基于有限元仿真技術(shù)的車輛側(cè)翻臺結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)

方金順

關(guān)鍵詞：側(cè)翻臺 有限元分析 優(yōu)化設(shè)計(jì)

車輛側(cè)翻試驗(yàn)是各大汽車廠商開發(fā)新的機(jī)動(dòng)車產(chǎn)品的必檢項(xiàng)目.該試驗(yàn)項(xiàng)目已納入國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7258.2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》以及GB/T14172.2021《汽車、掛車及汽車列車靜側(cè)傾穩(wěn)定性臺架試驗(yàn)方法》中，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)定義了車輛側(cè)翻試驗(yàn)臺是該檢驗(yàn)項(xiàng)目的主要試驗(yàn)設(shè)備。由于在試驗(yàn)過程中對于側(cè)翻臺的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作有極高的精度要求，因此側(cè)翻臺的主體結(jié)構(gòu)必須具有足夠的剛度和強(qiáng)度，以保證有承受相應(yīng)工況載荷的能力。由于側(cè)翻臺的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路尚未形成典型的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).通過傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行反復(fù)的嘗試試錯(cuò)必定造成時(shí)間以及資源上的浪費(fèi)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，有限元仿真技術(shù)得到廣泛的推廣應(yīng)用.該技術(shù)可快速有效地計(jì)算機(jī)械結(jié)構(gòu)在各種載荷工況下的響應(yīng).進(jìn)而為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供數(shù)值化的理論支撐。并實(shí)現(xiàn)縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期、降低研發(fā)成本和提升產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

有限元法是將連續(xù)體理想化為有限個(gè)單元集合，這些單元僅在有限個(gè)節(jié)點(diǎn)上相連接.即用有限個(gè)單元的集合來代替原來具有無限個(gè)自由度的連續(xù)體，再將單元組裝成結(jié)構(gòu)。通過定義相應(yīng)的載荷工況而建立位移和內(nèi)力的關(guān)系，通過變分方法.使得誤差函數(shù)達(dá)到最小值并產(chǎn)生穩(wěn)定解。有限元法具有計(jì)算速度快、精度高、工程適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。是目前廣泛應(yīng)用的工程分析手段。

1有限元模型的搭建

以某公司設(shè)計(jì)的車輛側(cè)翻臺初步方案為研究對象，利用Carla軟件建立該方案的三維數(shù)字化模型，模型中包括側(cè)翻臺基座、側(cè)翻平臺以及鉸鏈和油缸系統(tǒng)。數(shù)模狀態(tài)如圖1所示。在Catia軟件中導(dǎo)出stp格式文件.導(dǎo)入hypermesh中

通過對三維數(shù)模的尺寸分析，綜合考慮計(jì)算效率以及計(jì)算精度，確定網(wǎng)格的基本尺寸為20mm，通過對零部件先后進(jìn)行抽中面處理并采用殼單元網(wǎng)格劃分;鉸鏈采用Beam單元搭配剛性連接來模擬;由于基座采用鋼筋混凝土澆筑，同時(shí)其設(shè)計(jì)強(qiáng)剛度也將具有非常高的安全余量，因此基座將簡化處理。網(wǎng)格劃分完成后.整個(gè)側(cè)翻臺被劃分為694708個(gè)網(wǎng)格，508190個(gè)節(jié)點(diǎn)。完成后，有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

有限元模型的搭建一般可遵循以下原則：

a.在保證計(jì)算精度滿足計(jì)算目的的前提下，盡可能地控制網(wǎng)格數(shù)量;

b.合理選擇網(wǎng)格類型可減少積分點(diǎn)數(shù)量.從而加快模型的計(jì)算速度：

c.對于焊點(diǎn)焊縫的建模。由于模型中采用大量的焊接裝配，所以對于焊點(diǎn)焊縫的準(zhǔn)確建模對模型的計(jì)算準(zhǔn)確性有直接影響。通常情況下，對于靜強(qiáng)剛度分析，焊點(diǎn)焊縫的建模手段有合并節(jié)點(diǎn)和剛性連接節(jié)點(diǎn)。

初步方案中各個(gè)零部件的選材以及相應(yīng)的材料力學(xué)性能如表1所示。

2工況定義

通過分析側(cè)翻試驗(yàn)臺在試驗(yàn)過程中可能承受的極端載荷，定義以下載荷工況：

工況一：在重力場環(huán)境中，約束側(cè)翻臺與混凝土基礎(chǔ)的安裝點(diǎn)1～6自由度.在車輪與平臺接觸位置加載相應(yīng)重量.圖3展示55 t6軸半掛列車靜止條件下各個(gè)輪胎的承重信息。

工況二：在重力場環(huán)境中，約束側(cè)翻臺與混凝土基礎(chǔ)的安裝點(diǎn)1～6自由度.在車輪與側(cè)翻臺接觸位置加載相應(yīng)重量，如圖4所示。

3初始設(shè)計(jì)方案計(jì)算結(jié)果

3.1平板狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果

平板狀態(tài)下的變形云圖以及應(yīng)力云圖如圖5一圖6所示。

計(jì)算結(jié)果顯示，55t重車的右后輪下降3.9mm，左后輪下降將近3.1mm。通過計(jì)算得出側(cè)翻板的傾斜角度為0.02°滿足側(cè)翻角度精度小于0.1°的設(shè)計(jì)要求。后軸支撐油缸上托板的支撐位置最大應(yīng)力達(dá)到27 1MPa.超過材料的許用應(yīng)力。建議優(yōu)化油缸上托板與側(cè)翻臺的連接形式。

3.2斜板狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果

側(cè)翻臨界狀態(tài)即斜板狀態(tài)下的變形云圖以及應(yīng)力云圖如圖7一圖8所示。

計(jì)算結(jié)果顯示，55t車的左后輪下降3.7mm，該時(shí)刻的極端情況是右后輪離地。通過計(jì)算得出側(cè)翻板的傾斜角度為0.11°，不滿足側(cè)翻角度精度小于0.1°的剛度設(shè)計(jì)要求。后軸旋轉(zhuǎn)支座附近應(yīng)力較大，最大應(yīng)力達(dá)到267 MPa，超過材料的許用應(yīng)力。建議優(yōu)化旋轉(zhuǎn)支座支撐位置的強(qiáng)度。

初始設(shè)計(jì)方案在兩種狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

4初始方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)及計(jì)算結(jié)果

4.1對側(cè)翻板的框架型材的調(diào)整方案

根據(jù)以上的分析結(jié)果可以判斷初始設(shè)計(jì)方案中側(cè)翻板的整體剛度和局部強(qiáng)度都需要進(jìn)一步提升。對于整體剛度不足的問題，本文嘗試對側(cè)翻板的框架型材進(jìn)行調(diào)整，具體調(diào)整方案如圖9所示。

A/B/C矩形梁的截面高度、寬度、厚度尺寸分別由原來的250mmX150mm×8mm調(diào)整為300mm×150mm×9.75mm。調(diào)整的主要原因如下：

a.A梁位于液壓油缸的支撐位置。側(cè)翻動(dòng)作需要支撐梁有較大的強(qiáng)剛度;

b.B梁的位置在側(cè)翻板翻轉(zhuǎn)至極限狀態(tài).有可能需要獨(dú)立承受整車單軸的重量，因此建議加強(qiáng);

c.C梁作為側(cè)翻板的首尾邊梁，需要承受測試車輛進(jìn)入以及離開側(cè)翻板的沖擊載荷，因此需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

4.2優(yōu)化后的就算結(jié)果

優(yōu)化模型再次經(jīng)過平板和斜板兩個(gè)狀態(tài)的力學(xué)性能仿真分析，得到以下結(jié)論：

a.平板狀態(tài)下的變形云圖和應(yīng)力云圖如圖10～圖11所示。

計(jì)算結(jié)果顯示，55 t車的右后輪將下降3.2mm，左后輪下降將近2.1mm。通過計(jì)算得出側(cè)翻板的傾斜角度為0.02°.滿足側(cè)翻角度精度小于0.1°的設(shè)計(jì)要求。側(cè)翻板的平衡調(diào)整器支撐位置最大應(yīng)力達(dá)到191MPa，低于材料的許用應(yīng)力。

b.側(cè)翻臨界狀態(tài)即斜板狀態(tài)下的變形云圖以及應(yīng)力云圖如圖12～圖13所示。

計(jì)算結(jié)果顯示，55t車的右后輪將下降2.85mm。通過計(jì)算得出側(cè)翻板的傾斜角度為0.08°，滿足側(cè)翻角度精度小于0.1°的設(shè)計(jì)要求。側(cè)翻板支撐梁的最大應(yīng)力達(dá)到176MPa，小于材料的許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。

優(yōu)化方案在兩種工況下的力學(xué)性能總結(jié)如表3所示。

5結(jié)語

通過對車輛側(cè)翻臺初始方案的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元力學(xué)性能分析，找到初始方案的設(shè)計(jì)薄弱點(diǎn)和不足之處，提出改進(jìn)措施生成優(yōu)化方案。優(yōu)化方案的有限元計(jì)算結(jié)果顯示其強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。

文中采用有限元仿真技術(shù)對側(cè)翻臺的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證，提供了一種虛擬的設(shè)計(jì)開發(fā)手段。可以預(yù)見，今后的機(jī)械、汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，全面運(yùn)用有限元仿真手段快速評估力學(xué)性能將成為一種發(fā)展趨勢。