D型與雙C型車架材料力學性能對比

郭丹輝

摘 要：礦車動態(tài)用計算可以采用D級路面或者更惡劣的路況進行多體動力學模擬，但在礦車眾多構(gòu)件的動態(tài)參數(shù)無法準確獲得，動態(tài)計算只能作為一種參考，并且用等效靜態(tài)載荷的方式施加，即要在前減振器上施加阻尼力。為了深入分析礦車車架應力分布，根據(jù)礦用自卸車設計中的分析需求和目前車架分析水平，本文重點對比D型與雙C型車架材料力學性能。

關鍵詞：D型車架材料；雙C型車架；力學性能；典型工況

中圖分類號：TG333 文獻標識碼：A

0.引言

車架的各種等效受載工況，包括典型靜態(tài)工況和極限工況。典型等效靜態(tài)工況包括：滿載靜止、最大加速啟動、重載高速緊急制動、舉升、急轉(zhuǎn)彎、平路勻速行駛；極限工況包括：考慮動荷系數(shù)的勻速滿載行駛、路面不平導致輪胎沉陷或者抬起、下坡制動、偏載下坡等工況。因此，礦用車在運用過程中，其車架的受力情況是很復雜的，基于此，必須重點探討D型與雙C型車架材料力學性能。

1.對比D型與雙C型車架有限元模型

1.1 建立有限元模型

為了獲得準確的車架在各個工況下的應力分布，此次分析建立了礦用自卸車板殼單元有限元模型（shell 181），這種單元類型的有限元模型比梁單元能更加真實具體地反應車架的應力分布。殼單元shell 181單元說明：Shell 181適用于薄到中等厚度的殼結(jié)構(gòu)。該單元有4個節(jié)點，單元每個節(jié)點有6個自由度，分別為沿節(jié)點X，Y，Z方向的平動及繞節(jié)點X，Y，Z軸的轉(zhuǎn)動。退化的三角形選項用于網(wǎng)格生成的過渡單元。Shell 181單元具有應力剛化及大變形功能。該單元有強大的非線性功能，并有截面數(shù)據(jù)定義、分析、可視化等功能，還能定義復合材料多層殼。Shell 181殼單元的截面定義了垂直于殼X-Y平面的形狀。通過截面命令可以定義Z方向連續(xù)層，每層的厚度、材料、鋪層角及積分點數(shù)都可以不同。

1.2 對比分析截面的有限元

截取等長度的部分車架縱梁模型，按照相同的網(wǎng)格密度劃分網(wǎng)格，在模型的兩端施加全約束，中間部位施加相同的集中力，有限元計算結(jié)果如圖1和圖2所示。

1.3 對比分析結(jié)果

1.3.1 對比變形

雙C焊縫結(jié)構(gòu)比雙厚度變形增加12.5%，雙C焊縫結(jié)構(gòu)比D型結(jié)構(gòu)變形增加19.8%；分析其應力情況可知，雙C焊縫結(jié)構(gòu)比雙厚度應力增加2.9%，雙C焊縫結(jié)構(gòu)比D型結(jié)構(gòu)應力增加26.8%。不論對比變形還是應力最大值，雙C焊縫結(jié)構(gòu)>雙C雙厚度>D型結(jié)構(gòu)。

雙C焊縫結(jié)構(gòu)和雙C雙厚度的材料為510L，屈服極限350MPa，抗拉強度510MPa～630MPa；D型結(jié)構(gòu)的材料為Q460CFD，屈服極460MPa，抗拉強度500MPa～680MPa，從材料上來說，雙C結(jié)構(gòu)都沒有D型結(jié)構(gòu)使用起來安全。

1.3.2 對比慣性矩

雙C焊縫結(jié)構(gòu)和雙厚度的對比系數(shù)p=雙C焊縫結(jié)構(gòu)最大變形值/雙C雙厚度最大變形值=0.702e-4/0.614e-4=1.14mm；由公式可知，抗彎剛度與Iyy成反比，雙C雙厚度的慣性矩Iyy=0.440e-3；雙C焊縫結(jié)構(gòu)的慣性矩Iyy=雙C雙厚度/對比系數(shù)=0.385e-3。

D型結(jié)構(gòu)Iyy（0.42e-3）>雙C焊縫結(jié)構(gòu)Iyy（0.385e-3），從截面慣性矩Iyy上來說，實際應用的雙C焊縫結(jié)構(gòu)沒有D型結(jié)構(gòu)使用起來安全。

2.對比D型與雙C型車架材料力學法計算結(jié)果

2.1 力學模型簡化及彎矩圖

將車架作如下簡化為如圖3所示的形式，A為前橋中心，B為后橋平衡軸位置中心，C為車架尾部后銷軸。F1為車架上表面施加的集中載荷主要為發(fā)動機、駕駛室、舉升油缸和油箱自重，大小為總重的一半11320N，其中F2-F6為橡膠墊上的均布力，各為146226N，F(xiàn)7為后銷軸承擔的載荷151872N。

2.2 分析結(jié)果

2.2.1 D型梁車架的最大彎矩

D型截面慣性矩為0.42，D型截面的抗彎模量為1.71，由彎曲應力計算公式可得224.5MPa，位于后橋平衡軸中心位置。

2.2.2 雙C型車架的最大彎矩

雙C型截面慣性矩為0.44，考慮到焊縫對截面慣性矩的影響，雙C焊縫結(jié)構(gòu)的慣性矩Iyy=雙C雙厚度/對比系數(shù)=0.385 e-3。雙C型截面的抗彎模量為1.57，由彎曲應力計算公式可得244.6MPa，位于后橋平衡軸中心位置。

2.2.3 結(jié)果

經(jīng)上述分析可得，D型梁車架的抗彎截面系數(shù)比雙C焊縫結(jié)構(gòu)車架要大。建議最終版車架結(jié)構(gòu)材料力學性能不要低于原結(jié)構(gòu)，即性能要不低于Q460CFD。

3.雙C型車架前板簧后座圓孔力學性能

將雙C車架兩處結(jié)構(gòu)改變進行了有限元分析，并對結(jié)果進行對比。改變?nèi)缦拢?.3652模型前板簧后支座開孔處前移135mm，3652-2模型開孔與后支座對中；3652-2模型車架中取消了小三角板處的第六個減重孔，在原開孔處加10mm厚的槽型橫梁。在舉升工況中，前板簧后座圓孔前移和對中，車架立板處應力分布帶變化隨孔位置的改變而遷移，最大值相近，對中后有加強環(huán)比無加強環(huán)最大應力明顯降低；車架下表面處對中比前移應力最大值略有降低。中橋處加槽型橫梁在該工況影響了大三角板及其附近的應力分布，應力值增大5%。

結(jié)語

XGQ3650系列非公路自卸車廣泛應用于大型露天煤礦、鐵礦、銅礦等礦山、港口、碼頭、鋼廠、水利工程等大型工程、基礎建設等場地的礦石土方運輸及水利工程、坑基開挖作業(yè)等，其車架是關鍵部件，在裝載、運輸、卸載中承受主要的載荷。車架的優(yōu)劣直接影響著整車的使用壽命，同時反映了整車的技術水平。因此，在改造過程中，應全面對比了解D型與雙C型車架材料力學性能，確保車架整體改進的科學性。

參考文獻

[1]李賀軍，陶珺，姚棟嘉，等.預炭層對ZrC浸漬C/C復合材料微觀結(jié)構(gòu)和力學性能的影響[J].新型炭材料，2015，23（4）：372-376，377.