多工況下平地機應(yīng)力分析及試驗研究

呂 輝，朱茂桃

（江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

1 引言

平地機是一種用于道路平整、挖溝、推土、松土、除雪等作業(yè)的工程機械，常用于礦山建設(shè)、國防工程及城鄉(xiāng)道路等建筑施工。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度的不斷加大，平地機的需求量不斷增加，對其性能要求也越來越高。機架作為平地機的主要承載件，承載著鏟刀、駕駛室、發(fā)動機等主要部件的質(zhì)量，其性能好壞將直接影響平地機的安全性和舒適性，其強度和剛度要滿足整機在各種工況下的使用要求[1]。對某平地機機架進行多工況下的應(yīng)力分析，找出應(yīng)力區(qū)域分布；對一種典型工況進行了應(yīng)力測試，將測試結(jié)果與有限元結(jié)果進行了比較，驗證了有限元分析的準確性。開展平地機機架的理論與試驗研究，為今后人們將有限元法應(yīng)用到平地機設(shè)計中提供依據(jù)，對其他類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計改進也具有一定的參考價值。

2 有限元模型的建立

在三維建模軟件中建立某平地機幾何實體模型，運用Patran導入幾何模型，并對其進行簡化，忽略對整體特性影響極小的局部結(jié)構(gòu)以減少網(wǎng)格劃分時間和分析計算量。該車架主要采用Q345低合金結(jié)構(gòu)鋼，含碳量為（0.18～0.20）%，材料特性為密度ρ=7850kg/m3，彈性模量 E=210GPa，泊松比 μ=0.3，屈服強度為345MPa。

網(wǎng)格劃分中運用精度較高的四邊形單元QUAD模擬幾何模型中的面，六面體單元Hex模擬幾何模型中的實體，焊接處主要運用RBAR和RBE2單元模擬。指定單元邊長為20mm手動劃分網(wǎng)格，對可能應(yīng)力集中的部分進行局部細化。劃分網(wǎng)格后的有限元模型，如圖1所示。

圖1 機架的有限元模型Fig.1 Finite Element Model of Grader Rack

3 多工況下平地機機架的應(yīng)力分析

平地機機架載重量大，在實際使用過程當中，會遇到各種復(fù)雜的工況。為獲得平地機在實際工況下機架內(nèi)部的受力情況，運用Patran軟件作為前后處理軟件，Nastran作為求解器，結(jié)合平地機實際工作情況，對表1中4種工況進行研究。

表1 工況簡介Tab.1 Introduction of Working Condition

3.1 約束的施加

四種工況下，對平地機前橋與車輪連接處，后橋與后輪連接處進行全約束，即約束平地機沿XYZ方向移動和繞XYZ軸的轉(zhuǎn)動。因為約束點是3D網(wǎng)格（體網(wǎng)格），所以只需要約束沿XYZ方向移動即可。

3.2 各工況下載荷的施加

施加的載荷分為集中載荷、均布載荷。集中載荷在以0D單元（質(zhì)量點）的形式加在相應(yīng)的節(jié)點上。機架承受的載荷（包括發(fā)動機、變速箱、油箱、擺架總成、駕駛室等）都可視為集中載荷。集中載荷大小按表2進行加載。

表2 集中載荷Tab.2 Concentrated Load

均布載荷以多點約束（MPC）的形式加在相應(yīng)節(jié)點上。機架所受得重力、一些外力都是通過均布載荷的形式施加到有限元模型上的。重力載荷通過給定重力加速度（9.8×103）mm/s2進行重力施加。當施加的外力載荷與重力載荷垂直時，不考慮重力因素；當施加外力載荷與重力載荷為同一方向且遠大于重力載荷時，不考慮重力因素；當施加外力載荷與重力載荷在同一方向且大小接近時，考慮重力影響。工況一中，機架承受重力載荷和集中載荷的作用。工況二中，機架承受集中載荷和外力載荷Ff的作用，忽略重力作用。外力Ff=FN×μ=11000kg×9.8N/kg×0.65=7.0×104N，其中，μ 為摩擦系數(shù)，根據(jù)常用路面條件，取值為0.65。外力Ff方向，如圖2所示。

圖2 工況2示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Load 2

工況三中，機架承受集中載荷、重力載荷作用及外力載荷Ff、FBD的作用。已知平地機總重15150kg，后軸質(zhì)量11000kg，前軸距2975mm，軸距6574mm，后輪為驅(qū)動輪。油缸受到反作用力用來平衡后軸載荷。

前軸載荷 FW=（15150kg-11000kg）×9.8N/kg=4.067×104N

Ff=FN×μ=11000kg×9.8N/kg×0.65=7.0×104N，方向，如圖 3所示。油缸力FBD=（WB/（WB-BA））×FW=（6574/（6574-2975））×4.067×107=7.4288×104N，方向，如圖 3所示。

圖3 工況3示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Load 3

工況四中機架承受集中載荷、重力載荷作用及外力FL的作用。FL=G=mg=15150kg×9.8N/kg=1.48×105N，方向，如圖 4 所示。

圖4 工況4示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Load 4

3.3 強度分析結(jié)果

運用Patran軟件對4種工況進行應(yīng)力分析，得到平地機機架不同工況下的應(yīng)力云圖[2]，如圖5所示。

圖5 四種工況下的應(yīng)力云圖Fig.5 Stress Clouds Under Four Working Conditions

從平地機機架應(yīng)力云圖看出，四種工況下的最大等效應(yīng)力值及出現(xiàn)的位置，如表3所示。

表3 最大應(yīng)力及位置Tab.3 Maximum Stress and Location

根據(jù)第四強度理論[3]，選用等效應(yīng)力來判斷機架結(jié)構(gòu)的強度。

式中：［σ］—材料的許用應(yīng)力，大小為極限應(yīng)力除以安全系數(shù)。機架材料的極限應(yīng)力為345MPa，取安全系數(shù)為1.5，可得出機架的許用應(yīng)力為230MPa。四種工況下應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力，整體應(yīng)力符合強度準則要求。但在工況4中，機架被兩端受力吊起，連接處無支撐，由于重力的作用下垂，最大等效應(yīng)力接近材料的許用應(yīng)力，容易發(fā)生斷裂，應(yīng)在今后的設(shè)計中考慮通過改變起吊方式減小連接處應(yīng)力。

3.4 位移計算結(jié)果分析比較

各工況下的位移云圖，如圖6所示。通過位移云圖可知，平地機架大部分區(qū)域變形很小，四種工況下最大位移量分別是：1.72mm、1.85mm、3.12mm、8.06mm，均在10mm以下。因此可以看出平地機架的剛度性能較好。

圖6 四種工況下的位移云圖Fig.6 Displacement Clouds Under Four Working Conditions

4 平地機應(yīng)力試驗

為驗證理論應(yīng)力分析的有效性，掌握平地機主要部件的應(yīng)力分布情況，結(jié)合車輛實際情況，選擇工況3，即平地機水平面行駛，鏟刀受地面的摩擦力，油缸的反作用力用來平衡后軸載荷，前輪無地面反作用力的工況作為實驗工況。試驗現(xiàn)場，如圖7所示。

圖7 試驗現(xiàn)場圖Fig.7 Test Site Plan

4.1 測試點位置及方向的選擇

為確保試驗準確性，對工況3下平地機整車進行應(yīng)力分析[4]。根據(jù)有限元分析結(jié)果可知，應(yīng)力較大部位，如圖8所示。主要分布前機架與鏟刀連接處、牽引架大球頭銷處、牽引架底板與主梁連接處、回轉(zhuǎn)架彎曲處、前機架與擺架連接處，所以測試點就選在這些應(yīng)力值較大的部位，如圖9所示。

圖8 測試點的選擇Fig.8 The Point Selection

圖9 測試點的布置Fig.9 Layout of Text Points

因受采集系統(tǒng)的通道數(shù)的限制，選擇使用6個三相350Ω應(yīng)變片和2個單向350Ω應(yīng)變片進行試驗，應(yīng)變片方向均沿最大主應(yīng)力方向貼片（圖略）。

4.2 試驗儀器的連接

試驗選擇奧地利Dewetron公司的Ds-Net數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及配套的動態(tài)分析軟件Dewesoft，為了保證試驗的準確性，對所有應(yīng)變片同步進行數(shù)據(jù)采集，并增加了接地線和溫度補償。系統(tǒng)框圖，如圖10所示，儀器連接實物圖，如圖11所示。

圖10 試驗系統(tǒng)框圖Fig.10 Diagram of the Text System

圖11 測試儀器的連接Fig.11 Test Equipment Connection

4.3 試驗數(shù)據(jù)處理和分析

將測量得到的應(yīng)變值減去初始值，得到計算原始數(shù)據(jù)，基于第四強度理論，運用Dewesoft軟件，得到8個測試點的應(yīng)力結(jié)果圖，各測試點最大等效應(yīng)力值，如表4所示。從測試結(jié)果看出，8個測試點最大等效應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力230MPa，所有測試點均滿足強度要求。

表4 最大等效應(yīng)力值Tab.4 Maximum Equivalent Stress Value

4.4 理論值與試驗值結(jié)果對比及誤差分析

通過有限元分析結(jié)果和試驗結(jié)果對比（圖12）看出，各測試點的應(yīng)力值與計算值變化趨勢吻合，誤差在12%以內(nèi)。說明理論分析和試驗分析的結(jié)果比較接近[6]，說明有限元分析方法在一定程度上對平地機的性能研究是可行的。

圖12 應(yīng)力值Fig.12 Stress Value

由于測試點貼片沒有絕對對稱、測試時鏟刀未保持絕對水平、地面不絕對水平，作用力不均勻造成等外在因素，以及有限元模型建立的不精確等內(nèi)在因素，導致計算結(jié)果與測試結(jié)果存在一定的誤差。今后可對平地機模型進行更加細致的建模，并通過一定方法減小實驗誤差，最終獲得理想的分析結(jié)果。

5 結(jié)語

借助Patran軟件對某平地機進行多工況下的應(yīng)力仿真分析[7]，然后針對主要承載部位，選擇了8個測試點進行了應(yīng)力測試，將試驗結(jié)果與有限元分析值進行了比較，驗證有限元分析的準確性。分析結(jié)果顯示，所有測試點均滿足需用應(yīng)力要求。測試結(jié)果與有限元分析[8]結(jié)果趨勢相同。試驗誤差主要來自于場地的限制，造成平地機鏟刀未放置為絕對水平，實驗儀器的誤差以及人員操作的誤差等。同時，有限元模型也有一定的誤差。此類理論與試驗結(jié)合的研究方法為今后進行平地機有限元分析提供依據(jù)。