基于Workbench的汽車起重機(jī)平衡梁強(qiáng)度分析

撰文/方曉南吳程晨湯正翔

■1.511434 廣州汽車集團(tuán)乘用車有限公司 廣東 廣州■2.350000 福建省閩建機(jī)械有限公司 福建 福州■3.350000 富地紅華動(dòng)力（武漢）有限責(zé)任公司 湖北 武漢

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基于Workbench的汽車起重機(jī)平衡梁強(qiáng)度分析

撰文/方曉南1吳程晨2湯正翔3

■1.511434 廣州汽車集團(tuán)乘用車有限公司 廣東 廣州
■2.350000 福建省閩建機(jī)械有限公司 福建 福州
■3.350000 富地紅華動(dòng)力（武漢）有限責(zé)任公司 湖北 武漢

摘要：利用 Workbench對(duì)一款汽車起重機(jī)平衡梁的強(qiáng)度進(jìn)行了分析，得到平衡梁的受力情況和性能參數(shù)。從而確定危險(xiǎn)截面所在位置，并且進(jìn)行強(qiáng)度校核，分析結(jié)果為起重機(jī)平衡梁的設(shè)計(jì)提供參考。關(guān)鍵詞：汽車起重機(jī)；平衡梁；Workbench

中小噸位汽車起重機(jī)平衡梁是焊接在機(jī)架兩大梁之間的結(jié)構(gòu)件，作為行駛中主要的承載部件，它對(duì)其上的板簧支座、鋼板彈簧、車架及整機(jī)重量起著支撐作用［1］-［2］。本文以汽車起重機(jī)平衡梁為例，建立平衡梁模型，導(dǎo)入Workbench仿真平臺(tái)中進(jìn)行對(duì)其靜態(tài)特性進(jìn)行靜力分析與模態(tài)分析，獲得平衡梁各部位的最大變形量及最大等效應(yīng)力，用以驗(yàn)證在該平衡梁結(jié)構(gòu)是否滿足強(qiáng)度要求。

Workbench靜力結(jié)構(gòu)分析與模態(tài)分析

線性靜力結(jié)構(gòu)分析用于分析結(jié)構(gòu)在靜力載荷作用下的響應(yīng)。一般情況下人們比較關(guān)注的是結(jié)構(gòu)的位移、約束反力、應(yīng)力以及應(yīng)變等參數(shù)，以獲得危險(xiǎn)截面所在位置，并對(duì)危險(xiǎn)截面進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算，這些結(jié)果對(duì)于指導(dǎo)平衡梁的設(shè)計(jì)研究有著非常重要的作用［3］-［5］。

ANSYS在處理結(jié)構(gòu)力學(xué)線性問(wèn)題時(shí)，將有限元模型分成有限個(gè)單元，位移和時(shí)間有關(guān)，以｛u｝表示單元上的節(jié)點(diǎn)位移列向量，它是時(shí)間的函數(shù)，用矩陣表示則動(dòng)力學(xué)方程為［6］：

其中，［M］是質(zhì)量矩陣，［C］是阻尼矩陣，［K］是剛度矩陣，｛u｝是節(jié)點(diǎn)位移矢量，｛F｝是載荷力向量，它的不同特征決定了不同分析類型。

在線性靜力結(jié)構(gòu)分析中，忽略與時(shí)間相關(guān)項(xiàng)，于是從式（1）得到下面的方程式：

在研究一個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，用σ1、σ2、σ3表示該點(diǎn)的3個(gè)主應(yīng)力，并以σ1表示最大主應(yīng)力，σ3表示最小主應(yīng)力，即σ1＞σ2＞σ3，且這3個(gè)應(yīng)力遵循材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論［7］。

在應(yīng)力分析當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)滿足以下假設(shè)條件：K矩陣必須是連續(xù)的；相應(yīng)的材料需要滿足線彈性和小變形理論要求。在靜力分析中，力矢量F為靜載荷，可以不考慮慣性（如質(zhì)量、阻尼等）對(duì)其影響；Von Mises等效應(yīng)力σr可以表示為：

零部件材料強(qiáng)度需要具備的條件為：σr≤［σ］。其中，［σ］為材料許用應(yīng)力極限值；σ1、σ2、σ3為某點(diǎn)的3向主應(yīng)力。

平衡梁模型建立

采用PRO/E進(jìn)行幾何建模，為了保證求解精度與單元質(zhì)量、并且節(jié)省求解時(shí)間，在建模的過(guò)程中對(duì)平衡梁模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化是必要的，結(jié)合平衡梁的結(jié)構(gòu)特征與受力特點(diǎn)，忽略對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小的孔、實(shí)體邊緣的倒角、圓角和圓孔臺(tái)階等幾何因素。

單元和網(wǎng)格劃分和材料屬性

將在PRO/E中生成的平衡梁模型導(dǎo)入到Workbench中進(jìn)行有限元分析。汽車起重機(jī)平衡梁所用材料為ZG310-570，屈服極限為310MPa，材料屬性為：密度ρ=7.8e-6kg/mm3、楊氏模量E=2.1e5MPa；泊松比μ=0.3，為了保證計(jì)算精度并減少計(jì)算量，采用20節(jié)點(diǎn)solid186六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，網(wǎng)格大小為12mm，離散后的有限元模型共64103個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元數(shù)目為16588。

施加載荷及約束

由于平衡梁工作時(shí)受力相當(dāng)于簡(jiǎn)支梁，因此在約束兩端圓孔周圍節(jié)點(diǎn)的徑向位移和軸向位移，在中間圓孔下表面施加88000N的載荷。

有限元計(jì)算及結(jié)果分析

各種云圖能清晰直觀地反映出平衡梁的應(yīng)力和變形的分布狀況，最大應(yīng)力出現(xiàn)在加載圓孔的下邊和兩端圓孔圓弧段和直線段的交界處，位移最大點(diǎn)出現(xiàn)在平橫梁的中間位置，這與理論計(jì)算結(jié)果是一致的。最大應(yīng)力值為192.18MPa，可見(jiàn)目前該結(jié)構(gòu)是滿足強(qiáng)度和剛度要求，并有較大的安全系數(shù)。

結(jié)論

本文通過(guò)運(yùn)用大型有限元軟件ANSYS對(duì)汽車起重機(jī)平衡梁進(jìn)行了有限元靜力學(xué)分析，系統(tǒng)的闡述了有限元分析的整個(gè)過(guò)程，從幾何模型到應(yīng)力云圖的獲得，得出了一系列的計(jì)算結(jié)果。通過(guò)對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)平衡梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)有著非常重要的指導(dǎo)作用。

參考：

［1］成凱，黃奎英，推土機(jī)平衡梁和車架縱梁的工作應(yīng)力測(cè)定與分析，工程機(jī)械 1997.9.

［2］滑翔.SD8 推土機(jī)平衡梁強(qiáng)度有限元分析［D］.杭州：吉林大學(xué)，2005.

［3］付玲，許純新.推土機(jī)平衡梁高精度有限元分析及試驗(yàn)研究.工程機(jī)械1997.9 .

［4］趙少汴等，抗疲勞設(shè)計(jì)方法與數(shù)據(jù) 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 1997.1.

［5］鄭永強(qiáng)，D6D 推土機(jī)平衡梁載荷及應(yīng)力測(cè)定.天津工程機(jī)械研究所編優(yōu)秀論文集 1996.

［6］王晶，神會(huì)存.三輪摩托車車架的有限元分析［J］.中原工學(xué)院學(xué)報(bào)，20（5）：29-31.

［7］劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2006.