散裝水泥車改進前后動態(tài)分析對比

黃世偉，石 文，李 亮

(廣西大學機械工程學院，廣西 南寧 530004)

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，我國基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，水泥作為基礎(chǔ)建設(shè)的重要物資，需求量越來越大，對散裝水泥半掛運輸車要求也越來越高。散裝水泥半掛車所承受的外部載荷是隨時間變化的動態(tài)載荷，其中大部分是循環(huán)動態(tài)隨機載荷。在這種載荷作用下，散裝水泥半掛車的罐體和車架都會產(chǎn)生動態(tài)變化的應(yīng)力，這些應(yīng)力有可能遠遠超出材料的屈服應(yīng)力。因此，很有必要對其進行動態(tài)分析。

本課題來源于對某汽車改制廠的LG9480GFL型散裝水泥半掛運輸車的設(shè)計改進。LG9480GFL型散裝水泥運輸車，為三軸半掛式專用汽車，原車罐體共分為四倉。根據(jù)廠方要求改進后罐體為三倉且輪距不能變動。因此，由原來的四倉改成三倉時，車身外部結(jié)構(gòu)和基本尺寸與改進前四倉大體相同，其改進前后整車模型如圖1所示。通過分析計算得改進前后的總質(zhì)量分別為12 527 kg和9 845 kg，質(zhì)量減小了21.4%，而且有效容積也有所增加，滿足了廠方提出的要求。但對于改進后半掛車的動態(tài)性能如何需進一步分析驗證，下面利用有限元分析軟件ANSYS，對改進前后的散裝水泥半掛車罐體和車架部分進行動態(tài)分析對比，為改進后模型結(jié)構(gòu)的繼續(xù)改進設(shè)計提出建議和可靠的理論依據(jù)。

圖1 散裝水泥車外形圖

2 模型有限元仿真分析

2.1 幾何模型建立

散裝水泥車罐體和車架，通過焊接連接在一起，它們分別由不同厚度的鋼板焊接而成，且這些鋼板較薄，用板殼單元就能很好地進行模擬。因此在建模時，采用曲面模型模擬各鋼板。建模時將焊縫和各部件看作一個連續(xù)體，用ANSYS建立的改進前、后罐體及車架整體實體模型，如圖2、圖3所示。

圖2 罐體及車架改進前實體模型

圖3 罐體及車架改進后幾何實體模型

2.2 建立有限元模型

在劃分網(wǎng)格之前，首先輸入各部位的材料屬性，然后指定單元類型。在實際工程應(yīng)用中，由于罐體和車架均是由一系列薄壁件組成的結(jié)構(gòu)，所以指定單元類型為板殼單元SHELL63。劃分網(wǎng)格時，應(yīng)合理地進行單元尺寸控制，控制單元數(shù)目，達到既節(jié)約計算機資源，又滿足計算精度的目的。不同部位采用不同的網(wǎng)格劃分控制，對非應(yīng)力集中處，網(wǎng)格可劃得稀疏些；對應(yīng)力集中處、厚度過度較大處等，網(wǎng)格則要細密些。為了避免應(yīng)力集中，改進前后模型牽引座支撐處鋼板彈簧及輪胎的剛度，均用17個普通彈簧單元剛度來代替；半掛車部分的每個吊耳處的剛度，用5個彈簧單元剛度來代替；各支撐處彈簧單元的剛度(單位N/mm)及阻尼如表1所示，改進前后的有限元模型如圖4、圖5所示。

圖4 罐體及車架改進前有限元模型

圖5 罐體及車架改進后有限元模型

表1 彈簧單元的剛度及阻尼

2.3 模態(tài)分析

模態(tài)分析是確定結(jié)構(gòu)的振動特性的一種技術(shù)，對結(jié)構(gòu)的有限元模型進行模態(tài)分析，可以得到振動系統(tǒng)的固有頻率和振型。

首先選取計算頻率范圍。計算頻率的選擇，應(yīng)考慮到半掛車在實際運行條件下可能的激振頻率范圍。通常認為，遠離振源頻帶的模態(tài)，對結(jié)構(gòu)的實際振動影響貢獻量較小，低頻激勵激不出高頻模態(tài)，高頻模態(tài)貢獻的大小，除與激振頻率有關(guān)外，還與激振力的分布狀態(tài)有關(guān)。因此，計算頻段應(yīng)為略高于激勵力的頻帶，考慮到半掛車的運行速度與路面條件綜合分析的需要，選取0～2 Hz作為其計算頻率范圍，提取機體的前10階非剛體模態(tài)。在ANSYS中采用Lanczos求解法，對半掛車模型進行模態(tài)特性分析，得改進前后前10階固有頻率如表2所示。由于篇幅有限，現(xiàn)只給出改進前后第5階的振型圖，如圖6、圖7所示。

表2 改進前后前10階固有頻率 單位：Hz

圖6 改進前第5階振型

圖7 改進后第5階振型

由振型圖6、圖7可以看出：原模型第五階振型(f=1.642)為整體的二階彎曲振動及罐體的局部徑向振動，最大相對位移出現(xiàn)在罐體中部上端。改進后第五階振型(f=1.667)為罐體的局部徑向振動，最大相對位移出現(xiàn)在罐體中間的頂部。

2.4 諧響應(yīng)分析

任何持續(xù)的周期載荷，將在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中產(chǎn)生持續(xù)的周期響應(yīng)(諧響應(yīng))。諧響應(yīng)分析，使設(shè)計人員能預測結(jié)構(gòu)的持續(xù)動力特性，從而使設(shè)計人員能夠驗證其設(shè)計能否成功的克服共振、疲勞及其他受迫振動引起的有害后果。

對半掛車諧響應(yīng)分析是分析其在路面不平度的動態(tài)激勵下的響應(yīng)，要對模型進行路面激勵、約束和載荷的施加。施加路面激勵是以位移載荷的形式對模型各吊耳施加位移激勵，以路面幅值10 mm、25 mm、50 mm的3種路面激勵(分別以路面1、路面2和路面3來命名這3種路面)來對汽車進行動態(tài)分析。在牽引座處和吊耳支撐處添加上彈簧單元，原始模型與改進后模型中彈簧單元的剛度及彈簧單元的阻尼如表1所示。對所有彈簧單元所有上部節(jié)點及下部節(jié)點，采用X向和Z向的約束，同時對Y向施加相應(yīng)的位移激勵進行約束。施加的載荷是結(jié)構(gòu)自身的重力和水泥載荷的壓力。根據(jù)模態(tài)分析得到的半掛車罐體動態(tài)特性，以及實際工況下激勵頻率，設(shè)置強制頻率為0.8～2.0 Hz，選用完全法(Full Method)作為分析方法分析計算。這里僅提取在路面2行駛時整個模型改進前后應(yīng)力最大點的應(yīng)力幅頻圖以供結(jié)果分析。

在路面2下行駛時，改進前后整個模型應(yīng)力最大點位置如圖8、圖9所示，相應(yīng)的最大應(yīng)力點應(yīng)力幅頻圖10、圖11所示。

圖8 改進前應(yīng)力最大位置點

圖9 改進后應(yīng)力最大位置點

圖10 改進前應(yīng)力最大點的應(yīng)力幅頻圖

圖11 改進后應(yīng)力最大點的應(yīng)力幅頻圖

由以上圖10、圖11可知，改進前模型的激勵應(yīng)力，在路面2中最大值達到664.654 MPa。改進后模型的激勵應(yīng)力，在路面2中最大值達到518.53 MPa，這些數(shù)值主要出現(xiàn)在車架上和罐體前封頭與罐壁的連接處。均遠遠超過了鋼材的屈服極限(235 MPa)，是不安全的。

3 結(jié)束語

由模態(tài)分析可知，改進前半掛車的固有頻率為1.066～1.923 Hz，改進后的固有頻率為0.894～1.953 Hz。而大型運輸車結(jié)構(gòu)的固有頻率，應(yīng)該在1.5～2 Hz之間，因此應(yīng)該改變結(jié)構(gòu)的剛度或質(zhì)量，以提高低階頻率。由諧響應(yīng)分析可知，結(jié)構(gòu)在動載荷的作用下，出現(xiàn)了局部的應(yīng)力集中，比如原始模型的車架上節(jié)點25 281為一個應(yīng)力集中點，改進后模型中的罐體上的節(jié)點48 666也是一個應(yīng)力集中點，并且其應(yīng)力最大值遠遠超出了鋼材的屈服極限值。

為了提高模型的固有頻率，可以考慮改變模型的結(jié)構(gòu)，比如在車架應(yīng)力較大處增加車架板料厚度，或者添加橫梁，將罐體應(yīng)力較大處增加厚度，以提高整體的剛度。為了消除局部應(yīng)力集中可以在應(yīng)力較大的罐體前封頭與罐壁連接處的板料加厚，并且加大兩者連接處的圓弧弧度，可以減小應(yīng)力集中使結(jié)構(gòu)的應(yīng)力達到安全欲度。

[1]王 彬.振動分析及應(yīng)用[M].北京：海潮出版社，1992.

[2]傅志方.振動模態(tài)分析與參數(shù)識別[M].北京：機械工業(yè)出版社，1990.

[3]GB7031-1987，車輛振動輸入——路面平度表示方法[S].