基于ANSYS Workbench的平臺車車架應力分析

閆金順　劉臣　樊鵬　王茂軍

摘 要：大承載安裝平臺車具有定位精度高、操作簡單、運動方式靈活可靠等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)大型設備生產(chǎn)制造過程中的高效轉(zhuǎn)運及精確定位。平臺車車架的結(jié)構(gòu)強度與剛度影響其承載狀態(tài)下的應力及應變分布，從而影響安裝平臺車的工作安全性及定位精度。該文用Solidworks軟件建模，采用有限元法建立安裝平臺車車架有限元靜力學分析模型，利用ANSYS Workbench軟件對平臺車車架結(jié)構(gòu)進行有限元分析，計算了額定載荷條件下車架的應力分布及變形情況，驗證了車架結(jié)構(gòu)設計的可行性，提出了車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化思路。

關(guān)鍵詞：平臺車 有限元法 ANSYS Workbench 應力

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（c）-0056-02

隨著我國軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，如何實現(xiàn)大型設備制造業(yè)生產(chǎn)過程的轉(zhuǎn)運及精確定位成為限制該行業(yè)生產(chǎn)效率提高的一個重要因素。目前軌道交通領(lǐng)域通常采用氣墊車、叉車、轉(zhuǎn)向輪式升降車等協(xié)助完成大型結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)，但上述設備存在不同程度的不足。針對現(xiàn)有設備的不足，某廠研制了一種由車體模塊，升降模塊和控制模塊3部分組成的安裝平臺車，可用于軌道交通領(lǐng)域大型結(jié)構(gòu)件在生產(chǎn)制造過程中的轉(zhuǎn)運、下料、焊接、機加、裝配等環(huán)節(jié)，最大載重5 t，具有定位精度高、操作簡單、運動方式靈活可靠等優(yōu)點。

1 建模

1.1 安裝平臺車車體結(jié)構(gòu)

該安裝平臺車車體模塊采用全向智能移動裝備系列產(chǎn)品，可實現(xiàn)全向自驅(qū)移動，包括直行、平移、原地旋轉(zhuǎn)和任意角度轉(zhuǎn)彎等移動要求。車體模塊主要由車架、全向輪組、旋轉(zhuǎn)吊環(huán)、蒙皮等組成。其中車架是車體模塊的基礎(chǔ)框架，也是車體模塊最主要的承力部件，車架重1 000 kg，車架外形尺寸為3 000 mm×2 100 mm。車架采用的方鋼管截面尺寸為80 mm×80 mm×5 mm，材質(zhì)選用Q345B低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，車架內(nèi)側(cè)4根水平橫梁為主承載梁。全向輪組結(jié)構(gòu)采用成熟的400系列麥克納姆輪結(jié)構(gòu)，單輪設計載荷2.5 t，減速器選用行星齒輪減速器。輪組的最大輸出力矩為1 600 N·m，最大轉(zhuǎn)速21 r/min，最大移動速度0.5 m/s。利用Solidworks軟件對安裝平臺車車體模塊進行建模，如圖1所示。

1.2 有限元分析模型

建立有限元模型即給建好的平臺車車體三維模型添加材料屬性并進行網(wǎng)格劃分，靜態(tài)應力分析包括施加載荷和約束邊界條件，并對應力和總變形進行求解。該文中不考慮全向輪的受力問題，重點對安裝平臺車車架結(jié)構(gòu)應力分布進行研究，網(wǎng)格劃分只針對安裝平臺車車架。作為有限元分析的前處理環(huán)節(jié)，網(wǎng)格劃分對整個有限元分析的精度影響甚大，良好的網(wǎng)格劃分質(zhì)量，有利于保證最終各物理場的計算精度。該文中網(wǎng)格劃分選擇Auto Sweep if possible方式，得到了車架的六面體網(wǎng)格，節(jié)點總數(shù)470 889，網(wǎng)格總數(shù)123 622，安裝平臺車車架網(wǎng)格模型如圖2所示。

2 平臺車車架受力分析

2.1 Workbench簡介

ANSYS Workbench軟件以項目流程圖的方式，將各種數(shù)值模擬方法集成到統(tǒng)一平臺中，進而實現(xiàn)了與其他主流CAD軟件（如Pro/e、CATIA、UG）的數(shù)據(jù)之間的無縫連接，各個相對獨立的分析系統(tǒng)，通過可以互聯(lián)的數(shù)據(jù)，將復雜的CAD三維模型所構(gòu)造的有限元模型導入分析系統(tǒng)中，然后進行參數(shù)設置、載荷施加和約束定義后，通過內(nèi)置求解器進行分析計算。

2.2 施加約束及載荷

該安裝平臺車工作時，車架內(nèi)側(cè)的4根水平橫梁為主承載梁，施加5 t載荷，定義材料屬性，彈性模量2×105，泊松比0.3，屈服強度345 MP。平臺車固定時，車架承受靜載荷，由車架的自身質(zhì)量及有效載荷組成。對于額定載重5 t的安裝平臺車車架靜載荷的分布按照部件的質(zhì)量大小和安裝位置進行處理，有效載荷按照集中載荷在主承載橫梁上進行分配，車架質(zhì)量簡化為均布載荷。定義了約束和載荷后，對車架應力及變形量分布進行計算機求解。

2.3 平臺車車架應力分析

由圖3車架應力分布云圖可知，在5 t載荷的作用下，最大應力位于車架內(nèi)側(cè)主承載橫梁與車體兩側(cè)支撐柱的連接處，應力極大值為196.76 MP；由圖4車架變形量分布云圖可知，車架前后兩端處的變形最小，主承載橫梁中部區(qū)域變形量最大，變形極大值為0.29 192 mm。

為保證安裝平臺車車架的承載可靠性及定位精度，對平臺車車架在大載荷作用下的變形控制是非常重要的。由模擬結(jié)果可知，平臺車車架的變形主要分布在主承載橫梁中部，故可以考慮適當增加主承載橫梁下方的支撐柱數(shù)量，同時增加主承載橫梁的壁厚，提高車架系統(tǒng)的總體剛度；保證主承載橫梁與車體兩側(cè)支撐柱之間的連接質(zhì)量，有利于減小應力集中對車架結(jié)構(gòu)強度的影響。

3 結(jié)語

利用Solidworks軟件對安裝平臺車建模，應用有限元分析軟件ANSYS Workbench對安裝平臺車車架結(jié)構(gòu)應力場、變形場求解，輸出各物理場分布云圖，分析模擬結(jié)果，探討車架結(jié)構(gòu)上最大應力、最大變形的分布情況，提出了車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化思路。

參考文獻

[1] 范開英，沈蘭華.基于ANSYS Workbench的橋式起重機小車架有限元分析[J].機械工程師，2015（4）：108-110.

[2] 張進國，程曉輝，孫敬宜.基于ANSYS的汽車車架結(jié)構(gòu)有限元分析[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車，2006（5）：63-64.

[3] 高衛(wèi)民，王宏雁.汽車結(jié)構(gòu)分析有限元法[J].汽車研究與開發(fā)，2000（6）：30-32.