自卸汽車(chē)舉升三角臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元及試驗(yàn)分析

苑伍德 羅昆 楊成倫 劉大維

摘要：? 為進(jìn)行自卸汽車(chē)舉升機(jī)構(gòu)三角臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，本文以某重型自卸汽車(chē)T式舉升機(jī)構(gòu)為例，運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件Adams，建立舉升機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型，得到舉升機(jī)構(gòu)三角臂各鉸接點(diǎn)位置的作用力，并應(yīng)用HyperMesh有限元分析軟件，建立以板殼單元為基本單元的三角臂結(jié)構(gòu)有限元模型，分析了最大載荷工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。為驗(yàn)證所建有限元模型的正確性，建立舉升結(jié)構(gòu)應(yīng)變電測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)，提取三角臂關(guān)鍵點(diǎn)位的等效應(yīng)力。研究結(jié)果表明，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相比，關(guān)鍵點(diǎn)位的相對(duì)誤差為3.42%～15.55%，表明該三角臂有限元模型及分析方法是正確可行的。該研究為舉升機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步改進(jìn)提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：? 自卸汽車(chē); 舉升機(jī)構(gòu); 三角臂; 有限元; 應(yīng)力試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)： U469.4; U463.92? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

自卸汽車(chē)是通過(guò)液壓油缸驅(qū)動(dòng)舉升機(jī)構(gòu)，將車(chē)箱傾斜到一定角度自行卸載貨物，靠自身重力使車(chē)箱回位的專(zhuān)用汽車(chē)。舉升機(jī)構(gòu)作為自卸汽車(chē)上的重要工作系統(tǒng)之一，其性能的好壞將直接影響自卸汽車(chē)的使用性能[1] 。自卸汽車(chē)通常在路況比較惡劣的環(huán)境下工作，對(duì)舉升機(jī)構(gòu)中各零部件的強(qiáng)度有很高的要求，因此，對(duì)其關(guān)鍵部件舉升三角臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析非常必要。對(duì)于舉升機(jī)構(gòu)三角臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，許多學(xué)者和企業(yè)進(jìn)行了大量研究，主要采用有限元仿真分析和試驗(yàn)分析兩種方法，但將兩種方法結(jié)合在一起進(jìn)行分析的研究[2 17] 卻非常少。對(duì)舉升機(jī)構(gòu)三角臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)分析的正確度高，但在研發(fā)過(guò)程中結(jié)構(gòu)如需多次改進(jìn)，則每次都要加工出物理樣機(jī)在臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)，耗費(fèi)大量的人力物力，設(shè)計(jì)和分析的循環(huán)周期較長(zhǎng)，成本較高。而有限元仿真分析以其高效和實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)越來(lái)越受開(kāi)發(fā)者的青睞，但由于建模過(guò)程中力學(xué)模型的簡(jiǎn)化與實(shí)際結(jié)構(gòu)存在差異，導(dǎo)致仿真計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)際相比誤差較大。因此，采用有限元仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法可使分析結(jié)果更為準(zhǔn)確[18] ?；诖?，本文采用有限元和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)某企業(yè)新研制的自卸汽車(chē)T式舉升機(jī)構(gòu)的三角臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行研究，以確保該構(gòu)件的使用可靠性。該研究為進(jìn)一步改進(jìn)自卸汽車(chē)的舉升結(jié)構(gòu)提供了參考依據(jù)。

1 自卸汽車(chē)舉升機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型建立

1.1 T式舉升機(jī)構(gòu)工作原理

本研究以某重型自卸汽車(chē)T式舉升機(jī)構(gòu)為例，T式舉升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。T式舉升機(jī)構(gòu)主要由三角臂ABC、液壓油缸CD和拉桿臂BE組成，點(diǎn)O是車(chē)箱與副車(chē)架后翻轉(zhuǎn)支座的鉸接點(diǎn)。舉升機(jī)構(gòu)工作時(shí)，高壓油液經(jīng)過(guò)液壓系統(tǒng)進(jìn)入液壓油缸，油缸活塞桿受油液推力向上伸長(zhǎng)，從而驅(qū)動(dòng)三角臂以及拉桿臂順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)舉升車(chē)箱，舉升到一定角度后實(shí)現(xiàn)貨物的卸載;卸載完成后，液壓油缸停止進(jìn)油，油缸活塞桿開(kāi)始回縮，依靠自重使車(chē)箱復(fù)位。

1.2 自卸汽車(chē)T式舉升機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)建模

由于Adams軟件中提供的三維實(shí)體建模功能較弱，對(duì)于舉升機(jī)構(gòu)這種復(fù)雜的幾何模型很難達(dá)到理想的建模效果[19 20] 。因此，本文首先在Pro/E軟件中建立自卸車(chē)的三維實(shí)體模型，通過(guò)parasiold數(shù)據(jù)內(nèi)核，將模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到動(dòng)力學(xué)分析軟件Adams中。為減少在Adams中運(yùn)動(dòng)副的數(shù)量，防止過(guò)約束情況的出現(xiàn)，需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將固結(jié)在一起的零件，通過(guò)布爾運(yùn)算合并成一個(gè)構(gòu)件，并對(duì)舉升機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型添加約束和驅(qū)動(dòng)等，在Adams軟件中，建立自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型。自卸車(chē)T式舉升機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型如圖2所示。

由圖2可以看出，三角臂與車(chē)箱前支點(diǎn)對(duì)應(yīng)的鉸接點(diǎn)位置用旋轉(zhuǎn)副約束;車(chē)箱后支點(diǎn)與副車(chē)架對(duì)應(yīng)的鉸接點(diǎn)位置用旋轉(zhuǎn)副約束;三角臂與拉桿之間用旋轉(zhuǎn)副約束;三角臂與油缸推桿對(duì)應(yīng)的鉸接點(diǎn)位置用旋轉(zhuǎn)副約束;拉桿與副車(chē)架對(duì)應(yīng)的鉸接點(diǎn)位置用旋轉(zhuǎn)副約束;液壓油缸與副車(chē)架對(duì)應(yīng)的鉸接點(diǎn)位置用旋轉(zhuǎn)副約束;油缸推桿與液壓油缸之間用滑移副約束。為舉升機(jī)構(gòu)各構(gòu)件添加質(zhì)量參數(shù)，設(shè)置沿坐標(biāo)軸 Y方向的重力參數(shù)，完成自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型的建立。

1.3 舉升機(jī)構(gòu)三角臂作用力仿真分析

仿真計(jì)算時(shí)，最大舉升角為48°，裝載量為30 t，舉升過(guò)程通過(guò)液壓缸和活塞桿之間移動(dòng)副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)仿真分析計(jì)算，三角臂各鉸接點(diǎn)作用力隨舉升時(shí)間變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出，三角臂各鉸接點(diǎn)的作用力隨著舉升時(shí)間達(dá)到最大值后逐漸減小，由于仿真時(shí)采用不卸載的方式，各鉸接點(diǎn)的作用力無(wú)法減小到0。

2 舉升機(jī)構(gòu)三角臂的有限元強(qiáng)度分析

2.1 舉升機(jī)構(gòu)三角臂的有限元模型建立

通過(guò)有限元分析軟件HyperMesh，完成三角臂有限元計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分，由于舉升機(jī)構(gòu)的三角臂均由板殼單元組成，因此三角臂主要采用邊長(zhǎng)為4 mm的混合板殼單元（shell）進(jìn)行劃分，與拉桿臂和車(chē)箱鉸接點(diǎn)的位置采用邊長(zhǎng)為4 mm的六面體單元（Solid）劃分。三角臂中各單元之間主要采用焊接的方式連接在一起，在Hypermesh中，運(yùn)用焊接單元（Spotweld）進(jìn)行模擬。舉升三角臂的材料為Q345鋼，舉升三角臂力學(xué)參數(shù)如表1所示。

整個(gè)三角臂的有限元模型由102 397個(gè)單元和105 999個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，三角臂有限元模型如圖4所示。

2.2 邊界條件的確定和載荷的施加

在三角臂有限元模型中，拉桿和車(chē)箱約束點(diǎn)確定在鉸接點(diǎn)中心節(jié)點(diǎn)處，三角臂與拉桿鉸接點(diǎn)約束沿x、z方向的平動(dòng)自由度和沿y、z方向的旋轉(zhuǎn)自由度，三角臂與車(chē)箱的鉸接點(diǎn)約束x、y、z方向的平動(dòng)自由度和沿y、z方向的旋轉(zhuǎn)自由度。得到三角臂在舉升過(guò)程中所受的最大應(yīng)力，從Adams中求出的力作為載荷，載荷按照三角臂與油缸鉸接點(diǎn)處作用力的最大值施加。

2.3 三角臂靜態(tài)強(qiáng)度有限元計(jì)算結(jié)果及分析

三角臂受力最大時(shí)的應(yīng)力分布云圖如圖為5所示。由圖5可以看出，應(yīng)力主要集中在三角臂上邊板和下邊板處，其中在三角臂的下邊板靠近拉桿銷(xiāo)孔的焊接處某一位置的應(yīng)力值較大，應(yīng)力值最大為228 MPa，小于材料的屈服極限。三角臂局部應(yīng)力放大圖如圖6所示。為驗(yàn)證仿真模型及分析方法的正確性，還需要進(jìn)行應(yīng)力試驗(yàn)。根據(jù)有限元分析結(jié)果，選取圖5所示的幾個(gè)點(diǎn)位作為三角臂應(yīng)變片的粘貼位置。

3 舉升機(jī)構(gòu)三角臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)

3.1 舉升機(jī)構(gòu)應(yīng)變電測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)

舉升機(jī)構(gòu)應(yīng)變電測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)測(cè)量、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，舉升機(jī)構(gòu)應(yīng)變電測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示。

各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變信號(hào)由應(yīng)變傳感器通過(guò)武漢英泰斯特電子技術(shù)有限公司的16通道動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集，并通過(guò)LabView軟件記錄在筆記本電腦中，采集后得到的應(yīng)變信號(hào)采用北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所的Dasp信號(hào)分析軟件進(jìn)行處理。

依據(jù)有限元分析結(jié)果布置應(yīng)變片位置，由于三角臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主應(yīng)變方向難以確定，因此布置6個(gè)45°電阻應(yīng)變花，三角臂應(yīng)變花布置如圖8所示。

試驗(yàn)采用的45°電阻應(yīng)變花，其最大主應(yīng)力σ1 和最小主應(yīng)力σ2 分別為

σ1= E 2（1-μ） （εa+εc）+ E 2 （1+μ） （εa-εb） 2+（εb-εc） 2? （1）

σ2= E 2（1-μ） （εa+εc）- E 2 （1+μ） （εa-εb） 2+（εb-εc） 2? （2）

根據(jù)第四強(qiáng)度理論，得電阻應(yīng)變花的等效應(yīng)力為

σ= （σ1-σ2） 2 2 + （σ2-σ3） 2 2 + （σ3-σ1） 2 2? （3）

而對(duì)于平面問(wèn)題，當(dāng)σ3 =0時(shí)，化簡(jiǎn)得

σ= E 2? （εa+εc） 2 （1-μ） 2 + 6 （1+μ） 2 [（εa-εb） 2+（εb-εc） 2]? （4）

式中，E為彈性模量;μ為泊松比;εa ，εb 和εc 分別表示0°，45°和90°這3個(gè)方向上的應(yīng)變。

3.2 三角臂應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果與分析

三角臂應(yīng)力試驗(yàn)在某專(zhuān)用汽車(chē)企業(yè)液壓試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，采用不卸載的方式，舉升角為22°，裝載量為30 t。 實(shí)驗(yàn)獲得各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變分析原理進(jìn)行分析，三角臂各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線如圖9所示。由圖9可以看出，在舉升過(guò)程中，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力隨著舉升時(shí)間逐漸增加，達(dá)到最大值后減小，在0.35 s時(shí)，出現(xiàn)應(yīng)力最大值（舉升角度為0.7°）。

3.3 有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)獲得了自卸汽車(chē)舉升三角臂各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力最大值和有限元計(jì)算得到的應(yīng)力數(shù)值，與有限元計(jì)算結(jié)果比較如表2所示。由表2可以看出，三角臂各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力有限元計(jì)算值和試驗(yàn)值非常接近，相對(duì)誤差為3.42%～15.55%。說(shuō)明本研究所建立三角臂結(jié)構(gòu)有限元模型和分析方法是正確的，很好地反映三角實(shí)際結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度特性，為三角臂結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以某重型自卸汽車(chē)T式舉升機(jī)構(gòu)為例，對(duì)自卸汽車(chē)舉升三角臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元模型進(jìn)行研究。通過(guò)建立舉升機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型以及三角臂有限元分析模型，得到三角臂在其最大載荷工況下的應(yīng)力分布，解決了舉升過(guò)程中極限應(yīng)力分布區(qū)域難以確定的問(wèn)題。為驗(yàn)證所建仿真模型的正確性，對(duì)三角臂關(guān)鍵點(diǎn)位進(jìn)行了應(yīng)力試驗(yàn)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度很好，表明所建立的仿真模型以及分析方法正確可行。研究結(jié)果為舉升機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步改進(jìn)提供參考依據(jù)。

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Finite Element and Experimental Analysis of Strength of Dump Truck Lifting Triangle Arm

YUAN Wude1 ， LUO Kun1 ， YANG Chenglun2 ， LIU Dawei1

（1. School of Electromechanic Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China; 2. China National Heavy Duty Truck Group Qingdao Heavy Industry Co， Ltd， Qingdao 266031， China）

Abstract：? In order to analyze the structural strength of the triangular arm of a dump truck lifting mechanism， this paper takes a heavy dump truck T-lifting mechanism as an example and uses the multi-body dynamics analysis software Adams to establish a virtual prototype model of the lifting mechanism to obtain the lift. The force of each hinge point of the triangle arm of the mechanism is applied to the HyperMesh finite element analysis software to establish the finite element model of the triangle arm structure with the plate and shell element as the basic unit， and the structural strength under the maximum load condition is analyzed. In order to verify the correctness of the constructed finite element model， a strain electrical test system of the lifting structure is established， and the equivalent stress of the key points of the triangular arm is extracted. The research results show that the relative error of the key points between the finite element calculation results and the experimental test results is 3.42%～15.55%， which indicates that the established finite element model and analysis method of the triangular arm are correct and feasible. This research provides a reference for the strength analysis and structural improvement of the lifting mechanism.

Key words： dump truck; lifting mechanism; triangle arm; finite element; stress test