BGC-60D抱罐車后車架結(jié)構(gòu)有限元分析及輕量化研究

楊 駿，耿會良，李利民，張吉?jiǎng)伲筛桓?/p>

(中冶寶鋼技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 201999)

抱罐車作為冶金渣包的搬運(yùn)和流轉(zhuǎn)設(shè)備，具有安全可靠、機(jī)動靈活、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)[1]。抱罐車后車架結(jié)構(gòu)作為主要的承載構(gòu)件，其占整車質(zhì)量的80%左右。特殊的工作條件使得傳統(tǒng)的車輛結(jié)構(gòu)均比較笨重，質(zhì)量利用系數(shù)低，極大地增加了成本,造成資源浪費(fèi)。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，輕量化技術(shù)成為特種車輛降低成本和節(jié)能的核心驅(qū)動力[2]，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造成為最有效的途徑之一，對車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真，從而在保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，確保車輛定型和投產(chǎn)前自重達(dá)到最優(yōu)，提高質(zhì)量利用系數(shù)和性能，降低設(shè)計(jì)和制造成本，縮短產(chǎn)品投放市場的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)車輛的高安全、低能耗、輕量化和綠色化的目標(biāo)。

本文在有限元分析理論的基礎(chǔ)上，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，基于ANSYS有限元軟件[3-5]解決BGC-60D抱罐車后車架結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過程中優(yōu)化程度低、部分零件質(zhì)量大以及質(zhì)量利用系數(shù)低等問題，實(shí)現(xiàn)抱罐車的輕量化。

1 后車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文的抱罐車為新型鉸接式U型抱罐車，采用整體框架式結(jié)構(gòu)，后車架是運(yùn)輸時(shí)渣包的承載體，如圖1所示。為保證整車橫、縱向的穩(wěn)定性，后車架采用對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用鵝頸與前車架實(shí)現(xiàn)鉸接式連接，以避免偏載的發(fā)生[6]。設(shè)置工作支撐機(jī)構(gòu)，兼限位作用，保證抱罐車在運(yùn)行過程中載荷通過限位座由U型工作機(jī)構(gòu)傳遞到后車架上，而在渣包裝載過程中下落放置時(shí)，載荷通過連接臂釋放至后車架上。通過U型工作機(jī)構(gòu)與后車架的連接，以及采用液壓油缸控制系統(tǒng)，保證了運(yùn)行過程中渣包的穩(wěn)定性，抱罐車工作時(shí)，便于渣包順利吊運(yùn)或放置，U型工作機(jī)構(gòu)合攏時(shí)，渣包牢牢地固定于車輛上。

1—鵝頸；2—配重；3—后車架；4—大臂油缸；5—工作機(jī)構(gòu)；6—渣包；7—連接拔銷機(jī)構(gòu)；8—支腿；9—后橋圖1 BGC-60D抱罐車后車架結(jié)構(gòu)

2 建立后車架結(jié)構(gòu)有限元模型

2.1 幾何模型建立

本文采用SolidWorks對后車架整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模。由于求解難度與模型的復(fù)雜程度密切相關(guān)，一些不重要的非承載構(gòu)件對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變及位移的影響非常小，因此建模時(shí)進(jìn)行了簡化處理，忽略了一些局部結(jié)構(gòu)(倒角、液壓油管安裝孔、螺栓孔等)。通過COSMOS Works實(shí)現(xiàn)ANSYS與SolidWorks的無縫對接，最終獲得有限元分析所需要的后車架三維模型，如圖2所示。

圖2 抱罐車后車架結(jié)構(gòu)模型

2.2 有限元網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元分析的關(guān)鍵步驟，網(wǎng)格劃分的結(jié)果對計(jì)算的難易程度和結(jié)果的精度有較大的影響。后車架結(jié)構(gòu)采用如圖3(a)所示的實(shí)體單元SOLID95進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在機(jī)械結(jié)構(gòu)的有限元分析過程中，難以對銷軸與耳板孔之間的接觸進(jìn)行真實(shí)的模擬，為了更好地反映銷軸的真實(shí)特性，采用非線性的單向彈性單元COMBIN39代替銷軸[7]，圖3(b)為COMBIN39的幾何形狀、節(jié)點(diǎn)位置和坐標(biāo)系。

圖3 單元模型及單元幾何特征

起包狀態(tài)下，后車架結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格模型包含143 407個(gè)節(jié)點(diǎn)，58 611個(gè)實(shí)體單元；運(yùn)行狀態(tài)下包含147 973個(gè)節(jié)點(diǎn)，60 397個(gè)實(shí)體單元。后車架整體結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 后車架整體結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格模型

2.3 邊界條件

抱罐車復(fù)雜的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其在運(yùn)行過程中受力情況也非常復(fù)雜，根據(jù)抱罐車的主要受載情況，將其結(jié)構(gòu)簡化為典型的簡支梁和懸臂梁力學(xué)模型，同時(shí)對后車架結(jié)構(gòu)定義邊界條件和載荷。在起包狀態(tài)下，固定約束鵝頸與前車架的連接面，Y軸方向約束軸承圓面，只允許有X方向的位移和Z方向的轉(zhuǎn)動；在運(yùn)行狀態(tài)下，固定約束鵝頸與前車架的連接面，抑制徑向、軸向約束軸承圓面，只允許有X方向的位移。

抱罐車在使用過程中會受到外載荷的作用，而有限元模型可真實(shí)反映出其結(jié)構(gòu)特征，并可利用一定載荷條件來響應(yīng)各構(gòu)件的受載情況，因此制定合理的載荷條件是非常重要的[8]?？紤]到滿載工況的安全性，將總載荷設(shè)為60 t，加載在叉瓦表面(圖5中的C、D處)，同時(shí)將管1上的配重考慮為靜態(tài)載荷。圖5所示為后車架結(jié)構(gòu)的約束與載荷分布情況。

圖5 后車架整體結(jié)構(gòu)的約束和載荷

3 后車架結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

由結(jié)構(gòu)強(qiáng)度理論可知，當(dāng)材料應(yīng)力值達(dá)到抗拉強(qiáng)度σb或屈服強(qiáng)度σs時(shí)，材料將會產(chǎn)生塑性變形或發(fā)生斷裂破壞。平臺和工作機(jī)構(gòu)作為后車架整體機(jī)械結(jié)構(gòu)，首先應(yīng)該保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此在各種工況下，后車架各個(gè)部件的應(yīng)力分布必須小于其材料的許用應(yīng)力[σ]?；诘谒膹?qiáng)度理論對后車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，并以Von Mises應(yīng)力作為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估的標(biāo)準(zhǔn)[9]。

Von Mises等效應(yīng)力σr為：

(1)

構(gòu)件強(qiáng)度條件：

σr≤[σ]

(2)

式中：σ1,σ2,σ3分別為第一、第二、第三主應(yīng)力。

BGC-60D抱罐車后車架結(jié)構(gòu)采用薄壁型鋼架結(jié)構(gòu)，主要受力構(gòu)件選用低合金高強(qiáng)鋼Q355B、Q390B、Q420B、Q460C、HG80、40Cr和42CrMo，非受力結(jié)構(gòu)件采用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235B。安全系數(shù)取2，材料的許用應(yīng)力為[σ]=σs/2。在對后車架整體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行條件約束和載荷加載后，按照抱罐車實(shí)際使用過程中的工況，選用典型危險(xiǎn)工況——滿載起包和滿載運(yùn)行工況進(jìn)行ANSYS有限元靜力學(xué)分析。

3.1 起包工況

抱罐車在滿載起包工況下后車架結(jié)構(gòu)會承受一定的靜壓力，將導(dǎo)致后車架及工作機(jī)構(gòu)產(chǎn)生變形。工作機(jī)構(gòu)的安全性直接影響抱罐車整體結(jié)構(gòu)的使用壽命，在工作機(jī)構(gòu)中，滑道叉瓦口采用較厚的實(shí)心鋼材，其余構(gòu)件采用16～40 mm厚的實(shí)心低合金高強(qiáng)鋼。工作機(jī)構(gòu)的內(nèi)、外立板是渣包的主要承載體，在內(nèi)、外立板間增加筋板結(jié)構(gòu)，以增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。當(dāng)工作機(jī)構(gòu)受載后，內(nèi)、外立板的上部都將受到很大的拉應(yīng)力。車架兩側(cè)的安裝座與工作機(jī)構(gòu)連接處也是主要的受載構(gòu)件，因此分析起包工況下后車架的應(yīng)力分布對結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)具有重要的作用與意義。

在起包工況下，后車架結(jié)構(gòu)的Von Mises應(yīng)力云圖如圖6所示。根據(jù)理論力學(xué)分析可知，工作機(jī)構(gòu)在起包工況下可近似為懸臂梁，工作機(jī)構(gòu)和車架通過安裝座實(shí)現(xiàn)鉸接式連接。從圖6可以看出，抱罐車整體應(yīng)力分布比較均勻，受力較小；最大應(yīng)力發(fā)生在鉸接處的套Ⅱ和墊板接觸邊緣，與實(shí)際使用情況下出現(xiàn)的破壞和磨損位置相符合，應(yīng)力最大值σmax=1 736 MPa，表現(xiàn)為極大的應(yīng)力集中。由于實(shí)際結(jié)構(gòu)的接觸面要大一些，因而應(yīng)力最大值要小一些，但在進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化過程中仍需保證其整體結(jié)構(gòu)的安全性。

圖6 后車架結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖

后車架結(jié)構(gòu)的過度變形必然會影響抱罐車整體的使用性能，因此對后車架結(jié)構(gòu)的變形情況進(jìn)行分析研究十分必要。圖7所示為起包工況下后車架結(jié)構(gòu)變形云圖，從圖中可以看出，抱罐車的最大變形位于上板中心區(qū)域，為20.4 mm。由于其變形相對較大，長期循環(huán)起包使用會產(chǎn)生極大的應(yīng)力集中，使該區(qū)域出現(xiàn)疲勞斷裂，同時(shí)會導(dǎo)致鉸接區(qū)的磨損與破壞，因此該區(qū)域成為結(jié)構(gòu)承載的薄弱環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，以保障抱罐車的安全與穩(wěn)定。

圖7 后車架結(jié)構(gòu)變形云圖

在起包工況下，當(dāng)各重要構(gòu)件采用的材質(zhì)分別為Q355、Q360、Q420、Q460時(shí)，其強(qiáng)度及安全系數(shù)如圖8所示。從圖中可看出，施加荷載后構(gòu)件的應(yīng)力值均有較大的提升，在連接座處產(chǎn)生了極大的應(yīng)力集中，為σmax=1 736 MPa，安全系數(shù)最小只有0.2，說明起包工況為不利受力工況；輪軸梁采用懸臂梁結(jié)構(gòu),極大地保證了輪胎承載支撐的穩(wěn)定性，安全系數(shù)最高為170，避免了承載能力不足而出現(xiàn)扭曲變形的情況發(fā)生。由于起包時(shí)載荷瞬間增大，下連接座、U型架、連接板軸銷Ⅰ、連接板軸銷Ⅱ及工作機(jī)構(gòu)軸銷等零件的應(yīng)力較大，這些部位為抱罐車結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，為避免使用過程中出現(xiàn)故障，需對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)和優(yōu)化。

圖8 起包工況下重要構(gòu)件的應(yīng)力曲線及安全系數(shù)曲線

3.2 運(yùn)行工況

圖9為運(yùn)行工況下抱罐車后車架結(jié)構(gòu)的Von Mises應(yīng)力云圖，從圖中可知，后車架整體應(yīng)力分布比較均勻且受力較小，最大應(yīng)力發(fā)生在套頂部，最大應(yīng)力值σmax=195 MPa，表現(xiàn)為應(yīng)力集中，但σmax﹤[σ]。運(yùn)行狀態(tài)下抱罐車后車架結(jié)構(gòu)的變形云圖如圖10所示，從圖中可以看出，變形最大的部位在立板頂部，為3.0 mm，對于大型構(gòu)件而言，這微量的變形可忽略不計(jì)。后車架結(jié)構(gòu)受力點(diǎn)為支架與U型架接觸處，其載荷一定，力臂數(shù)值較小，同時(shí)力矩一定，且相對較小，因此額定載荷產(chǎn)生的撓度較小，這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)之初對其進(jìn)行了構(gòu)件加強(qiáng)，并通過有限元靜力學(xué)分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。

圖9 后車架結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖

圖10 后車架結(jié)構(gòu)變形云圖

在運(yùn)行工況下，后車架結(jié)構(gòu)中各重要構(gòu)件分別采用Q355、Q360、Q420、Q460材質(zhì)時(shí)，其結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度和安全系數(shù)如圖11所示。由圖可知，在運(yùn)行工況下，施加最大荷載后后車架各部件的應(yīng)力都很小，構(gòu)件最大承載應(yīng)力σmax=137.1 MPa，最小安全系數(shù)為3，最大安全系數(shù)為24。從構(gòu)件應(yīng)力分布和安全系數(shù)可知，后車架最大應(yīng)力位于套頂部，為應(yīng)力奇異區(qū)，運(yùn)行過程中后車架整體結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性均滿足要求。

圖11 運(yùn)行工況下重要構(gòu)件的應(yīng)力曲線及安全系數(shù)曲線

4 后車架輕量化

4.1 材料及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

本文后車架結(jié)構(gòu)的材料主要為Q355B和Q460C，銷軸和鋼套分別采用42CrMo和40Cr。

在滿足確定荷載、應(yīng)力、應(yīng)變、位移等的前提下，通過材料的性能、結(jié)構(gòu)單元的剛度、質(zhì)量單元的質(zhì)量以及厚度等輕量化單元屬性來改變結(jié)構(gòu)尺寸，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的輕量化。

4.2 數(shù)學(xué)優(yōu)化模型

輕量化設(shè)計(jì)基于數(shù)學(xué)中最優(yōu)理論，其模型是實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的數(shù)學(xué)抽象形式，并通過不等式或等式表達(dá)必要的約束來求解設(shè)計(jì)變量的取值范圍，使得目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)值。優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型表達(dá)形式如下。

最小化(Minimize)：

f(x)=f(x1,x2,…,xn)

(3)

約束條件(Subject To)：

(4)

4.3 結(jié)構(gòu)輕量化分析

根據(jù)輕量化設(shè)計(jì)、優(yōu)化模型的定義以及后車架整體結(jié)構(gòu)型式，將構(gòu)件的材料厚度h作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量，其結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型為：

式中：WT為BGC-60D抱罐車后車架結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的質(zhì)量；狀態(tài)變量smax1和smaxw2為結(jié)構(gòu)件材料的屈服強(qiáng)度值；xi為第i個(gè)構(gòu)件的厚度；thick_xi,thick_xai和thick_xwi均為構(gòu)件的厚度設(shè)計(jì)變量。

后車架結(jié)構(gòu)采用兩種低合金高強(qiáng)鋼板，把每種材料構(gòu)件的板厚作為變量參數(shù)，以后車架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為狀態(tài)變量，以后車架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)。圖12為起包工況下后車架的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其中構(gòu)件1～10均選用材料Q355B和Q460C。采用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言APDL[10-11]計(jì)算得到各構(gòu)件的輕量化結(jié)果，包括多組數(shù)據(jù)，在此僅列出其中4組輕量化結(jié)果的數(shù)據(jù)，見表1。

圖12 后車架輕量化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)編號

表1 輕量優(yōu)化結(jié)果

由表1可以看出，最佳的優(yōu)化結(jié)果為第1組的數(shù)據(jù)，所有構(gòu)件中的最大應(yīng)力為364.68 MPa，輕量化后整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量為21 089.6 kg。在實(shí)際生產(chǎn)中材料的厚度一般為整數(shù)，根據(jù)有限元分析結(jié)果，可知其應(yīng)力、材料的結(jié)構(gòu)尺寸均具有一定的優(yōu)化空間，取整后的計(jì)算結(jié)果見表2。從表中可知，優(yōu)化后后車架整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為21 072.8 kg，較優(yōu)化前22 547.3 kg減輕了6.64%，

表2 輕量化取整結(jié)果

5 結(jié)束語

本文基于ANSYS有限元軟件對滿載時(shí)抱罐車后車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，結(jié)果顯示后車架整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度和變形均在安全的范圍之內(nèi)，具有良好的可靠性。

以后車架結(jié)構(gòu)自重為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受載為約束條件，重要構(gòu)件的板材厚度作為輕量化設(shè)計(jì)變量，采用APDL對抱罐車后車架結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件進(jìn)行了輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得了較優(yōu)的輕量化效果，為后續(xù)的設(shè)計(jì)及安全評估提供了依據(jù)。