一種連接車(chē)體的鉸接裝置的有限元受力分析

劉佼龍　楊冠男

摘 要：采用有限元處理軟件HYPERMESH進(jìn)行建模，采用HyperWorks自帶的大型非線性有限元求解器RADIOSS對(duì)此鉸接裝置進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，校核強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：鉸接裝置；有限元強(qiáng)度分析；非線性理論

1 概述

此鉸接裝置是用于低地板車(chē)輛兩模塊之間重要的連接部件。

本次分析根據(jù)產(chǎn)品三維圖和車(chē)體載荷輸出，采用目前世界上最通用的有限元處理軟件HYPERMESH進(jìn)行建模，最后采用HyperWorks自帶的大型非線性有限元求解器RADIOSS進(jìn)行計(jì)算。

建立詳細(xì)的有限元模型需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，選擇合適的單元，合理模擬實(shí)際連接連接情況，下面進(jìn)行分別討論。

建模過(guò)程中對(duì)下列問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)化：圓角、倒角以及工藝凹槽等結(jié)構(gòu)中尺寸相對(duì)較小的局部細(xì)節(jié)將影網(wǎng)格質(zhì)量，處于低應(yīng)力區(qū)的這些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)予以忽略，高應(yīng)力區(qū)則不能忽略。

單元選擇：該結(jié)構(gòu)件不完全對(duì)稱(chēng)，為了準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)的受力情況，取整體結(jié)構(gòu)建立有限元力學(xué)模型。由于鉸接裝置結(jié)構(gòu)件厚度大部分都在4mm以上，厚度較厚，細(xì)長(zhǎng)處較少，故在建立有限元模型時(shí)采用六面體單位CHEXA，該單元上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有6個(gè)自由度，分別為沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z方向的移動(dòng)和繞X、Y、Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 有限元建模

有限元建模：結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析是用來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)在固定不變的載荷的作用下的響應(yīng)，也就是由穩(wěn)態(tài)外載引起的系統(tǒng)或部件的位移、應(yīng)力、應(yīng)變或力，結(jié)構(gòu)靜力分析不考慮慣性和阻尼的影響，但是靜力分析卻可以分析那些固定不變的慣性載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，以及那些可以近似為靜力作用的隨時(shí)間變化的載荷。結(jié)構(gòu)靜力分析中，由于只是分析計(jì)算由那些不包括慣性和阻尼效應(yīng)的載荷作用下的結(jié)構(gòu)或部件的位移、應(yīng)力和應(yīng)變，因此一般都假定載荷和響應(yīng)固定不變。靜力分析中施加的載荷包括外部施加的作用力和壓力、穩(wěn)態(tài)的慣性力（如重力和離心力）和位移載荷等。

第四強(qiáng)度理論認(rèn)為，單元體的均方根剪應(yīng)力是引起材料屈服破壞的主要因素。鉸接裝置結(jié)構(gòu)的主要是鋼，材料的失效以材料發(fā)生塑性變形為標(biāo)志。因此對(duì)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度校核可根據(jù)第四強(qiáng)度理論選擇VON Mises應(yīng)力來(lái)判斷結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

有限元模型如圖2所示。

如圖2所示整個(gè)固定鉸由5大件構(gòu)成：安裝座1、連接銷(xiāo)、關(guān)節(jié)外圈、關(guān)節(jié)軸、安裝座2，其中安裝座1、安裝座2通過(guò)底部8個(gè)通用螺栓孔連接在車(chē)體壁上，它們之間則通過(guò)關(guān)節(jié)軸承與銷(xiāo)連接。每個(gè)部件均按照實(shí)際情況賦予材料，安裝座與銷(xiāo)均為鍛件，楊氏模量為2.12E5MPa，泊松比為0.28。該材料的屈服強(qiáng)度為930MPa，極限強(qiáng)度為1080MPa。為了保證計(jì)算精度，對(duì)整個(gè)構(gòu)件都按照5mm劃分網(wǎng)格。本次有限元模型總結(jié)點(diǎn)數(shù)為42292個(gè)，總單元數(shù)為34890個(gè)。

單鉸下部固定鉸載荷，如表1所示。

如表1所示單鉸下部固定鉸共需計(jì)算兩種工況。（-為壓力；+為拉力）

建模說(shuō)明：針對(duì)產(chǎn)品實(shí)際使用情況，本次分析采用非線性算法進(jìn)行計(jì)算。對(duì)安裝座1的8個(gè)安裝孔的所有單元進(jìn)行完全固定，約束單元的6個(gè)自由度。對(duì)安裝座的2的8個(gè)安裝孔只約束住5個(gè)自由度，釋放X軸向自由度，也就是能讓安裝座橫向傳遞力給軸承。本次分析共建立了7個(gè)非線性接觸連接，用來(lái)模擬實(shí)際運(yùn)行時(shí)軸承之間、銷(xiāo)與安裝座之間的配合。銷(xiāo)軸與安裝座空位之間采用間隙接觸，關(guān)節(jié)軸承與銷(xiāo)軸之間采用過(guò)盈接觸。考慮到實(shí)際使用情況，本次分析在受力底座端面建立RB3剛性單元，對(duì)安裝座底部受力端面建立RB3單元進(jìn)行綁定，然后整體施加力，實(shí)際加載情況見(jiàn)圖3、圖4中的靜應(yīng)力云圖。

3 計(jì)算結(jié)果

在上述有限元網(wǎng)格、邊界條件和載荷作用下，采用RADIOSSS求解器對(duì)結(jié)構(gòu)件兩種工況進(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析，下面展現(xiàn)分析結(jié)果。

序號(hào)1工況分析結(jié)果，如圖3所示。

由圖3可知整個(gè)部件的VON Mise應(yīng)力值在序號(hào)1工況下最大值為316MPa，最大形變?yōu)?.19mm，形變十分微小且應(yīng)力值遠(yuǎn)低于安裝座材料的許用應(yīng)力808MPa，關(guān)節(jié)軸承的許用應(yīng)力700MPa，滿足強(qiáng)度要求。

序號(hào)2工況分析結(jié)果，如圖3所示。

由圖4可知整個(gè)部件的VON Mise應(yīng)力值在序號(hào)2工況下最大值為461MPa，最大形變?yōu)?.28mm，形變十分微小且應(yīng)力值遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)力808MPa，關(guān)節(jié)軸承的許用應(yīng)力700MPa，滿足強(qiáng)度要求。

4 工況分析總結(jié)

綜上所述工況分析可知，在目前的工況下該部件能滿足強(qiáng)度要求，且最大應(yīng)力均發(fā)生在關(guān)節(jié)軸承處。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：劉佼龍（1987-），男，助理工程師，本科，湖南工業(yè)大學(xué)，機(jī)械工程及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，2010年至今主要從事機(jī)械開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)方面的工作。