GB1589—2004《道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》中相關(guān)規(guī)定，查閱當(dāng)前某型號(hào)半掛牽引車（六軸）的設(shè)計(jì)手冊(cè)，其半掛車的最大載重量為43噸，選用90＃牽引座。而牽引座在豎直方向要求承擔(dān)牽引質(zhì)量的30%～40%，在本文中假設(shè)垂直施加在牽引座上的質(zhì)量約為18噸，即為176 400N。將該載荷根據(jù)靜力等效原則均勻的施加在牽引座殼體的上表面上。其加載方式如圖4所示。然后對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到其位移云圖如圖5所示，應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖5 牽引座位移云圖

圖6 牽引座應(yīng)力云圖

由圖5可知，對(duì)牽引座施加載荷后的最大位移為1.001mm，殼體彎曲變形與其寬度比值為0.125%＜0.2%。由圖6可知，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在兩定位孔處，大小為288MPa，其次就是在牽引座殼體“開(kāi)貓”處以及殼體與框架板的焊接部分等效應(yīng)力的數(shù)值比較大，但是都小于材料的屈服極限345MPa，所以結(jié)構(gòu)是安全的。

改進(jìn)措施：有上述的分析可知，在兩個(gè)定位孔以及兩個(gè)“貓耳”處由于存在應(yīng)力集中的原因，使得等效應(yīng)力值比較大。因此，我們可以在以后的設(shè)計(jì)中嘗試改變其定位方式以減少不必要的應(yīng)力集中現(xiàn)象產(chǎn)生，同時(shí)，在“開(kāi)貓”處我們可以將貓耳縮減至一個(gè)，以便更好的提高牽引座的強(qiáng)度。

3 牽引座鞍體有限元模態(tài)分析［3］

［M］：結(jié)構(gòu)總質(zhì)量矩陣；［C］：結(jié)構(gòu)體的阻尼矩陣；［K］：結(jié)構(gòu)體的剛度矩陣；｛x¨（t）｝：加速度向量；速度向量；｛x（t）｝位移向量；｛f（t）｝動(dòng)激勵(lì)載荷向量。

進(jìn)行鞍體的約束模態(tài)分析，無(wú)需考慮外力作用，即｛f（t）｝為零，因結(jié)構(gòu)的阻尼較小，對(duì)固有頻率和振型影響很小，所以常常忽略不計(jì)，在這種情況下，分析結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求解特征值和特征向量問(wèn)題，因此對(duì)牽引座進(jìn)行模態(tài)分析，其運(yùn)動(dòng)方程為：

其對(duì)應(yīng)的特征方程為：

根據(jù)彈性力學(xué)有限元理論［4］，將牽引座結(jié)構(gòu)近似看作線性系統(tǒng)，經(jīng)分析可得牽引座振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為：

ω為系統(tǒng)的固有頻率；｛x（t）｝為系統(tǒng)的特征向量（模態(tài)振型）。

結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的目的是求出牽引座的各階的固有頻率和對(duì)應(yīng)的主振型，其階數(shù)越低，說(shuō)明對(duì)整車的影響越大，本文進(jìn)行了牽引座前八階模態(tài)求解，得到其固有頻率如表二所示，振型如圖7－圖14所示。

表2 牽引座結(jié)構(gòu)的固有頻率

圖7 第一階模態(tài)振型圖

圖8 第二階模態(tài)振型圖

圖9 第三階模態(tài)振型圖

圖10 第四階模態(tài)振型圖

圖11 第五階模態(tài)振型圖

圖12 第六階模態(tài)振型圖

圖13 第七階模態(tài)振型圖

圖14 第八階模態(tài)振型圖

模態(tài)計(jì)算結(jié)果分析：

在一般情況下，汽車在正常的行駛過(guò)程中，外部傳輸過(guò)來(lái)的激勵(lì)主要來(lái)自于路面、發(fā)動(dòng)機(jī)、輪胎、傳動(dòng)軸不平衡等。查閱相關(guān)資料，在車速為50－90km／h時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)頻率大約在40Hz～100Hz［5］，而來(lái)自路面、輪胎、傳動(dòng)軸的的激勵(lì)頻率均小于40Hz。通過(guò)上述分析可知，牽引座第一階模態(tài)頻率為169.76Hz，大于外界的激勵(lì)頻率。所以從理論上來(lái)說(shuō)，牽引座不會(huì)由于外部的激勵(lì)而產(chǎn)生共振現(xiàn)象，而牽引座其它階的模態(tài)頻率均大于第一階模態(tài)頻率，更不會(huì)與外部激勵(lì)產(chǎn)生共振。

在本文中所提供的前8階振型，大致可以歸納為：第四階、第七階、第八階為整體模態(tài)，剩余的幾個(gè)模態(tài)均為局部模態(tài)。

（1）整體模態(tài)：第四階模態(tài)振型為牽引座整體扭轉(zhuǎn)，分別以兩個(gè)支座為基準(zhǔn)點(diǎn)，扭轉(zhuǎn)軸線大致與兩側(cè)內(nèi)外耳中心孔處的中心線相重合。第七階模態(tài)振型的彎曲主要在前框架板與殼體的焊接處。第八階模態(tài)振型也是彎曲，在殼體圓弧處存在比較大的變形。

（2）局部模態(tài)：在5個(gè)局部模態(tài)中，大致是牽引座殼體的前部、尾部變形比較嚴(yán)重，這是因?yàn)槠淝昂蟛坑捎跉んw沒(méi)有支撐，而殼體的中間部分與框架相連接，所以，其前后部的剛度和中間部分相比較而言是比較弱的，所以前后部分就會(huì)產(chǎn)生較大的局部模態(tài)現(xiàn)象。

改進(jìn)措施：

1）根據(jù)圖7、9、12和8、11可知，在殼體的前部和后部產(chǎn)生了較大的局部模態(tài)，因此，可以在前部添加與前框架板相連的筋板，在后部添加與后框架板相連的筋板，以提高其剛度。

2）從所有的陣型圖中可以得知，殼體與框架相連處的剛度比較大，為了實(shí)現(xiàn)整體的近似等剛度設(shè)計(jì)，可以適當(dāng)?shù)臏p小其框架板的高度或者厚度。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合唐山龍泉機(jī)械有限公司提供的牽引座相關(guān)數(shù)據(jù)，并在綜合考慮牽引座的實(shí)際運(yùn)行工況的基礎(chǔ)之上，對(duì)三維模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，導(dǎo)入到ANSYS軟件，確定單元類型和劃分網(wǎng)格的單元大小，建立牽引座結(jié)構(gòu)的有限元模型。對(duì)建立的有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、模態(tài)分析，得到了結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變圖和前幾階固有頻率和對(duì)應(yīng)模態(tài)振型。分析結(jié)果表明牽引座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，固有頻率不會(huì)與外部激勵(lì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象并在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，為牽引座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。

［1］ 楊通順.半掛牽引車牽引座要覽（上）［J］.汽車配件，2004（46）：28－30.

［2］ 金明新.半掛車牽引座強(qiáng)度要求及其試驗(yàn)方法［J］.專用汽車，2005（1）：43－45.

［3］ 傅志方.模態(tài)分析理論與應(yīng)用［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2000.

［4］ 徐秉業(yè).彈塑性力學(xué)及其應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1984：153－184.

［5］ 孫艷鵬.載重汽車車架有限元分析及優(yōu)化［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2008.