基于HyperWorks的除雪車車架有限元分析及優(yōu)化

毛敬競(jìng)，鄧 耀，龔運(yùn)息

(廣西科技大學(xué)，廣西 柳州 545000)

0 引 言

最近幾年冬天，各地降雪量增加，給機(jī)場(chǎng)道路和人民出行帶來了極大的困難,特別是對(duì)機(jī)場(chǎng)道路來說，往往一場(chǎng)降雪將會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)延誤起飛，甚至更嚴(yán)重會(huì)使得機(jī)場(chǎng)關(guān)閉。因此為了解決此“白色污染”所帶來的自然問題，某汽車公司研發(fā)了某型號(hào)的除雪車。該除雪車前部帶有推鏟，中間帶有滾刷，后部帶有吹風(fēng)機(jī)，當(dāng)除雪車工作時(shí)前部推鏟把大部分積雪推向一邊，中部滾刷和尾部風(fēng)機(jī)處理余下的積雪，從而起到清除道路積雪的作用。其中車架是除雪車重要的零部件，它是除雪車的“骨骼”，除雪車上大部分部件和總成都安裝在車架上，依靠車架來固定位置，并且除雪車受到的各種內(nèi)外載荷都作用在車架上，因此除雪車車架性能的好壞影響著除雪車的安全性和舒適性。由于本次研究的對(duì)象除雪車車架是公司最新研發(fā)或改進(jìn)的結(jié)構(gòu)，因而可能存在部分結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度不足或者剛強(qiáng)度過剩的情況，所以對(duì)除雪車車架進(jìn)行有限元分析是改善車架結(jié)構(gòu)性能很重要的一步[1-2]。

1 車架有限模型的建立

1.1 建立除雪車車架三維模型

根據(jù)公司提供的除雪車車架二維數(shù)據(jù)，用UG軟件繪制出三維模型，該除雪車車架由2條縱梁和2根橫梁組成，各部件板件厚度在10～20 mm之間，縱梁與橫梁之間由螺栓連接。繪制車架三維模型時(shí)應(yīng)適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，如一些對(duì)結(jié)構(gòu)受力分析影響不大的螺栓裝配孔和部分部件上的細(xì)小倒圓角，以及一些結(jié)構(gòu)部件如尾端裝飾燈等都應(yīng)忽略去掉。

1.2 建立車架有限元模型

把用UG繪制好的車架三維模型導(dǎo)入到CAE軟件HYPERMESH中，由于車架各部件是鈑金結(jié)構(gòu)，從而對(duì)模型抽取中面劃分shell單元，網(wǎng)格單元尺寸選擇10 mm，螺栓孔用washer處理，劃分完網(wǎng)格單元后檢查網(wǎng)格質(zhì)量。由于縱梁、橫梁和其它部件都是用螺栓連接的，因此選用剛性單元RB2單元來連接各部件，劃分好的網(wǎng)格單元數(shù)量有177 933個(gè)，節(jié)點(diǎn)有184 703個(gè)，如圖1所示。

圖1 整車單元網(wǎng)格模型

根據(jù)公司提供的除雪車車架材料屬性，如表1所列，賦予到網(wǎng)格單元中。

表1 除雪車車架材料屬性

2 除雪車有限元分析

一般對(duì)汽車車架進(jìn)行靜力學(xué)分析都包括彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況、轉(zhuǎn)彎工況、緊急制動(dòng)工況，其中彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況是對(duì)除雪車車架影響較大的工況，所以本次研究車架靜力分析僅選用彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況[3-4]。

2.1 彎曲工況分析

2.1.1 車架邊界條件的建立

(1) 除雪車正常工作行駛中速度是勻速的，在分析中按實(shí)際工況約束車架前后懸架支撐點(diǎn)的自由度，約束車架前輪的UX、UY、UZ自由度，約束后輪的UX、UY自由度[5]。

(2) 在載荷施加中，車架上主要承受駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)、推鏟、滾刷、油箱、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、中端總成部分重量以及車架自身的重量，其中推鏟推雪時(shí)傳遞給車架的作用力分解為FX=19 653 N、FY=5992 N、FZ=25480 N，具體各載荷部件質(zhì)量如表2所列。

表2 車架載荷大小及分布

各部件載荷都以靜力等效原則施加在車架實(shí)際位置，由于在做彎曲工況除雪車是運(yùn)動(dòng)過程，還需給各工況乘以一個(gè)相應(yīng)的動(dòng)載系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值動(dòng)載系數(shù)取1.5，除雪車車架按重力加速度9.8 m/s大小施加[6]。

2.1.2 彎曲工況分析結(jié)果

將已建好的車架有限元模型提交到OPTISTRUCT求解器中求解，計(jì)算結(jié)果如圖2、3所示。

圖2 車架應(yīng)力云圖

圖3 車架位移云圖

根據(jù)應(yīng)力云圖可知，車架最大的應(yīng)力值大小為306.43 MPa，其位置處于左前輪懸架支撐處，主要原因是該位置周圍安裝一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)、駕駛室以及一個(gè)較大的推鏟總成，且由于推雪阻力使車架受到推鏟向左的載荷，從而在此處位置應(yīng)力值最大。根據(jù)位移云圖可知車架最大的位移值為9.86 mm，位置位于右橫梁尾部的走臺(tái)支撐板尖上，主要原因是走臺(tái)支撐板太薄剛強(qiáng)度較弱且距離懸架支撐處較遠(yuǎn)導(dǎo)致的[7]。

由于橫梁材料的屈服強(qiáng)度為700 MPa，最大的應(yīng)力值306.43 MPa遠(yuǎn)小于這個(gè)值，所以車架在彎曲工況下是滿足安全使用要求的。

2.2 扭轉(zhuǎn)工況分析

2.2.1 車架邊界條件的建立

對(duì)除雪車做扭轉(zhuǎn)工況分析時(shí)，釋放右后輪懸架支撐的自由度，其它位置自由度約束與彎曲工況相同。由于該除雪車是為機(jī)場(chǎng)跑道設(shè)計(jì)的，工作時(shí)不會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)工況，只有在運(yùn)輸情況下才會(huì)發(fā)生車架扭轉(zhuǎn)的情況，因而在對(duì)車架做扭轉(zhuǎn)工況分析時(shí)，推鏟作用在車架的載荷只有一個(gè)向下重力，其它載荷施加方式和大小與彎曲工況一致。

2.2.2 扭轉(zhuǎn)工況分析結(jié)果

將已建好的車架有限元模型提交到OPTISTRUCT求解器中求解，計(jì)算結(jié)果如圖4、5所示。

由應(yīng)力云圖分析可知，最大應(yīng)力值為765.9 MPa，處于第二根橫梁左下角與縱梁表面接觸的位置，主要原因是縱梁所受載荷較大，缺乏右后輪支撐，右縱梁向下傾斜，使得橫梁左下角與左縱梁發(fā)生接觸碰撞產(chǎn)生應(yīng)力集中，顯然最大應(yīng)力值大于材料的屈服強(qiáng)度700 MPa，車架在此工況下容易發(fā)生破壞，從而需要對(duì)車架進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化來提高車架的使用安全性[8]。

圖4 車架應(yīng)力云圖

圖5 車架位移云圖

3 車架的優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

3.1 優(yōu)化后的車架模型

根據(jù)前面扭轉(zhuǎn)工況分析，發(fā)現(xiàn)車架在此工況下剛強(qiáng)度不足，因而對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在車架尾部增加一根圓形管輔助梁76 mm×10 mm，優(yōu)化后的車架三維模型如圖6所示。

圖6 輔助梁安裝位置

3.2 車架優(yōu)化結(jié)果

對(duì)優(yōu)化后的車架重新建立有限元模型，進(jìn)行扭轉(zhuǎn)工況計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖7、8、表3所列。

圖7 優(yōu)化后車架應(yīng)力云圖

圖8 優(yōu)化后車架位移云圖

工況類型優(yōu)化前優(yōu)化后變化量扭轉(zhuǎn)工況最大應(yīng)力值(MPa)最大位移量(mm)765.9102.3546.372.5-219.6-29.8

根據(jù)應(yīng)力云圖可得，優(yōu)化后的車架最大應(yīng)力值降為546.3 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度700 MPa，安全系數(shù)n>1，除雪車車架在此工況下滿足安全使用要求。

4 結(jié) 語

對(duì)新研發(fā)的除雪車車架進(jìn)行彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況分析，分析結(jié)果得出車架在扭轉(zhuǎn)工況下不能滿足使用的安全要求，從而在車架相應(yīng)位置增加一根圓形管輔助梁，增加了車架的剛強(qiáng)度，對(duì)優(yōu)化后的車架重新計(jì)算分析得出，優(yōu)化后的車架在扭轉(zhuǎn)工況下滿足使用要求，這對(duì)除雪車車架研究人員有著重要的實(shí)際參考意義。