基于有限元的車載作業(yè)平臺液壓支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計分析*

孟文東，雷澤勇，鐘 林，張清華，李 魁，李興鎮(zhèn)

(南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

0 引 言

在北方砂巖型鈾礦生產(chǎn)基地，地貌多為低山丘陵。地浸生產(chǎn)井呈一定規(guī)律分布，所以地浸生產(chǎn)井所在的地面位置在斜坡、洼地、沖溝等凹凸不平的地點(diǎn)[1]。對生產(chǎn)井進(jìn)行清洗的作業(yè)車僅靠車輪停靠于生產(chǎn)井旁邊，無法達(dá)到清洗設(shè)備的水平度作業(yè)條件。因此，需要設(shè)計一套支撐調(diào)平結(jié)構(gòu)，使清洗作業(yè)平臺能夠達(dá)到清洗設(shè)備工作所需的水平度。加之整個生產(chǎn)作業(yè)平臺重量約9 t，故提出采用液壓缸來調(diào)平，使移動生產(chǎn)作業(yè)平臺能快速、平穩(wěn)的達(dá)到清洗設(shè)備工作所需的水平度。

液壓支撐調(diào)平結(jié)構(gòu)是安裝于重型貨車的車架橋梁上，主要是由液壓缸、前部液壓缸臂、后部液壓缸臂等組成。清洗設(shè)備工作時，液壓缸臂上的載荷主要來自生產(chǎn)作業(yè)平臺的自身重力。作業(yè)平臺的全部質(zhì)量作用于前后部液壓缸及液壓缸臂，液壓支撐調(diào)平結(jié)構(gòu)對整個生產(chǎn)平臺的平穩(wěn)運(yùn)行有著極大的影響。通過對支撐結(jié)構(gòu)在不同工況承受的載荷和材料許用應(yīng)力的對比，以判斷液壓支撐調(diào)平結(jié)構(gòu)和車架是否能夠達(dá)到生產(chǎn)平臺的使用條件，從而避免生產(chǎn)事故的發(fā)生。

筆者通過ANSYS建立液壓支撐調(diào)平結(jié)構(gòu)有限元模型，依據(jù)礦場現(xiàn)場生產(chǎn)工況，模擬實(shí)際載荷條件，對液壓支撐調(diào)平結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計分析優(yōu)化，為后續(xù)的試驗(yàn)樣機(jī)提供了安全的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 車載平臺液壓支撐結(jié)構(gòu)

車架的材料為510 L[2]，液壓支撐調(diào)平結(jié)構(gòu)材料主要采用Q235鋼板和型材，液壓缸臂采用12 mm厚鋼板焊接成矩形截面的形式，可達(dá)到制造成本低且具有較好的抗彎扭性能的優(yōu)勢[3]。

車載平臺液壓支撐調(diào)平結(jié)構(gòu)主要調(diào)節(jié)液壓缸的行程來達(dá)到對生產(chǎn)平臺的調(diào)平。整個結(jié)構(gòu)的橫向跨度2 510 mm，前后間距5 890 mm。尾部支撐結(jié)構(gòu)由液壓缸、后部液壓缸臂、后部液壓缸臂護(hù)板組成，液壓缸臂為后部大載荷提供了支撐，起到了強(qiáng)有力的支撐力；前部液壓缸臂護(hù)板、前部液壓缸臂、前部液壓缸臂上橫梁以及前部液壓缸臂下橫梁組成了前部的支撐結(jié)構(gòu)，考慮到車輛底盤減速箱的位置，故設(shè)計成上下橫梁貫穿連接的形式。車載平臺液壓支撐調(diào)平結(jié)構(gòu)如圖1所示。后部分的載荷主要作用于油缸臂上，因其結(jié)構(gòu)具有較好的抗彎扭性能，故后部分承受載荷可適當(dāng)增大。

圖1 液壓支撐調(diào)平結(jié)構(gòu)1.液壓缸 2.后部液壓缸臂 3.后部液壓缸臂護(hù)板 4.車架橋梁 5.前部液壓缸臂護(hù)板 6.前部液壓缸臂 7.前部液壓缸臂上橫梁 8.前部液壓缸臂下橫梁

2 液壓支撐結(jié)構(gòu)靜力分析

對有限元模型進(jìn)行建立時，為提高運(yùn)算效率以及精度，需對液壓支撐調(diào)平結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化。

液壓缸臂利用鋼板焊接而成，底部采用彎曲成形后再焊接，所以將焊接簡化為剛性連接，并且車架的曲面均簡化成平直面的模型[4]。本文仿真分析對螺紋的影響可以忽略，所以將螺栓簡化成圓柱體螺栓模型后進(jìn)行分析。在Ansys Workbench中建立的液壓支撐結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。

圖2 液壓支撐結(jié)構(gòu)有限元模型

2.1 材料屬性

對于重載支撐結(jié)構(gòu)的仿真分析，通過在SolidWorks中建立液壓支撐結(jié)構(gòu)的三維模型，保存為“STP”格式，再導(dǎo)入ANSYS仿真分析軟件中進(jìn)行模擬仿真分析[5]。定義材料屬性如表1所列。

表1 材料屬性及力學(xué)性能

2.2 約束及載荷添加

對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分[5]。網(wǎng)格模型共包含142 653個節(jié)點(diǎn)，58 428個單元。ANSYS有限元分析是模擬實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)過程中的結(jié)構(gòu)變化，并得出數(shù)值模擬結(jié)果。在ANSYS中添加約束和載荷是至關(guān)重要的一步，約束及載荷的添加是否正確關(guān)乎著整個分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[7]。

生產(chǎn)作業(yè)平臺按最大載荷量計算約為9 000 kg，在有限元模型豎直向下方向施加重力加速度，取重力加速度值為9.8 m/s2。車架的橋梁是承載部分，又是液壓缸臂的安裝基體，所以添加均布載荷垂直作用于車架橋梁平面上。

在實(shí)際生產(chǎn)工作時，液壓缸伸出承載整個作業(yè)平臺的重量，液壓缸與液壓缸臂連接，進(jìn)一步和生產(chǎn)作業(yè)平臺連接起來。故對液壓缸底部與地面接觸節(jié)點(diǎn)上施加位移約束[8]。

當(dāng)清洗車到達(dá)清洗礦井口時，車載平臺液壓支撐調(diào)平結(jié)構(gòu)首先進(jìn)行下放液壓缸將承載起清洗車及清洗設(shè)備的全部重量并調(diào)平作業(yè)平臺。實(shí)際作業(yè)中，四根液壓缸協(xié)同同步伸出，底部接觸面在同一水平面。

2.3 計算結(jié)果與分析

對液壓支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，可以得到液壓支撐結(jié)構(gòu)總位移結(jié)果如圖3所示。從結(jié)構(gòu)位移云圖中可得出最大位移約為5 mm，最大的位移發(fā)生在車架中部大梁位置。車架中部位置承受了整個作業(yè)平臺的大部分重量，所以出現(xiàn)了較大位移。通常情況下，重型貨車車架需要滿足最大彎曲撓度小于10 mm[9-10]。

然后再根據(jù)最大撓度[11]計算公式(1)進(jìn)一步的驗(yàn)證，有限元分析結(jié)果的最大位移小于車架的最大撓度。所以該工況下車架符合使用要求。

(1)

式中：ωmax為最大撓度；F為載荷；L為約束點(diǎn)間距；E為彈性模量；I為截面慣性矩。

圖3 結(jié)構(gòu)位移云圖

液壓支撐結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力結(jié)果如圖4所示，應(yīng)力主要集中在液壓缸臂和車架接觸的位置。最大的應(yīng)力為189.2 MPa低于材料Q235和510 L的最大屈服強(qiáng)度，如圖5最大應(yīng)力分布云圖所示。Q235比510L的最大屈服強(qiáng)度小，所以對材料Q235計算安全系數(shù)即可，且安全系數(shù)計算公式為：

k=[σ]/σmax

(2)

式中：k為安全系數(shù)；[σ]為材料最大屈服強(qiáng)度；σmax為分析結(jié)果最大應(yīng)力。

根據(jù)式(2)計算出安全系數(shù)為1.24≥1，液壓支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度達(dá)到了要求。因?yàn)楣ぷ鬟^程中會出現(xiàn)超重作業(yè)、動載荷等不確定的因素，所以為了避免疲勞損壞，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以便提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

圖4 結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖 圖5 最大應(yīng)力分布云圖

3 液壓支撐結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化分析

根據(jù)液壓支撐結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果，針對應(yīng)力較集中的地方進(jìn)行優(yōu)化，即液壓臂和車架接觸的結(jié)構(gòu)，即前后液壓缸臂需要協(xié)同優(yōu)化。憑借工程經(jīng)驗(yàn)及對應(yīng)力云圖的分析，首先將后部液壓缸臂的四塊筋板厚度修改為20 mm，增加了10 mm，以及筋板的水平邊修改為300 mm，增加了100 mm。如圖6所示。

圖6 筋板優(yōu)化前后對比圖

其次，將后部液壓缸臂護(hù)板的寬度修改至與車架寬度一致，即240 mm。同時根據(jù)對載荷施加在車架上的分析，應(yīng)力會集中在前部液壓缸臂上，所以將前部液壓缸臂橫梁鋼管直徑增加至85 mm，如圖7所示。

圖7 橫梁鋼管優(yōu)化前后對比圖

將優(yōu)化后的模型按相同的約束和載荷對其進(jìn)行有限元分析。根據(jù)優(yōu)化的分析結(jié)果，如圖8所示。應(yīng)力明顯減小，最大應(yīng)力值為128.21 MPa，與優(yōu)化前的模型對比發(fā)現(xiàn)，最大應(yīng)力減小68%。通過式(2)計算得出優(yōu)化的安全系數(shù)為1.83，進(jìn)一步的保障了液壓支撐調(diào)平結(jié)構(gòu)的安全性，為整個液壓支撐結(jié)構(gòu)提供了優(yōu)化思路。

圖8 優(yōu)化后的應(yīng)力云圖

4 結(jié) 語

通過SolidWorks建立液壓支撐調(diào)平結(jié)構(gòu)三維模型，然后在Ansys Workbench中對整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析得出，變形量最大的地方在車架中部。最大應(yīng)力沒有超過材料的屈服強(qiáng)度，且安全系數(shù)大于1。通過優(yōu)化后，最大應(yīng)力降低至128.21 MPa，并且安全系數(shù)提高至1.83。所以車載平臺液壓支撐調(diào)平結(jié)構(gòu)符合使用要求，為試驗(yàn)樣機(jī)提供了有利的參考。