箱型車架貫通連接結(jié)構(gòu)設(shè)計分析及優(yōu)化

張良

中機科（北京）車輛檢測工程研究院有限公司 北京 102100

1 前言

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，長臂架泵車需求越來越大，而目前泵車底盤基本以進(jìn)口為主，特別是五軸、六軸泵車專用底盤。因此，為了順應(yīng)發(fā)展需求，筆者自主開發(fā)了五軸泵車底盤，以打破國外企業(yè)對底盤的壟斷地位。

混凝土泵車是將混凝土泵的泵送機構(gòu)和用于布料的液壓卷折式布料臂架及支撐機構(gòu)集成在汽車底盤上，集行駛、泵送、布料功能于一體的高效混凝土輸送設(shè)備[1]。本文以五軸泵車為研究對象，重點考察固定轉(zhuǎn)塔與車架連接區(qū)域箱型車架的局部強度和剛度。在該區(qū)域使用貫通結(jié)構(gòu)連接縱梁和內(nèi)腹板以提高車架的可靠性：分別采用 “O”型貫通連接結(jié)構(gòu)和“口”型貫通連接結(jié)構(gòu)，通過有限元計算分析車架在行駛工況下的強度與剛度，為箱型焊接車架的貫通連接方式提供設(shè)計參考。

2 箱型車架結(jié)構(gòu)概述

車架是底盤重要組成部分，起著承載整車的作用。五橋泵車專用底盤車架采用箱型結(jié)構(gòu)形式，如圖1a所示，車架由縱梁、橫梁、內(nèi)腹板、上、下翼面等組成。

其中，縱梁、內(nèi)腹板與上、下翼面通過焊接連接；上、下翼面與橫梁鉚接；縱梁與內(nèi)腹板由貫通結(jié)構(gòu)連接用以提高車架的強度與剛度，如圖1b所示，也有益于提升車架的屈曲穩(wěn)定性。

3 有限元模型及其參數(shù)

3.1 整車有限元模型

利用Pro/E設(shè)計軟件建立包括底盤裝配模型及上裝各個部件裝配模型，以IGES中性文件格式輸出，利用HyperMesh提供的IGES接口讀入上述中性文件。將幾何模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕趆ypermesh中對幾何模型進(jìn)行拓?fù)涮幚韀2]。車架使用邊長為20 mm的殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，三角形單元控制在3%之內(nèi)，過渡面不少于四層單元；車架螺栓連接處用蜘蛛網(wǎng)狀剛體加梁單元進(jìn)行模擬；對于臂架、轉(zhuǎn)塔等上裝采取較大單元尺寸；裝配好的五軸泵車模型單元數(shù)為931 580個，節(jié)點數(shù)為716 790個，如圖2所示, 模型主要由臂架、轉(zhuǎn)塔、底盤、泵送系統(tǒng)等組成。

圖2 五軸泵車有限元模型

3.2 材料參數(shù)設(shè)置

整車涉及的材料較多，此處僅列出車架材料參數(shù)，車架的材料為某高強度鋼，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 車架材料及其相關(guān)參數(shù)

4 車架強度有限元分析

車架結(jié)構(gòu)分析主要考察強度與剛度，車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣直接關(guān)系到整車的安全性、平順性及穩(wěn)定性。本節(jié)重點考慮泵車在行駛狀態(tài)下車架的強度，為車架結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

4.1 強度分析理論

彈性體在外力作用下發(fā)生變形，載荷在相應(yīng)位移上作功，彈性體因變形而貯存能量即所謂應(yīng)變能[3]。外力作用下的微體，其形狀與體積一般均發(fā)生變化，與之對應(yīng)，應(yīng)變能又可分為畸變能與體積改變能。單位體積內(nèi)的畸變能即所謂畸變能密度，其一般表達(dá)式為：

畸變能理論認(rèn)為：引起材料屈服的主要因素是畸變能，而且，不論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要畸變能密度vd達(dá)到材料單向拉伸屈服時的畸變能密度vds，材料即發(fā)生屈服。按此理論，材料的屈服條件為：

材料單向拉伸屈服時的主應(yīng)力為σ1=σs，σ2﹣σ3=0，于是由式(1)得相應(yīng)的畸變能密度為：

將式(1)與式(3)帶入式(2)，得材料的屈服條件為：

由此得相應(yīng)的強度條件為：

試驗表明，對于塑性材料，畸變能理論更符合試驗結(jié)果，這種強度理論在工程中得到廣泛應(yīng)用。

4.2 “O”型貫通連接結(jié)構(gòu)車架強度分析

對于此種“O”型貫通結(jié)構(gòu)，采用不同圓形管尺寸和分布位置對車架進(jìn)行分析計算，分別為方案一及方案二：方案二相對方案一“O”型圓形管直徑尺寸增大，同時位置由連接架正下方移到連接架右下方，如圖3所示。

根據(jù)強度校核理論，車架應(yīng)力滿足σr4≤[σ]，其中[σ]為許用應(yīng)力，材料許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定該種高強度結(jié)構(gòu)鋼許用應(yīng)力為450 MPa。根據(jù)泵車實際行駛工況并參考泵車結(jié)構(gòu)分析有關(guān)文獻(xiàn)[4]，這里僅分析急轉(zhuǎn)彎工況、垂直動載工況及前橋、中后橋?qū)翘Ц吖r。

4.2.1 急轉(zhuǎn)彎工況

急轉(zhuǎn)彎工況主要考慮泵車滿載拐彎時，在橫向（垂直于縱梁方向）施加一個0.4g側(cè)向加速度來模擬此種工況。縱梁與內(nèi)腹板之間采取“O”型貫通連接結(jié)構(gòu)后，車架應(yīng)力分布如圖4所示，方案一最大應(yīng)力為731 MPa，方案二最大應(yīng)力為610 MPa，均高于其許用應(yīng)力450 MPa，不滿足強度要求。

圖3 不同尺寸和位置“O”型結(jié)構(gòu)

圖4 急轉(zhuǎn)彎工況車架應(yīng)力分布圖

4.2.2 垂直動載工況

泵車滿載行駛過程中，可能會承受瞬時沖擊，根據(jù)計算得知，最大瞬時垂向沖擊為2.5g，在有限元模型中施加2.5g的加速度模擬垂直動載工況。通過計算得到車架應(yīng)力分布如圖5所示，方案一最大應(yīng)力為706 MPa，方案二最大應(yīng)力為741 MPa，均高于其許用應(yīng)力450 MPa，不滿足車架強度要求。

圖5 垂直動載工況車架應(yīng)力分布圖

4.2.3 前橋、中后橋?qū)翘Ц吖r

此種工況為模擬泵車在扭曲路面行駛時的狀態(tài)，對前橋、中后橋?qū)翘Ц?00 mm，根據(jù)計算得出：垂向加速為1.0g，車架應(yīng)力計算結(jié)果如圖6所示，方案一最大應(yīng)力為385 MPa，方案二最大應(yīng)力為398 MPa，均低于許用應(yīng)力450 MPa，滿足車架強度要求。

圖6 前橋、中后橋?qū)翘Ц吖r車架應(yīng)力圖

4.3 “口”型貫通連接結(jié)構(gòu)車架強度分析

車架縱梁與內(nèi)腹板采取“O”型貫通連接結(jié)構(gòu)，并改變“O”型貫通結(jié)構(gòu)的尺寸與位置，車架在急轉(zhuǎn)彎工況與垂直動載工況下應(yīng)力均高于其許用應(yīng)力450 MPa，僅僅在前橋、中后橋?qū)翘Ц吖r下滿足強度要求，故“O”型貫通連接結(jié)構(gòu)并不合理。根據(jù)“O”型貫通連接結(jié)構(gòu)下所計算出的車架應(yīng)力分布及其特點，對貫通結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，改成“口”型貫通連接結(jié)構(gòu)，如圖7所示，“口”型貫通結(jié)構(gòu)對稱分布在車架兩側(cè)，背部通過與車架縱梁螺栓連接，并且孔位與上裝連接板孔位對齊，四周與內(nèi)腹板焊接。

圖7 “口”型貫穿連接結(jié)構(gòu)

圖8 為縱梁與內(nèi)腹板采取“口”型貫通連接結(jié)構(gòu)連接，車架在行駛工況下的應(yīng)力分布圖。從中可以看出，在三種工況下，最大應(yīng)力為427 MPa，滿足車架強度要求。

4.4 “O”型貫通連接和“口”型貫通連接兩種方式結(jié)果對比

表2為“口”型貫通連接結(jié)構(gòu)與“O”型貫通連接結(jié)構(gòu)在行駛工況下的車架最大應(yīng)力結(jié)果，從表中可以看出：“口”型貫通連接結(jié)構(gòu)方案相比“O”型連接結(jié)構(gòu)方案，車架應(yīng)力大幅度降低，強度滿足要求。

圖8 行駛工況下車架應(yīng)力分布圖

表2 兩種貫通連接結(jié)構(gòu)下車架應(yīng)力對比 單位：MPa

5 車架剛度有限元分析

5.1 剛度分析理論

對于工程機械專用底盤車架應(yīng)具備足夠的強度，而且也必須具有足夠的剛度。設(shè)以[δ]表示許用撓度，[θ]表示許用轉(zhuǎn)角，則梁的剛度條件為

即要求梁的最大撓度與最大轉(zhuǎn)角分別不超過各自的許用值[5]。

5.2 車架剛度分析

在車架強度分析中，“O”型貫通連接結(jié)構(gòu)車架應(yīng)力大大超過了其許用應(yīng)力，而“口”型貫通連接結(jié)構(gòu)能滿足其強度要求，故對“口”型貫通連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行車架剛度計算。實際工作環(huán)境下車架縱梁主要承受垂向力作用，故由式(6)校核其剛度，即整車在垂直動載工況下車架的垂向撓度。

在垂直動載工況模擬中，邊界約束均施加在輪胎上，通過計算得到縱梁垂向位移值Z1，該位移值包含了輪胎、板簧等的變形值，在計算車架剛度時需要去除這部分位移。在整車模型中將車架處理成剛體，在同等條件下得到縱梁的垂向位移值Z2，則車架垂向撓度為

根據(jù)上式計算得到的撓度值(即車架垂向形變位移)如圖9所示，車架垂向形變位移為-4～13 mm，其中駕駛室前端翹起13 mm，而轉(zhuǎn)塔末端下方下沉4 mm。根據(jù)日本和德國重型卡車試驗標(biāo)準(zhǔn)，五軸底盤車架垂向形變位移絕對值最大不應(yīng)超過20 mm，故此車架滿足剛度要求。

圖9 車架垂向形變位移

6 結(jié)語

本文對五軸泵車進(jìn)行整車建模，對于箱型車架關(guān)重部位采用不同的貫通連接結(jié)構(gòu)，分析車架在行駛工況下的強度與剛度并進(jìn)行對比，得出以下結(jié)論。

a. 車架縱梁與內(nèi)腹板“O”型貫通連接結(jié)構(gòu)下，車架在急轉(zhuǎn)彎、垂直動載工況下均不滿足強度要求；“口”型貫通連接結(jié)構(gòu)下，車架在行駛工況下應(yīng)力均低于材料許用應(yīng)力，車架最大應(yīng)力為427 MPa，滿足強度要求；

b. 車架縱梁與內(nèi)腹板采用“口”型貫通連接，垂直動載工況下最大垂向撓度為13 mm，滿足剛度要求；

c. 通過分析比較兩種連接結(jié)構(gòu)下車架強度與剛度，得出“口”型貫通連接結(jié)構(gòu)更為合理，為泵車專用底盤車架的設(shè)計提供了理論參考。