基于ANSYS Work bench的KD3900自卸貨車車架有限元分析

陳陽

（1.常州工學(xué)院機(jī)械與車輛學(xué)院，江蘇常州213002；2.江蘇省數(shù)字化電化學(xué)加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州213002）

基于ANSYS Work bench的KD3900自卸貨車車架有限元分析

陳陽1，2

（1.常州工學(xué)院機(jī)械與車輛學(xué)院，江蘇常州213002；2.江蘇省數(shù)字化電化學(xué)加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州213002）

自卸貨車由于載重量大、卸貨方便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于運(yùn)輸行業(yè)中。以K D3900自卸貨車車架為研究對象，利用ANSYS Workb e n c h平臺對車架承受最大載荷情況時(shí)進(jìn)行了力學(xué)分析，得到了車架的M I SE和變形分布，并計(jì)算了K D3900自卸貨車車架五階固有頻率和振型，其結(jié)果可為K D3900自卸貨車車架設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

自卸貨車；有限元；車架

車架是汽車上重要的承載部件，車架承受車輛所傳遞的各種載荷，一般由兩根縱梁和幾根橫梁組成，經(jīng)由懸掛裝置﹑前橋﹑后橋支承在車輪上。由于重型汽車行使路況差、隨機(jī)振動大等原因，車架使用過程中必須有足夠的強(qiáng)度和剛度來承受汽車的載荷和從車輪傳來的沖擊，因而對車架的設(shè)計(jì)和使用提出了更高的要求。多年來國內(nèi)外學(xué)者對重型汽車車架的力學(xué)性能進(jìn)行了大量的研究，取得了很多重要成果。陳娜娜以某礦用電動輪自卸車車架為研究對象，基于車架實(shí)體幾何模型，給出了車架結(jié)構(gòu)的精細(xì)化有限元模型，設(shè)計(jì)了兩種車架焊縫結(jié)構(gòu)有限元建模方案，在正常勻速行駛邊界條件下，分別對各方案模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析[1]。宋年秀等人采用有限元分析軟件MSCNas tran，對重型載貨車車架的不同狀態(tài)（光車架、裝前懸、裝前后懸）進(jìn)行了靜彎強(qiáng)度和剛度分析，得出了其應(yīng)力分布圖，并與測試值進(jìn)行了比較，得出了車架結(jié)構(gòu)的合理性，分析了車架的前18階模態(tài)特性，得出了其固有頻率和振型[2]。朱立鵬在CATIA中建立K36重型自卸汽車車架幾何模型，并運(yùn)用Hyper Mesh軟件轉(zhuǎn)化為有限元模型，同時(shí)提出了多層板結(jié)構(gòu)的建模及連接關(guān)系處理方法，利用ANSYS對滿載時(shí)彎曲和扭轉(zhuǎn)工況進(jìn)行了靜力學(xué)分析和模態(tài)分析[3]。王錄山等人通過建立車架系統(tǒng)的有限元模型，計(jì)算分析了該車架在7種載荷工況時(shí)的應(yīng)力分布及其固有模態(tài)，發(fā)現(xiàn)該車架縱梁應(yīng)力較小，具有進(jìn)行輕量化改進(jìn)的潛力且具有較好的模態(tài)特性[4]。任杰鍶等人以越野車車架為研究對象，采用ANSYS軟件建立了與某越野車車架結(jié)構(gòu)充分近似的車架三維模型，并根據(jù)模態(tài)分析理論對其進(jìn)行了有限元模態(tài)分析，獲得了該車架的前六階模態(tài)參數(shù)，理論值與實(shí)驗(yàn)值比較表明車架能夠在一定程度上避免共振現(xiàn)象[5]。由于重型汽車車架使用工況復(fù)雜，載荷大，其車架力學(xué)性能分析對于提高車架設(shè)計(jì)具有著重要的意義?；诖吮疚囊訩D3900自卸貨車車架為研究對象，建立車架有限元模型，通過力學(xué)分析研究車架強(qiáng)度和剛度情況，并開展模態(tài)分析，其結(jié)果可為車架設(shè)計(jì)者提供有力的理論依據(jù)和參考。

1 KD3900自卸貨車車架有限元建模

1.1 ANSYS Work bench概述

ANSYS Workbench是通過對產(chǎn)品研發(fā)流程中仿真環(huán)境的開發(fā)與實(shí)施，搭建一個(gè)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、集成多學(xué)科異構(gòu)CAE技術(shù)的仿真系統(tǒng)。以產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM為核心，組建一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品研制虛擬仿真團(tuán)隊(duì)，基于產(chǎn)品數(shù)字虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研制的并行仿真和異地仿真。

1.2 KD3900自卸貨車車架有限元模型

通過在PRO/E下建立KD3900自卸貨車車架幾何模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench有限元平臺，選取三角形單元自由劃分網(wǎng)格，劃分后的網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 KD3900自卸貨車車架有限元模型

KD3900自卸貨車車架各個(gè)橫梁和縱梁是由65Mn彈簧鋼組成，其彈性模量E為2.10×105MPa，泊松比為0.3，密度ρ為7.85×10-6MPa，屈服極限為340 MPa.

1.3 載荷計(jì)算

車架載荷主要包括:聯(lián)接到車架的部件如車身、發(fā)動機(jī)、油箱、電瓶等對車架的支反力，采用集中力的形式加到相應(yīng)的支架上，貨箱質(zhì)量及汽車的載重量，以均布力的方式作用于車架，具體載荷為：經(jīng)過簡化計(jì)算后，車架前端部分承受駕駛室載荷為9 600 N，車架后端承受載荷為900 000 N.

1.4 邊界處理

KD3900自卸貨車車架邊界處理如圖2所示，根據(jù)實(shí)際工況約束與車架接觸面的自由度，按照車架前后端計(jì)算載荷進(jìn)行加載處理。

圖2 KD3900自卸貨車車架邊界處理

2 KD3900自卸貨車車架有限元分析結(jié)果

2.1 KD3900自卸貨車車架M IS E分布

圖3是車架在90 t載重作用下經(jīng)過有限元計(jì)算的MISE分布，從圖中可以看出MISE分布不均勻，最大MISE出現(xiàn)在KD3900自卸貨車車廂與車架接觸部位，其最大值為165.084 MPa，MISE最大值沒有超過車架材料的屈服極限，也說明車架設(shè)計(jì)是合理，在強(qiáng)度上是足夠的。

圖3 KD3900自卸貨車車架MIS E分布

2.2 KD3900自卸貨車車架變形分布

圖4是車架在90 t載重作用下經(jīng)過有限元計(jì)算的變形分布，從圖中可以看出變形分布不均勻，變形沿著接觸位置依次減小，最大變形出現(xiàn)在KD3900自卸貨車車廂與車架接觸部位，其最大值為0.532mm，結(jié)果表明車架剛度也符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 KD3900自卸貨車車架變形分布

2.3 KD3900自卸貨車車架剪切應(yīng)力分布

圖5是車架在90t載重作用下經(jīng)過有限元計(jì)算的剪切應(yīng)力分布，從圖中可以看出剪切應(yīng)力分布不均勻，最大剪切應(yīng)力分布仍然出現(xiàn)在KD3900自卸貨車車廂與車架接觸部位，其最大值為88.985MPa，當(dāng)KD3900自卸貨車在轉(zhuǎn)彎時(shí)會受到側(cè)向力的作用，此時(shí)剪切應(yīng)力如果超過材料極限，將會使車架發(fā)生破壞，因而計(jì)算剪切應(yīng)力對于評判車輛轉(zhuǎn)彎安全具有著一定的意義。

圖5 KD3900自卸貨車車架剪切應(yīng)力分布

3 KD3900自卸貨車車架模態(tài)分析

3.1 KD3900自卸貨車車架前三階模態(tài)

KD3900自卸貨車車架使用工況條件復(fù)雜，在實(shí)際中機(jī)械振動的動載荷增大，有害的振動會降低KD3900自卸貨車車架壽命，如果出現(xiàn)共振將會導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故，因而研究其固有頻率和振型可以有效防止共振現(xiàn)象發(fā)生，對KD3900自卸貨車車架設(shè)計(jì)有著重要的意義。

圖6是根據(jù)自由模態(tài)計(jì)算得到的KD3900自卸貨車車架第一階固有頻率和振型，其固有頻率為0.385 649 Hz，振型為在XOZ平面微量振動。

圖6 KD3900自卸貨車車架第一階頻率與振型

圖7 是根據(jù)自由模態(tài)計(jì)算得到的KD3900自卸貨車車架第二階固有頻率和振型，其固有頻率為1.355 Hz，振型為XOY平面繞中心扭轉(zhuǎn)振動。

圖7 KD3900自卸貨車車架第二階頻率與振型

圖8 是根據(jù)自由模態(tài)計(jì)算得到的KD3900自卸貨車車架第三階固有頻率和振型，其固有頻率為1.831 3 Hz，振型為在Y軸方向上下振動。

圖8 KD3900自卸貨車車架第三階頻率與振型

3.2 KD3900自卸貨車車架五階模態(tài)

從表1可以看出KD3900自卸貨車車架隨著階數(shù)增大，其振動頻率也隨之增大，振型變化不同。

表1 KD39000自卸貨車車架五階模態(tài)

4 結(jié)束語

（1）ANSYSWorkbench有限元平臺為分析KD 3900自卸貨車車架性能提供了有利的工具，分析結(jié)果貼近實(shí)際；

（2）本文分析結(jié)果所得到的KD3900自卸貨車車架強(qiáng)度和剛度可為車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠地理論依據(jù)；

（3）KD3900自卸貨車車架模態(tài)頻率和振型結(jié)果可為車架動態(tài)設(shè)計(jì)提供參考。

[1]陳娜娜.大型礦用自卸車車架結(jié)構(gòu)有限元建模研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2015，15（1）：309-314.

[2]宋年秀，劉祥斌，王雅莉，等.基于MSC.Nastran的重型載貨車車架有限元強(qiáng)度分析和模態(tài)分析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2013，3（3）：57-62.

[3]朱立鵬.重型自卸車K36車架有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2011，28（2）:73-76.

[4]王錄山，王國權(quán)，張紅松，等.重載自卸車車架強(qiáng)度的有限元分析[J].北京信息科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25（2）：58-61.

[5]任杰鍶，董小瑞.基于ANSYSWORKBENCH的某越野車車架有限元分析[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，36（4）：428-433.Finite Element Analysis of KD3900 Dump Truck Frame Based on ANSYS Workbench

CHEN Yang1，2
（1.Departmentof Mechanics and Vehicle，Changzhou Institute of Technology，Changzhou Jiangsu 213002，China；2.Key Laboratory of Jiangsu Province Mold Electrochemical Machining，Changzhou Jiangsu 213002，China）

Due to load weight and easy unloading，it is widely used for dump truck in transportation industry. The mechanical analysis for KD3900 dump truck frame is done under maximum load conditions by using ANSYS Workbench platform in this paper，the distribution of MISE and deformmation are obtained. At the same time，five natural frequencies and mode shapes of KD3900 dump truck frame are analyzed，which the results provide a theoretical basis for dump truck frame designer.

dump truck；finite element；frame

T H122

A

1672-545X（2016）09-0035-03

2016-06-19

陳陽（1981-），男，江蘇常州人，本科，工程師，研究方向：現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)。