基于ANSYS Work bench的KD3900自卸貨車(chē)車(chē)架有限元分析

陳陽(yáng)

（1.常州工學(xué)院機(jī)械與車(chē)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(chē)車(chē)架有限元分析

陳陽(yáng)1，2

（1.常州工學(xué)院機(jī)械與車(chē)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(chē)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(chē)車(chē)架為研究對(duì)象，利用ANSYS Workb e n c h平臺(tái)對(duì)車(chē)架承受最大載荷情況時(shí)進(jìn)行了力學(xué)分析，得到了車(chē)架的M I SE和變形分布，并計(jì)算了K D3900自卸貨車(chē)車(chē)架五階固有頻率和振型，其結(jié)果可為K D3900自卸貨車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

自卸貨車(chē)；有限元；車(chē)架

車(chē)架是汽車(chē)上重要的承載部件，車(chē)架承受車(chē)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(chē)輪上。由于重型汽車(chē)行使路況差、隨機(jī)振動(dòng)大等原因，車(chē)架使用過(guò)程中必須有足夠的強(qiáng)度和剛度來(lái)承受汽車(chē)的載荷和從車(chē)輪傳來(lái)的沖擊，因而對(duì)車(chē)架的設(shè)計(jì)和使用提出了更高的要求。多年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)重型汽車(chē)車(chē)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(dòng)輪自卸車(chē)車(chē)架為研究對(duì)象，基于車(chē)架實(shí)體幾何模型，給出了車(chē)架結(jié)構(gòu)的精細(xì)化有限元模型，設(shè)計(jì)了兩種車(chē)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(duì)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(duì)重型載貨車(chē)車(chē)架的不同狀態(tài)（光車(chē)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(cè)試值進(jìn)行了比較，得出了車(chē)架結(jié)構(gòu)的合理性，分析了車(chē)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(chē)車(chē)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(duì)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(guò)建立車(chē)架系統(tǒng)的有限元模型，計(jì)算分析了該車(chē)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(chē)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(chē)車(chē)架為研究對(duì)象，采用ANSYS軟件建立了與某越野車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)充分近似的車(chē)架三維模型，并根據(jù)模態(tài)分析理論對(duì)其進(jìn)行了有限元模態(tài)分析，獲得了該車(chē)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(chē)架能夠在一定程度上避免共振現(xiàn)象[5]。由于重型汽車(chē)車(chē)架使用工況復(fù)雜，載荷大，其車(chē)架力學(xué)性能分析對(duì)于提高車(chē)架設(shè)計(jì)具有著重要的意義?；诖吮疚囊訩D3900自卸貨車(chē)車(chē)架為研究對(duì)象，建立車(chē)架有限元模型，通過(guò)力學(xué)分析研究車(chē)架強(qiáng)度和剛度情況，并開(kāi)展模態(tài)分析，其結(jié)果可為車(chē)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(chē)車(chē)架有限元建模

1.1 ANSYS Work bench概述

ANSYS Workbench是通過(guò)對(duì)產(chǎn)品研發(fā)流程中仿真環(huán)境的開(kāi)發(fā)與實(shí)施，搭建一個(gè)具有自主知識(shí)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(chē)車(chē)架有限元模型

通過(guò)在PRO/E下建立KD3900自卸貨車(chē)車(chē)架幾何模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench有限元平臺(tái)，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(chē)車(chē)架有限元模型

KD3900自卸貨車(chē)車(chē)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(chē)架載荷主要包括:聯(lián)接到車(chē)架的部件如車(chē)身、發(fā)動(dòng)機(jī)、油箱、電瓶等對(duì)車(chē)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(chē)的載重量，以均布力的方式作用于車(chē)架，具體載荷為：經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化計(jì)算后，車(chē)架前端部分承受駕駛室載荷為9 600 N，車(chē)架后端承受載荷為900 000 N.

1.4 邊界處理

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

圖2 KD3900自卸貨車(chē)車(chē)架邊界處理

2 KD3900自卸貨車(chē)車(chē)架有限元分析結(jié)果

2.1 KD3900自卸貨車(chē)車(chē)架M IS E分布

圖3是車(chē)架在90 t載重作用下經(jīng)過(guò)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(chē)車(chē)廂與車(chē)架接觸部位，其最大值為165.084 MPa，MISE最大值沒(méi)有超過(guò)車(chē)架材料的屈服極限，也說(shuō)明車(chē)架設(shè)計(jì)是合理，在強(qiáng)度上是足夠的。

圖3 KD3900自卸貨車(chē)車(chē)架MIS E分布

2.2 KD3900自卸貨車(chē)車(chē)架變形分布

圖4是車(chē)架在90 t載重作用下經(jīng)過(guò)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(chē)車(chē)廂與車(chē)架接觸部位，其最大值為0.532mm，結(jié)果表明車(chē)架剛度也符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 KD3900自卸貨車(chē)車(chē)架變形分布

2.3 KD3900自卸貨車(chē)車(chē)架剪切應(yīng)力分布

圖5是車(chē)架在90t載重作用下經(jīng)過(guò)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(chē)車(chē)廂與車(chē)架接觸部位，其最大值為88.985MPa，當(dāng)KD3900自卸貨車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)受到側(cè)向力的作用，此時(shí)剪切應(yīng)力如果超過(guò)材料極限，將會(huì)使車(chē)架發(fā)生破壞，因而計(jì)算剪切應(yīng)力對(duì)于評(píng)判車(chē)輛轉(zhuǎn)彎安全具有著一定的意義。

圖5 KD3900自卸貨車(chē)車(chē)架剪切應(yīng)力分布

3 KD3900自卸貨車(chē)車(chē)架模態(tài)分析

3.1 KD3900自卸貨車(chē)車(chē)架前三階模態(tài)

KD3900自卸貨車(chē)車(chē)架使用工況條件復(fù)雜，在實(shí)際中機(jī)械振動(dòng)的動(dòng)載荷增大，有害的振動(dòng)會(huì)降低KD3900自卸貨車(chē)車(chē)架壽命，如果出現(xiàn)共振將會(huì)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(duì)KD3900自卸貨車(chē)車(chē)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(chē)車(chē)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(dòng)。

圖6 KD3900自卸貨車(chē)車(chē)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(chē)車(chē)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(dòng)。

圖7 KD3900自卸貨車(chē)車(chē)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(chē)車(chē)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(dòng)。

圖8 KD3900自卸貨車(chē)車(chē)架第三階頻率與振型

3.2 KD3900自卸貨車(chē)車(chē)架五階模態(tài)

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

表1 KD39000自卸貨車(chē)車(chē)架五階模態(tài)

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）ANSYSWorkbench有限元平臺(tái)為分析KD 3900自卸貨車(chē)車(chē)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(chē)車(chē)架強(qiáng)度和剛度可為車(chē)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(chē)車(chē)架模態(tài)頻率和振型結(jié)果可為車(chē)架動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供參考。

[1]陳娜娜.大型礦用自卸車(chē)車(chē)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(chē)車(chē)架有限元強(qiáng)度分析和模態(tài)分析[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2013，3（3）：57-62.

[3]朱立鵬.重型自卸車(chē)K36車(chē)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(guó)權(quán)，張紅松，等.重載自卸車(chē)車(chē)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(chē)車(chē)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(yáng)（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)。