旅游越野房車艙本體強(qiáng)度仿真研究

王攀藻

摘 要： 使用ANSYS軟件梁板混合單元對(duì)房車艙本體幾何模型建模并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)艙體在被起吊、運(yùn)輸、緊急制動(dòng)和以滑撬支撐四種典型工況下，載荷分布情況、強(qiáng)度仿真結(jié)果分析以及對(duì)邊界條件的確立，同時(shí)對(duì)關(guān)鍵部位——起吊部位，建立局部實(shí)體有限元模型并進(jìn)行仿真分析。最后將仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，符合指標(biāo)要求。通過有限元法建立的艙本體模型和得到的計(jì)算數(shù)據(jù)在工程實(shí)踐中具有一定的理論意義和使用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 房車艙本體； 有限元建模； 強(qiáng)度仿真； ANSYS

中圖分類號(hào)： TN911.1?34； TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）09?0129?03

Abstract： The plate girder hybrid unit in ANSYS software is used to model the geometrical model of the recreational vehicle cabin structure and divide the gridding. The load distribution condition and strength simulation result are analyzed， and the boundary condition is established under the typical working conditions of vehicle cabin lifting， transportation， emergency braking and skid support. The entity finite element model was established for the craning position， and the simulation analysis for it was conducted. The simulation results are compared with the measured results， which meet the index requirements. The vehicle cabin structure model and calculated data obtained with the finite element method have a certain theoretical significance and application value in the engineering practice.

Keywords： cabin structure of recreational vehicle； finite element modeling； strength simulation； ANSYS

0 引 言

開房車越野旅游在我國(guó)已逐漸流行，每年以70%～100%的速度增長(zhǎng)，游客對(duì)房車艙本體質(zhì)量提出較高要求。房車車載艙本體是復(fù)雜的大型機(jī)械設(shè)備，工作時(shí)它主要承受來自道路及裝載的各種作用，若用經(jīng)典力學(xué)方法計(jì)算其強(qiáng)度和剛度[1]，則需要做很多的假設(shè)和簡(jiǎn)化，且力學(xué)計(jì)算復(fù)雜，精度也較差。而有限元方法適合計(jì)算大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)備，所以其是分析計(jì)算房車艙本體在多種工況下強(qiáng)度的一種有效而實(shí)用的工具。

本文針對(duì)某型號(hào)房車艙本體進(jìn)行有限元建模和計(jì)算求解，并對(duì)在典型工況下艙體剛強(qiáng)度進(jìn)行有限元仿真分析[2]，最后進(jìn)行實(shí)測(cè)分析。為以后房車艙體的使用、維修、保養(yǎng)和后續(xù)生產(chǎn)研制提供可靠的理論和工程應(yīng)用支撐。

1 房車艙本體結(jié)構(gòu)

某型號(hào)越野房車車載艙體本體由復(fù)合大板構(gòu)成[3]，復(fù)合大板的蒙皮材料采用薄而強(qiáng)的鋁合金板，兩板之間由若干根縱橫交錯(cuò)的方鋼管構(gòu)成骨架，板與骨架粘接在一起，空隙中填充聚氨酯泡沫材料。整個(gè)艙體設(shè)計(jì)由六塊夾層復(fù)合板、滑橇、鑄鋼角件和內(nèi)、外角型件組裝而成。艙體四角立柱均用邊長(zhǎng)為40 mm的方形鋼管組焊而成，各門窗采用槽鋼，滑撬使用的材料為冷扎鋼板Q235A，整個(gè)艙體外形尺寸為5.8 m×2.1 m×2.2 m。艙體本體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 艙本體有限元建模

用一般的板殼單元無法模擬出艙本體實(shí)際情況，采用ANSYS特有的鋪層單元模擬由鋁板和聚氨酯泡沫構(gòu)成的復(fù)合大板[4]，選用梁板單元和實(shí)體單元建立艙體本體的有限元模型。艙本體骨架及空調(diào)安裝架有限元模型用BEAM188空間梁?jiǎn)卧5]。定義各個(gè)鋪層的材料特性時(shí)，將鋪層疊成疊層板模型，然后計(jì)算疊層板的材料特性。對(duì)起吊位置的模型建立應(yīng)用SOLID45實(shí)體單元完成。

2.1 材料屬性定義

鋁板：彈性模量泊松比密度屈服強(qiáng)度為250 MPa，抗拉強(qiáng)度為460 MPa。

泡沫：彈性模量密度剪切模量。

Q235A材料：彈性模量泊松比密度抗拉強(qiáng)度為375～460 Mpa，屈服強(qiáng)度為236 Mpa。

50×40等效實(shí)體方鋼：彈性模量泊松比密度

50×70等效實(shí)體方鋼：彈性模量泊松比密度。

2.2 定義界面參數(shù)建模

房車艙體網(wǎng)格模型如圖2所示，艙體網(wǎng)格各邊或各角相差不大、網(wǎng)格面扭曲小、邊節(jié)點(diǎn)位于邊界等分點(diǎn)附近的網(wǎng)格質(zhì)量比較好。根據(jù)艙體矩鋼管的界面形狀及大板中鋁板和聚氨酯泡沫的厚度，定義梁?jiǎn)卧桶鍐卧慕缑鎱?shù)及各類邊界條件，艙體模型分網(wǎng)后共有6 946個(gè)單元，其中梁?jiǎn)卧? 632個(gè)，板單元4 314個(gè)，節(jié)點(diǎn)6 125個(gè)。

3 艙本體剛強(qiáng)度仿真分析

對(duì)艙體在起吊、運(yùn)輸、緊急制動(dòng)和以滑撬支撐這四種典型工況下的剛、強(qiáng)度仿真進(jìn)行分析，校核艙體是否達(dá)標(biāo)。

3.1 艙體載荷

（1） 裝載設(shè)備對(duì)艙體產(chǎn)生的作用，艙體載荷有家具、控制器高壓開關(guān)、風(fēng)機(jī)、走線架、變壓器和空調(diào)等。

（2） 來自道路的各種作用。

3.2 計(jì)算工況和邊界條件確立

（1） 起吊工況，在四個(gè)起吊角的位置對(duì)艙體進(jìn)行約束；艙體承受設(shè)備的重力載荷。

（2） 運(yùn)輸工況，在四個(gè)支撐角的位置和滑撬位置對(duì)艙體進(jìn)行約束；艙體承受設(shè)備的重力載荷。

（3） 緊急制動(dòng)工況，在四個(gè)支撐角的位置和滑撬位置對(duì)艙體進(jìn)行約束，制動(dòng)加速度為艙體同時(shí)承受設(shè)備的重力載荷和設(shè)備在制動(dòng)時(shí)的慣性載荷。

（4） 以滑撬支撐，在滑撬位置約束艙體，艙體承受設(shè)備的重力載荷。

3.3 仿真結(jié)果分析

（1） 起吊工況

艙本體最大變形為1.519 mm，發(fā)生位置為底板調(diào)制器的安裝位置。對(duì)該艙體起吊位置進(jìn)行簡(jiǎn)化后，最大應(yīng)力為107.172 MPa，最大應(yīng)力發(fā)生的位置為艙體起吊處，如圖3所示。

由于整個(gè)艙體對(duì)起吊處模型簡(jiǎn)化較大，為得到該處真實(shí)的應(yīng)力分布和變形情況，建立起吊位置局部實(shí)體有限元模型。為了約束滑撬和艙體底板連接的面，在起吊處加載吊索對(duì)起吊位置施加起吊力。經(jīng)計(jì)算分析，該處最大變形為0.029 574 mm，最大應(yīng)力為57.261 Mpa，起吊位置局部應(yīng)力分布圖，如圖4所示。

（2） 運(yùn)輸工況

艙體最大變形為0.669 27 mm，發(fā)生位置為空調(diào)的安裝位置，最大應(yīng)力為24.981 MPa，如圖5所示。

（3） 緊急制動(dòng)工況

緊急制動(dòng)艙體本體的最大位移為1.669 mm，發(fā)生位置為空調(diào)的安裝位置，最大應(yīng)力為28.341 MPa。如圖6所示。

（4） 滑橇支撐工況

艙體最大變形為0.677 6 mm，發(fā)生位置為空調(diào)的安裝位置，最大應(yīng)力為24.975 MPa，如圖7所示。

3.4 實(shí)測(cè)分析

四種典型工況下房車艙體本體剛強(qiáng)度有限元分析計(jì)算結(jié)果對(duì)比[7]見表1。按照仿真結(jié)果的試制艙體做各種工況試驗(yàn)：

公路試驗(yàn)，裝載艙體的卡車在碎石、混凝土、瀝青三種路面上行駛一定的公里數(shù)，路線包括彎道、鐵路交叉口、拐角和車站等，在交通規(guī)則允許的范圍內(nèi)，卡車以最大速度在特殊路面上行駛。

搓板路實(shí)驗(yàn)，使裝載艙體的卡車以一定的速度在搓板路上行駛，讓艙體產(chǎn)生劇烈震動(dòng)反應(yīng)。

緊急剎車試驗(yàn)，讓裝載艙體的卡車正向和反向行駛，艙體承受3次以上最大氣動(dòng)剎車。經(jīng)過測(cè)試某型號(hào)房車艙體符合TP?94?01“運(yùn)輸性試驗(yàn)程序”，試驗(yàn)結(jié)果表明艙體和艙體系固組件無任何損壞或故障，說明其各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，符合使用要求。

4 結(jié) 論

在分析房車艙體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上，應(yīng)用有限元法采用多種單元建立艙體本體有限元模型，并且對(duì)艙體結(jié)構(gòu)進(jìn)行四種典型工況下的強(qiáng)度有限元仿真分析，從而全面掌握艙體本體的應(yīng)力、應(yīng)變分布及艙體變形情況。通過對(duì)按仿真結(jié)果生產(chǎn)的艙體產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果顯示艙體剛強(qiáng)度滿足使用要求，為今后高端旅游越野房產(chǎn)艙體的生產(chǎn)、使用和維修奠定了基礎(chǔ)。下一步，還將在極端溫度下對(duì)房車艙體強(qiáng)度進(jìn)行多種工況研究，使艙體滿足各種環(huán)境的使用要求。

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