摘 要:用UG軟件建立某自卸車車架的三維模型,引入ANSYS有限元分析軟件,按照設(shè)計(jì)要求,對車架的載荷計(jì)算進(jìn)行了探討,分析了其應(yīng)力分布狀態(tài)和變形情況及模態(tài)分析,驗(yàn)證了車架設(shè)計(jì)的合理性。
關(guān)鍵詞:自卸車 車架 有限元
1 前言
某公司開發(fā)的平頭四輪自卸車,其車架需進(jìn)行強(qiáng)度校核,筆者利用設(shè)計(jì)的二維圖紙,再用UG軟件建立了三維模型,然后導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行強(qiáng)度、剛度分析,利用分析的結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性,提出了局部改進(jìn)方案,對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。
2 車架結(jié)構(gòu)
該自卸車設(shè)計(jì)載重量2 t,車架全長4 255 mm,寬度為720 mm。邊梁式、前后等寬,縱橫梁皆為槽鋼勺鉚接件,縱梁最大斷面尺寸是160 mm×65 mm×5mm,四根橫梁的斷面尺寸為139 mm×65 mm×5mmmm,一根復(fù)合橫梁、一根元寶梁。車架結(jié)構(gòu)如圖1所示:
3 車架的受力狀態(tài)
靜止和勻速行駛過程中,貨箱的質(zhì)量和汽車的載重均勻分布在支撐貨箱的車架縱梁的上表面上;駕駛室的重量作用在車架前端四支承點(diǎn)上;車架的元寶梁和其前方兩個(gè)支架支撐著該車的動(dòng)力總成;其他總成支承在相關(guān)固定位置。
剛開始卸貨的瞬問,貨物和貨箱的質(zhì)量對車架的作用力按集中載荷處理,作用在二舉升缸的支承位置,其余載荷同靜止?fàn)顟B(tài)。
車輛在崎嶇不平的道路上低速行駛時(shí),有可能會(huì)產(chǎn)生一輪懸空,而另一側(cè)車輪遇到路面凸起的狀態(tài),則此輪所受載荷為零,另一側(cè)車輪所受載荷為原來的2倍。對載重車而言,后輪懸空車架所受應(yīng)力最大。在計(jì)算中,以車輛滿載水平放置狀況下,再在車架相應(yīng)位置施加等效扭轉(zhuǎn)力矩來模擬。
4 車架的有限元分析
4.1 有限元模型的建立
使用UG軟件按照設(shè)計(jì)圖紙建立三維實(shí)體模型,在保證計(jì)算精度及單元?jiǎng)澐值那疤嵯?,適當(dāng)?shù)膶嚰艿膸缀谓Y(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化,導(dǎo)入ANSYS軟件。利用三維模型編輯工具采對模型進(jìn)仃進(jìn)一步的編輯,然后進(jìn)行劃分網(wǎng)格等操作。
4.1.1 單元類型
在早期及現(xiàn)有的車架有限元分析資料中,多采用梁單元和板單元。以梁單元的截面特性來反映車架的結(jié)構(gòu)特性,但它不能正確反映車架縱、橫梁的截面形狀,無法仔細(xì)分析車架的應(yīng)力集中問題。而板單元在其節(jié)點(diǎn)處只有三個(gè)自由度,是用來模擬板件受垂直、平行于板平面的載荷產(chǎn)生彎曲的情況。但在實(shí)際情況中,車架縱梁和橫梁的腹板等結(jié)構(gòu)除了承受以上的力外,還存在扭轉(zhuǎn)、剪切等狀況,所以使用板單元也不能有效地模擬車架受載時(shí)的各種變形。而殼單元除有彎扭變形外,還存在中面的拉、壓和剪切變形,更接近于車架受力真實(shí)狀態(tài)。因此筆者采用SHELL63彈性板殼單元,該單元為4節(jié)點(diǎn)24自由度,既具有彎曲能力又具有膜力,可以承受平面內(nèi)載荷和法向載荷,具有大應(yīng)變、大撓度、大轉(zhuǎn)動(dòng)的線性特性和彈性、應(yīng)力剛化等特性,對車架進(jìn)行有限元分析更加合理。
4.1.2 單元?jiǎng)澐?
根據(jù)本車架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),經(jīng)過比較后,將大部分單元網(wǎng)格的尺寸取為20 mm×2O mm,長寬比為1:1,用在一般部位。而對車架受力形態(tài)有重要影響的區(qū)域,如連接部位、截面變化區(qū)域和可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的地方則要進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化,提高計(jì)算精度。在車架模型中的一些片體要分為多個(gè)小的片體分別劃分網(wǎng)格,在這些片體的交界處就容易發(fā)生單元的形狀畸變,在劃分網(wǎng)格時(shí),則根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,采用三角形單元過渡連接。另外,由于該車架為鉚接結(jié)構(gòu),其鉚接區(qū)域的結(jié)構(gòu)厚度會(huì)增加,所以模型中的一些部分就需要根據(jù)結(jié)構(gòu)而分成多個(gè)區(qū)域來定義厚度。劃分網(wǎng)格后,共計(jì)13 491個(gè)節(jié)點(diǎn),12759個(gè)單元。
4.1.3 定義材料屬性
車架選用的鋼材為16MnL,其彈性模量為2.O6×105MPa,泊松比為0.29,密度為7 800 kg/m3。
4.2 各工況下的載荷分布
本文涉及的載重車設(shè)計(jì)承載為2 t,但考慮到在運(yùn)輸中的超載現(xiàn)象和保證一定的安全系數(shù),該車架按照承載3 t進(jìn)行剛度、強(qiáng)度較核。根據(jù)前述車架受力狀況有以下三種工況:
4.2.1 在靜載和勻速行駛(工況一)
零部件均依照其安裝位置進(jìn)行加載,并根據(jù)其具體結(jié)構(gòu)選擇以集中載荷或均布載荷方式加載。由于對車架模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)簡化,造成必須對某些載荷進(jìn)行平移。此時(shí)須在模型上施加平移載荷后所產(chǎn)生的彎矩,最后還需在模型上施加車架本身的重力,如圖2。
圖2 工況-車架模型
車箱受力狀態(tài)如圖3所示。圖3中:F為車箱所受的舉升力,G為車箱和貨物所受重力;從轉(zhuǎn)軸處取矩,根據(jù)力矩平衡FsinαL2=GL1,F(xiàn)與轉(zhuǎn)軸處的支座反力可得:Fx=42 619N,F(xiàn)z= 47 450 N,Tx=-42 619N,Tz=-13 640 N。其中,G取3 450 kg(載重3 000 kg,車箱等構(gòu)件自重450 kg)。
均勻分布在車架縱梁上表面的載重就轉(zhuǎn)化成了車箱對車架的力F與支座對車架的反力。
4.2.3 滿載,在崎嶇道路上低速行駛(工況三)
后軸所受載荷G1=Ma·g·b/L,當(dāng)一后輪懸空時(shí),相當(dāng)于在車架兩根縱梁上分別施加反向載荷力F:F=G1B1/2B2=5 603 N。
上二式中,Ma為滿載簧上質(zhì)量;b為簧上質(zhì)量質(zhì)心到前軸的距離;B1為左右板簧中心距;L為軸距;B2為車架縱梁中心距。
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