汽车运输中的自卸半挂车一直备受客户的青睐，对其需求也日益增加，在公路运输中以自卸半挂车取代普通载货汽车已经成为汽车行业和公路运输业的发展方向，公路建设的飞速发展促使部分企业纷纷开发自卸半挂车产品，无疑会导致自卸半挂车企业之间的竞争愈加激烈。
而且运输企业向着集约化、专业化、便捷化、网络化和规范化等方面发展，导致自卸半挂车市场愈来愈要求高技术含量、高附加值的轻量化产品，生产企业为了满足市场需求，充分利用现代设计技术，结合CAE仿真结果，根据自卸车实际工况，开发出高品质、高性能及低排放的自卸半挂车。
本文通过CAE仿真对半挂车动态运输工况进行分析，在半挂车焊接工字梁上通过LG980LE材料代替LG700L实现轻量化，设计开发出更轻、更耐久、安全系数更高的产品。
1、模型及前处理
自卸车大梁可大致分为车架组件、悬架、牵引座三部分，采用HyperMesh软件进行有限元分析的前处理，使用OptiStruct模块进行求解，HyperView软件进行后处理。
首先抽取模型中面，并进行几何处理，再进行网格划分。整车有限元模型的网格尺寸设定为10mm，采用以四边形为主的壳单元模拟型材、板材件；采用体单元模拟牵引销及纵向推力杆座；采用五面体单元结合RB3单元模拟焊缝连接；采用RBE2 单元模拟螺栓连接；对于自卸车悬架的钢板弹簧则分别用梁单元CBEAM和弹簧单元CELAS模拟。边界条件设定如下图1。
图1 边界约束示意图
动态运输工况，车辆满载条件下货物以纵向-2.5g加速度压向大梁；牵引销约束 X、Y、Z方向的平动自由度；板簧底部约束 X、Y、Z 方向的平动自由度。载荷为2.5g货物压力和大梁自身重力（设定全局1g加速度加载）。
图2 半挂自卸车加载示意图
2、分析结果
原大梁动态运输工况下最大应力均位于牵引座横梁部位，对应的最大等效应力分别为708.1Mpa。各部件的最大应力超过了对应LG700L高强钢材料的屈服强度，安全系数仅为0.99（＜1.20），故此大梁在动态超载运输过程中存在风险。如下图3。
图3 自卸车原大梁动态运输工况应力分布云图
3、轻量化优化及结果
为实现汽车节能减排，降低能耗，提高车架刚强度，降低运输过程中的风险。将对大梁的原材料LG700L替换为LG980LE热处理高强钢，提升结构的屈服强度，同时将上翼板、下翼板和腹板厚度减薄，以减少大梁质量，减薄前后的厚度如表1所示，通过上述轻量化方法可减轻大梁质量约274kg。
表1 轻量化前后牌号及规格对比
同样的动态运输工况，最大应力仍位于牵引座横梁部位，对应的最大等效应力分别为790.8Mpa，结果如下图4。轻量化之后各部位的最大应力满足LG980LE的要求，安全系数为1.28（＞1.20），故此大梁在动态超载运输过程中安全可靠。
图4 轻量化后自卸车原大梁动态运输工况
应力分布云图
4、结论
通过对半挂车工字梁的腹板、上翼板、下翼板进行尺寸优化与高强钢的替换，分析原大梁在动态运输工况下的应力云图，可知受力较大的位置主要处于牵引板横梁位置。轻量化前后重量减轻374kg，减重21%。
按照每台车一年出勤240天，每天行驶400公里，车辆满载60%来计算，油耗和运输每年带来的经济效益为86.2万元，而高强材料费用每台车仅增加3000-4000元左右（随市场价波动），综合创效非常显著，并且车辆具有良好的品牌效益与竞争优势。
