履帶式車輛主車架有限元分析及優(yōu)化

包崢嶸，胡林嵐

(揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)，江蘇揚(yáng)州 225009)

主車架作為履帶式工作車輛上關(guān)鍵的零部件之一，是整個(gè)車輛的基體。履帶式工作車輛上絕大多數(shù)的零部件(如行走裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、操縱機(jī)構(gòu)、工作裝置、駕駛室等)都是通過車架來固定其位置。主車架的功用是支承連接車輛的各零部件，并承受來自車內(nèi)外的各種載荷。主車架的強(qiáng)度和剛度與履帶式工作車輛的行駛性能和作業(yè)性能密切相關(guān)。各階固有頻率和振型是車架的基本特性，在車架上施加周期性外力時(shí)，若其頻率在車架的固有頻率附近，就會(huì)激起共振，影響車輛的行駛平順性和使用壽命，強(qiáng)烈的振動(dòng)會(huì)引起履帶式工作車輛上零部件結(jié)構(gòu)破壞［1，2］。

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，主車架是一個(gè)采用各種型鋼焊接而成的形狀不規(guī)則的焊接件，承受各種形式的載荷，因此用經(jīng)典的力學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度、剛度分析的難度較大。利用有限元法可以方便地計(jì)算出車架的應(yīng)力和應(yīng)變分布，并以之作為指導(dǎo)、改進(jìn)車架設(shè)計(jì)的依據(jù)，使其結(jié)構(gòu)趨于合理。

1 車架有限元計(jì)算模型的建立

1.1 主車架幾何模型的建立

建立有限元模型和劃分網(wǎng)格。首先在保證主車架主要特性、確保網(wǎng)格劃分順利進(jìn)行的同時(shí)對(duì)主車架局部簡化。由于車架形狀復(fù)雜，在Ansys內(nèi)部建模很不方便，用Pro/E軟件建立車架的三維實(shí)體模型，然后轉(zhuǎn)化為IGES格式后導(dǎo)入到Ansys軟件，作為Ansys軟件進(jìn)行有限元分析的幾何模型。主車架三維實(shí)體圖見圖1。

圖1 主車架實(shí)體圖

1.2 單元的選擇與劃分

有限元分析常用的三維實(shí)體單元有六面體單元和四面體單元。由于六面體單元在單元?jiǎng)澐謺r(shí)要求結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，對(duì)于復(fù)雜零件用六面體網(wǎng)格進(jìn)行自動(dòng)劃分時(shí)十分困難，而用四面體單元分析三維結(jié)構(gòu)，單元?jiǎng)澐趾莒`活，可以逼近較復(fù)雜的幾何形狀，并且各種軟件的四面體網(wǎng)格自動(dòng)劃分功能已相當(dāng)成熟。本次設(shè)計(jì)在計(jì)算時(shí)選用Solid45單元。

1.3 有限元模型網(wǎng)格的劃分

主車架的形狀比較大而且很不規(guī)則，網(wǎng)格劃分的比較細(xì)，則單元數(shù)增加，計(jì)算量較大;網(wǎng)格劃分的較大，則其中一些小尺寸的圓弧、倒角等有可能劃分單元出錯(cuò)。因此，采用了自適應(yīng)智能網(wǎng)格劃分的方法對(duì)零件進(jìn)行整體智能網(wǎng)格劃分，劃分時(shí)將網(wǎng)格大小設(shè)為9。圖2為車架網(wǎng)格模型圖，共有106634個(gè)節(jié)點(diǎn)，350790個(gè)單元。

1.4 施加載荷及邊界條件

履帶式排灌車工作時(shí)，所有支重輪承受支座反力，車架的載荷主要有柴油機(jī)、傳動(dòng)系、中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、混流泵的重力以及出水管的水柱對(duì)車架的后坐力等，將這幾個(gè)載荷加載并進(jìn)行必要的簡化，均布在車架4根橫梁上的8塊平板上，載荷設(shè)為2.5×103kg，平板的總面積是0.127m2，作用在平板上總壓力是19.4MPa，邊界條件采用了極限條件下的工況，即所有支重輪安裝處的X、Y、Z三個(gè)方向自由度全部約束住。此時(shí)車架的載荷及邊界條件見圖3。

圖3 車架的外加載荷及邊界條件

1.5 材料參數(shù)

選用的材料參數(shù)應(yīng)與真實(shí)材料參數(shù)相符合。碳素結(jié)構(gòu)鋼是建筑及工程用非合金結(jié)構(gòu)鋼，價(jià)格低廉，工藝性能優(yōu)良，用于制造一般工程結(jié)構(gòu)及普通機(jī)械零件。通常熱軋成扁平成品或各種型鋼，一般不經(jīng)過熱處理，在熱軋狀態(tài)下直接使用，考慮到制造成本，選用碳素結(jié)構(gòu)鋼作為車架的材質(zhì)。

經(jīng)綜合考慮，本試驗(yàn)樣機(jī)采用材質(zhì)為:Q235A。其彈性模量為2.06×105MPa，密度為7.8×103kg·m－3，泊松比為 0.3，屈服強(qiáng)度為235MPa，其材料屬性為各項(xiàng)同性且是線彈性的。

2 主車架的靜力特性分析

邊界條件采用了極限條件下的工況，即所有支重輪安裝處的X、Y、Z三個(gè)方向自由度全部約束住，由Ansys系統(tǒng)對(duì)車架進(jìn)行受力分析計(jì)算，得到車架的應(yīng)力和應(yīng)變分布，再經(jīng)后置處理，輸出等效應(yīng)變和應(yīng)力云圖。

2.1 應(yīng)力分析

圖4為車架的應(yīng)力分布云圖。顯示紅色區(qū)域或接近紅色的區(qū)域是應(yīng)力集中的地方，從應(yīng)力分布圖可見，車架的應(yīng)力較小，最大應(yīng)力發(fā)生在液壓馬達(dá)安裝架和縱梁交接處，最大應(yīng)力為95.3MPa。

圖4 車架的應(yīng)力分布云圖

2.2 應(yīng)變分析

圖5為車架的應(yīng)變分布云圖。從應(yīng)變分布圖可見，車架的最大應(yīng)變，發(fā)生在液壓馬達(dá)安裝架和縱梁的交接處，此處的最大變形為0.48mm。

圖5 車架的應(yīng)變分布云圖

3 主車架的模態(tài)分析

履帶式排灌車的主要振源來自于柴油機(jī)，同時(shí)履帶式排灌車在行走時(shí)由于地面不平和在抽水作業(yè)時(shí)由于混流泵振動(dòng)都會(huì)對(duì)車架形成激勵(lì)，這些都對(duì)履帶式排灌車的使用造成影響。為了保證履帶式排灌車的工作安全性，只考慮車架的靜剛度是不夠的，還必須同時(shí)考慮車架的動(dòng)態(tài)特性，避免激勵(lì)振源與車架產(chǎn)生共振。當(dāng)激勵(lì)振源的激振頻率與車架的某一固有頻率接近時(shí)，就有可能引起共振，從而產(chǎn)生很大的動(dòng)應(yīng)力，造成車架結(jié)構(gòu)的破壞或產(chǎn)生不允許的大變形，影響車架的性能［3，4］。

在車架的模態(tài)分析中，使用前面已建立的有限元網(wǎng)格模型，計(jì)算車架在自由狀態(tài)下的固有頻率和振型，提取車架的前10階模態(tài)。將車架的模態(tài)分析分成車架不加約束時(shí)的模態(tài)分析和帶約束的模態(tài)分析。

對(duì)車架不加約束時(shí)的模態(tài)分析，各階頻率見表1。在不加約束進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，得到前4階固有頻率為0，這些為0的固有頻率表現(xiàn)為剛體模態(tài)。車架最接近柴油機(jī)的激振頻率(20－30Hz)的是第7階頻率61.525 Hz，但也有一定差距，因而所設(shè)計(jì)的車架在工作過程中一般不會(huì)引起整個(gè)車輛的共振而造成破壞。

表1 車架不加約束時(shí)各階頻率

對(duì)車架進(jìn)行帶約束的模態(tài)分析，約束仍然按靜力分析中的約束，模型見圖6，得到車架各階頻率見表2。

圖6 加約束進(jìn)行模態(tài)分析的模型

表2 車架加約束后各階頻率

經(jīng)過對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)分析可知，車架最小固有頻率為240.89Hz，遠(yuǎn)大于柴油機(jī)的激振頻率(20－30Hz)，因而所設(shè)計(jì)的車架在工作過程中一般不會(huì)引起整個(gè)車輛的共振而造成破壞。

4 主車架的優(yōu)化方案

通過對(duì)所設(shè)計(jì)車架的模態(tài)分析可知，本次設(shè)計(jì)車架的最小固有頻率大于柴油機(jī)的激振頻率(20－30Hz)，因而所設(shè)計(jì)的車架在工作過程中一般不會(huì)引起整個(gè)車輛的共振而造成破壞。在靜力學(xué)分析中車架整體絕大部分應(yīng)力和應(yīng)變都較小，只有液壓馬達(dá)安裝架和與車架的縱梁交接處存在最大應(yīng)力和應(yīng)變，分別為95.3MPa和0.48mm，因此對(duì)液壓馬達(dá)安裝架結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部優(yōu)化就可以。

出現(xiàn)應(yīng)力和應(yīng)變相對(duì)于其他部位較大的最主要原因是因?yàn)檫B接處相對(duì)于其他部位的剛性較弱，可適當(dāng)增加連接處安裝平板和幾處加強(qiáng)筋板的厚度，安裝平板原來厚55mm增加為60mm，加強(qiáng)筋的底邊原來是55mm增加為60mm，優(yōu)化后的液壓馬達(dá)安裝架結(jié)構(gòu)如圖7所示，這樣提高了聯(lián)接處的剛度，使車架整體受力更加均勻，達(dá)到了優(yōu)化的效果。

圖7 優(yōu)化后的液壓馬達(dá)安裝架

5 結(jié)語

本文在分析履帶式工作車輛工作情況的基礎(chǔ)上利用有限元分析軟件Ansys建立主車架的有限元模型，進(jìn)行剛度、強(qiáng)度校核，體現(xiàn)了有限元分析設(shè)計(jì)快速、準(zhǔn)確、高效的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上對(duì)車架模型進(jìn)行了約束模態(tài)分析，做出了主車架的模態(tài)分析，對(duì)產(chǎn)生最大應(yīng)力和應(yīng)變的部位，提出優(yōu)化方案，為試驗(yàn)樣機(jī)的制造打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］肖文生.基于ANSYS WORKBENCH的壓裂車主副車架有限元靜態(tài)分析［J］.技術(shù)論壇，2012(4):81－83.

［2］陳思棟.履帶式車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2010(12):18－20.

［3］包丕利，石傳龍.貨車車架的建模與模態(tài)分析［J］.教育教學(xué)論壇，2012(10):98－99.

［4］劉新田.基于有限元的汽車車架靜態(tài)分析［J］.上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(6):112－116.