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半掛車是車軸置于車輛重心（當(dāng)車輛均勻受載時）后面，并且裝有可將水平或垂直力傳遞到牽引車的聯(lián)結(jié)裝置的掛車。車軸作為半掛車的一個關(guān)鍵部件，其產(chǎn)品的強度和壽命對整車的可靠性和安全性及整車性能的影響很大，所以對車軸進行疲勞強度有限元分析和優(yōu)化設(shè)計對降低成本、減輕重量、提高經(jīng)濟效益有重大意義。
有限元分析（FEA）的基本概念是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解，用有限元法分析靜動態(tài)強度和結(jié)構(gòu)剛度，是現(xiàn)代設(shè)計的必要手段。采用現(xiàn)代有限元結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，使得半掛車車軸結(jié)構(gòu)分析不再僅憑經(jīng)驗進行，并且可以獲得設(shè)計的參變量（如車軸的結(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)實時地觀察計算分析的結(jié)果，而利用這些信息就可以對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。
在建立半掛車車軸模型前，必須根據(jù)不同的應(yīng)用情況進行具體的結(jié)構(gòu)分析，使得軸和安裝在軸上的零件均有準(zhǔn)確的工作位置，并且軸上的零件應(yīng)滿足一定的裝卸和調(diào)整要求等。
半掛車車軸主要分為3段，中間為方軸，兩端為圓軸，還包括方軸向圓軸過渡的部分。其左右部分是對稱結(jié)構(gòu)，為方便CAD模型及有限元模型的建立，只建立一半模型再由鏡像得到全圖。將支座與車軸裝配起來，這樣車軸的變形就可以達到整體弧線的效果，增加兩個支座后，兩個支座中間的距離為輪距1840 mm。
將Ansys集成到Pro/E中的方法有多種，利用專用接口將車軸無縫導(dǎo)入Ansys Workbench，這種方法是利用專門接口將這兩種軟件結(jié)合在一起，達到了無縫連接。在模型傳遞過程中基本沒有丟失元素的現(xiàn)象，即使有該類現(xiàn)象,回到Pro/E環(huán)境中，找到出現(xiàn)問題的地方，發(fā)揮Pro/E軟件強大的建模功能，修改模型，然后再導(dǎo)入Ansys中，直至成功，比在Ansys中改動模型消耗時間少。為了準(zhǔn)確模擬車軸的試驗狀態(tài)，在左右鋼板彈簧安裝位置分別設(shè)計兩個加載塊和車軸接觸，用于施加載荷，并在軸承部位設(shè)計兩個支撐塊用于對車軸進行約束。在Ansys Workbench中對車軸進行網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格控制、載荷和邊界條件的施加，得到導(dǎo)入Ansys Workbench后的模型如圖所示。
文中所分析的半掛車車軸結(jié)構(gòu)為合金鋼結(jié)構(gòu)，參數(shù)如下強度極限σb=700 MPa，屈服極限σs=580 MPa。根據(jù)中華人民共和國交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T475-2002：掛車車軸，對D13F101型掛車車軸（最大軸載質(zhì)量13 t）進行以下性能分析：垂直彎曲剛度：滿載軸負荷，每米輪距最大變形量不超過1.50 mm；垂直彎曲靜強度：垂直彎曲失效（斷裂或嚴(yán)重塑性變形）后備系數(shù)Kn≥6；垂直彎曲靜強度試驗評價指標(biāo)為Kn=Pn/P其中，Kn為垂直彎曲破壞后備系數(shù)，Kn>6時為合格；Pn為垂直彎曲破壞載荷；P為滿載軸荷。此時認(rèn)為屈服極限所對應(yīng)的負荷為垂直彎曲失效負荷Pn，額定軸負荷為廠定最大軸載質(zhì)量對應(yīng)的負荷130 kN，由于力與應(yīng)力成正比，所以Kn=Pn/P=σs/σmax。
載荷為13 t時，位移最大為2.8674 mm，最大位移發(fā)生在軸中間處，以此向兩邊逐漸減小。半掛車車軸結(jié)構(gòu)為合金鋼結(jié)構(gòu)，材料經(jīng)過試驗測得參數(shù)如下強度極限σb=700 MPa，屈服極限σs=580 MPa。
剛度要求是指構(gòu)件應(yīng)有足夠的抵抗變形的能力。滿載軸負荷130 kN下的最大變形量為2.8674 mm；輪距為1840 mm；則每米輪距的最大變形量為2.8674/1.840=1.55 mm。此車軸基本滿足垂直彎曲剛度要求。
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