基于Nx Nastran有限元分析的公铁两用半挂车车架结构优化（下）

2.3 优化改进措施

为使纵向力平滑传递到其他部件，根据原因分析所述的1～2点，因结构功能限制，通过调整板厚，适当减小安装座开口尺寸等方法减小该处应力。

根据原因分析所述的3～4点，在前端梁与牵引横梁间增加2个载荷传递较为理想的工字型梁，如图4(b)所示，计算结果表明，强度满足铁路运行工况要求，但该处空间狭小，焊缝较多，考虑到工艺操作性，将牵引纵梁(冷弯槽钢)如图4(a)所示，优化为组焊的大截面槽钢梁如图6-7所示，与牵引销板组焊成箱型截面梁，如图4(c)所示。

图4 前端优化过程

根据原因分析所述的3～4点，在2根纵向大梁组成内侧增加2组组焊的异形槽钢梁，其两端分别与后端梁、悬架横梁焊接连接，如图5(b)所示，经有限元计算，强度满足铁路运行要求，但其与大梁太近，内侧焊缝不便于施焊，同时不便于组装气囊用紧固件。优化两侧组焊的异形槽钢梁为车架中央位置的一组工字型梁，如图8所示，端部分别与后端梁、悬架横梁相连，如图5(c)所示。

根据原因分析所述的第5点将前端的横向补板与纵向大梁组成的上翼缘对接处界面制出圆弧，如图9所示；将后端梁组成的腹板优化成带圆弧过渡的L型结构等措施，如图10所示，与大梁下翼缘相连，减小应力集中程度。

图5 后端优化过程

图6 牵引纵梁组成(1) 

图7 牵引纵梁组成(2) 

图8 纵向梁组成 

图9 横向补板  

图1 0 后端梁腹板 

2.4 优化方案有限元计算情况

2.4.1 公路运行时

刚度工况：车架的垂向变形为6.196 mm, 如图11所示，小于轴距的2‰(16.49 mm),满足刚度要求。

图11 车架变形图 

2.4.2 公路弯曲工况

该工况最大当量应力为140.9 MPa, 出现在牵引横梁腹板处，如图12所示，小于该处T700材质的许用应力值194 MPa, 满足强度要求。

图12 弯曲工况应力云图 

2.4.3 公路扭转工况

该工况最大当量应力为172.2 MPa, 出现在牵引横梁翼缘处，如图13所示，小于该处材质(T700)的许用应力值280 MPa, 满足强度要求。

图13 扭转工况应力云图 

2.4.4 铁路运行时

刚度工况：车架的垂向变形为24.29 mm, 如图14所示，小于转向架中心距的3‰(39.92 mm),满足刚度要求。

图14 车架变形图 

铁路拉伸工况：该工况最大当量应力为367.3 MPa, 出现在后端安装座立板处，如图15所示，小于该处材质(T700)的许用应力值387 MPa, 满足强度要求。

图15 铁路拉伸工况时应力云图 

铁路压缩工况：该工况最大当量应力为377.9 MPa, 出大梁翼缘靠近后端梁处，如图16所示，小于该处材质(T700)的许用应力值387 MPa, 满足强度要求。

图16 铁路压缩工况时应力云图   

通过以上优化措施，计算模型质量增加93 kg, 车架的刚度、强度均满足要求。较初始方案，优化后的车架刚度最大提升7.11%,见表3;强度最大提升56.97%,见表4。

表3 公铁两用半挂车刚度计算汇总

表4 公铁两用半挂车强度计算汇总

2.5 建议

公铁两用半挂车的公路工况，因牵引吨位较小，采用传统2根纵向大梁可承受牵引载荷作用；铁路工况，因纵向载荷较大，为使载荷顺利传递，传统车架前后端均需要补强，车架前端因设有牵引销板，可在其中央位置增大牵引纵梁截面，与牵引销板组成箱型截面梁；车架后端因组装零部件(配件)较多，空间有限，可在后端中央处增加工字型钢梁与悬挂横梁连接来传递纵向力。

3 结论

通过上述优化措施，逐步减小应力梯度，使得该车架有了很好的性能，仿真技术的应用为新产品研发提供技术支撑，缩短了研发周期，节约了研发成本。

参考文献

[1] 朱德绵，王耀斌.半挂车车架设计的结构分析[J].汽车技术，1999(7):11-12.

[2] 张继君.基于MSC.NXNASTRAN的汽车车架结构的仿真研究[D].长春：吉林大学，2001.

[3] 徐达，蒋崇贤.专用汽车结构与设计[M].北京：北京理工大学出版社，1994.

文章来源：机车车辆工艺