智能噴霧車駕駛室強(qiáng)度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

申江峰 何玉靜 余泳昌

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450002）

人們在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不僅要求高的工作效率和質(zhì)量，而且對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中安全性的要求也越來越高。本文根據(jù)這一觀點(diǎn)把有限元理論應(yīng)用在智能噴霧車駕駛室的設(shè)計(jì)上，確保駕駛員在駕駛室中能夠安全地工作。傳統(tǒng)的駕駛室由于在幾何建模時(shí)采用了過多的簡化處理，使得計(jì)算結(jié)果不夠精確，在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)往往采用偏于安全的放大，來彌補(bǔ)理論設(shè)計(jì)誤差的影響，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)工，而且造成資源的過度消耗?，F(xiàn)代產(chǎn)品正朝著高速、高效、高精度、高性能、低成本等方向發(fā)展，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已無法滿足現(xiàn)在的需求。近年來，在數(shù)值分析方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持下，有限元分析方法為解決這些復(fù)雜的計(jì)算問題提供了有效的途徑，即使在解決復(fù)雜工程問題時(shí)也不需做很多簡化，而且速度快、計(jì)算精度高，在實(shí)際工程應(yīng)用中，有限元分析軟件和CAD系統(tǒng)的集成應(yīng)用使得設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍。本文應(yīng)用非線性有限元方法和彈塑性理論對拖拉機(jī)駕駛室的安全強(qiáng)度進(jìn)行了分析和預(yù)估，以期能實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段對拖拉機(jī)駕駛室進(jìn)行安全強(qiáng)度預(yù)估［1-2］。

1 駕駛室的安全強(qiáng)度準(zhǔn)則

駕駛室是駕駛員工作的一個(gè)關(guān)鍵位置，保證駕駛室的安全既保證了駕駛員的人身安全同時(shí)也能保證噴霧車的正常行駛和工作。因此，在發(fā)生落物事故時(shí)，駕駛室能保護(hù)駕駛員不被下落物體擊中；在發(fā)生翻車事故時(shí)，遇到較軟的地面保護(hù)結(jié)構(gòu)能夠扎入地面并支撐機(jī)器的自重，遇到硬地面時(shí)保護(hù)結(jié)構(gòu)能發(fā)生塑形變形吸收沖擊量，并能承受一定的載荷，保證駕駛室留有足夠的空間，這就是其安全準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則和駕駛室的強(qiáng)度和剛度有關(guān)，因而要對駕駛室的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析［3］。

1.1 強(qiáng)度分析

強(qiáng)度是指材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。而強(qiáng)度分析是結(jié)構(gòu)在常溫條件下承受載荷的能力。然而對空間幾何結(jié)構(gòu)來說，需要計(jì)算它的3個(gè)主應(yīng)力，即σ1、σ2、σ3。通過應(yīng)力強(qiáng)度理論分析可計(jì)算出等效應(yīng)力，而強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求可以通過材料失效準(zhǔn)則來判定。

由于其他不可預(yù)料因素，通常情況下則會(huì)對其結(jié)構(gòu)預(yù)留強(qiáng)度儲(chǔ)備，即安全系數(shù)S。針對結(jié)構(gòu)不同的使用場合和設(shè)計(jì)要求，安全系數(shù)S 會(huì)有所不同，故產(chǎn)生了許用應(yīng)力。許用應(yīng)力是材料極限強(qiáng)度與安全系數(shù)的比值，即

駕駛室在受到?jīng)_擊的情況下，駕駛室受到的應(yīng)力σ應(yīng)小于等于許用應(yīng)力［σ］，即σ≤［σ］。

1.2 剛度分析

剛度是指材料或結(jié)構(gòu)在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力，是材料或結(jié)構(gòu)彈性變形難易程度的一個(gè)象征。剛度分析是計(jì)算結(jié)構(gòu)在受力時(shí)產(chǎn)生的彈性變形是否在允許的限度內(nèi)。例如，結(jié)構(gòu)零件會(huì)出現(xiàn)以下情況：零件本身并沒有超出許用強(qiáng)度，只是內(nèi)部零件間產(chǎn)生了干涉，從而導(dǎo)致產(chǎn)品失效。這說明結(jié)構(gòu)剛度不足，在滿足強(qiáng)度要求時(shí)并不一定也滿足了剛度要求。因此，零件剛度分析也尤為重要。

若要確定結(jié)構(gòu)是否變形，首先需要對其進(jìn)行剛度分析。結(jié)構(gòu)剛度受許多因素影響，它的變形也受結(jié)構(gòu)本身形狀的影響而有所不同，同時(shí)也與結(jié)構(gòu)材料的性能有關(guān)。因此，在實(shí)現(xiàn)同種功能的兩個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，有時(shí)使用材料少的產(chǎn)品具有較好的剛度效能［4-5］。

1.3 應(yīng)力與應(yīng)變

應(yīng)力是指單位面積上所承受的力，而應(yīng)變是材料在載荷作用下其形狀和尺寸發(fā)生變化的一種現(xiàn)象，它可以用變形量與原來尺寸的比值來表示。

若要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變計(jì)算，需要對對應(yīng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析。應(yīng)力與變形都與載荷有關(guān)，其間也必然有一定的關(guān)聯(lián)，于是引入了應(yīng)變這一概念。假如長度為l，彈性模量為E，橫截面積為A 的構(gòu)件在載荷p的作用下發(fā)生大小δ的變形。

應(yīng)變?chǔ)艦闃?gòu)件單位長度的變形量，為無單位物理量，其表達(dá)式為：

式中：δ為構(gòu)件的變形量；

l為構(gòu)件的原長。

應(yīng)力δ與載荷橫截面積有如下關(guān)系：

式中：P為構(gòu)件截面承受的載荷；

A為構(gòu)件受力面積。

應(yīng)力與應(yīng)變存在如下關(guān)系:

式中：E為材料的彈性模量.

根據(jù)以上公式即可推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)在載荷作用下的變形:

如果設(shè)定k=A*E/L，則可以推導(dǎo)出P=k*δ，如果k為常數(shù)，那么構(gòu)件的變形量與載荷大小成正比，這也就是著名的胡克定律。

通過對材料數(shù)據(jù)的輸入、約束的定義以及網(wǎng)格的劃分，計(jì)算機(jī)可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣，再依據(jù)剛度與載荷的關(guān)系推導(dǎo)出應(yīng)變和變形，最后再根據(jù)材料的本構(gòu)關(guān)系計(jì)算出單元的應(yīng)力。

2 駕駛室模型的建立

2.1 三維模型的建立

利用solidworks 軟件中的焊件和鈑金命令創(chuàng)建駕駛室的三維模型，如圖1。駕駛室主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：駕駛室框架長度為2 040mm，駕駛室頂寬為740mm，底寬為1 050mm，采用40X40X4的方鋼為標(biāo)準(zhǔn)件，頂部、前部、后部、底部均為鋼板，底板與車架固連在一起。

圖1 駕駛室三維模型

2.2 網(wǎng)格劃分、定義材料及單元模型

將3D 實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS Workbench［6-8］中，然后建立坐標(biāo)系統(tǒng)，劃分網(wǎng)格單元數(shù)后為45 868個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為269 922個(gè)，如圖2所示。

圖2 駕駛室網(wǎng)格劃分

單元類型為：采用三維20個(gè)節(jié)點(diǎn)的B4固定結(jié)構(gòu)單元，該單元通過20個(gè)節(jié)點(diǎn)來定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)沿著x、y、z平行的自由度，可具有任意空間的各向異性，當(dāng)單元退化為四面體或正四面體時(shí)，則相應(yīng)的退化形函數(shù)被自動(dòng)使用。

駕駛室框架、底板材料為優(yōu)質(zhì)碳素鋼08AL，頂板、后板、前圍采用20號(hào)鋼。所用材料的密度為7.85×103kg/m3，彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.3，08AL的抗拉強(qiáng)度為325MPa，屈服極限為195MPa，20 號(hào)鋼的抗拉強(qiáng)度為410MPa，屈服極限為245MPa［6］。

3 有限元分析過程及結(jié)果

本文采用智能噴霧車的質(zhì)量為3 000kg，按照下表進(jìn)行駕駛室實(shí)驗(yàn)?zāi)M。

表1 駕駛室安全強(qiáng)度驗(yàn)收條件

3.1 側(cè)向加載仿真過程

底板固定，將側(cè)向載荷施加在駕駛室框架側(cè)面，且載荷中心距底板面600mm，直至駕駛室吸收的能量達(dá)到1.75m，即1.75×3 000=5 250J 時(shí)為止。在加載過程中，若有構(gòu)件侵入駕駛室，或者應(yīng)力達(dá)到許用應(yīng)力，則駕駛室強(qiáng)度不合格，停止計(jì)算。加載后得到的側(cè)壓應(yīng)力云圖如圖3，側(cè)壓應(yīng)變云圖如圖4，側(cè)壓變形云圖如圖5。

綜上所述，側(cè)壓加載時(shí)，駕駛室在達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的承載能力過程中沒有任何構(gòu)件侵入，因此結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足性能要求。

3.2 前壓加載仿真過程

底板固定，將前向載荷施加在駕駛室前圍鋼板上，且載荷中心距底板面300mm，載荷大小為20X3 000=60 000N。與此同時(shí)，在駕駛室框架斜面鋼架上施加均布載荷2Mpa。在加載過程中，若有構(gòu)件侵入駕駛室，或者應(yīng)力達(dá)到許用應(yīng)力，則駕駛室強(qiáng)度不合格，停止計(jì)算。加載后得到的前壓應(yīng)力云圖如圖6，前壓應(yīng)變云圖如圖7，前壓變形云圖如圖8［7-8］。

圖3 駕駛室側(cè)壓應(yīng)力云圖

圖4 駕駛室側(cè)壓應(yīng)變云圖

圖5 駕駛室側(cè)壓變形云圖

由上圖可知，加載結(jié)束后最大位移為26mm，駕駛室構(gòu)件未被發(fā)現(xiàn)侵入安全區(qū)；最大應(yīng)變?yōu)?.002 6，遠(yuǎn)小于失效塑性應(yīng)變；最大應(yīng)力為267MPa，與斷裂極限相差較大。因此其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足性能要求。

圖6 駕駛室前壓應(yīng)力云圖

圖7 駕駛室前壓應(yīng)變云圖

圖8 駕駛室前壓變形云圖

4 結(jié)論

在前壓和側(cè)壓仿真過程中，噴霧車駕駛室骨架承受的應(yīng)力、應(yīng)變均在安全范圍內(nèi)，但駕駛室局部變形量偏大，有必要對其進(jìn)行優(yōu)化，以提高安全可靠性。通過對駕駛室進(jìn)行改進(jìn)，在載荷不變的情況下，給駕駛室增加一部分筋，從而為駕駛室的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。

［1］GB/T19498-2004.農(nóng)林拖拉機(jī)防護(hù)裝置靜態(tài)試驗(yàn)方法和驗(yàn)收技術(shù)條件［S］.洛陽：全國拖拉機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，2004.

［2］劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［3］二代龍工作室.SolidWorks2009，高級(jí)設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

［4］余海明，田立勝.汽車制動(dòng)踏板的有限元分析［J］.汽車科技，2009（3）:58-60.

［5］李德信，呂江濤，應(yīng)錦春.SX360 型自卸車車架有限元分析模型的建立及動(dòng)靜態(tài)特性分析［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2002，21（3）:380-386.

［6］關(guān)長明，錢立君，吳陽年.一種輕型卡車車架的輕量化設(shè)計(jì)［J］.北京汽車，2008（3）：25-27.

［7］陳家瑞.汽車構(gòu)造［M］.吉林：人民交通出版社，2006:181-182.

［8］李一鳴，何鋒.基于Workbench的重型貨車駕駛室強(qiáng)度分析［J］.現(xiàn)代機(jī)械，2013（5）:68-71.