基于ANSYS Workbench的全向運輸車體框架仿真分析

張 賀

(中船重工海為鄭州高科技有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

隨著社會的快速發(fā)展，對具有特定性能車輛的研發(fā)和應(yīng)用越來越引起各行業(yè)重視。全向運輸車作為工業(yè)多功能運輸車輛中的一種，其不僅具備在平面上可以實現(xiàn)前后、左右和原地旋轉(zhuǎn)等運動特征，而且還具備在不改變車體自身位姿的情況下向任意方向移動的運動特性[1-4]。全向運輸車不僅擁有更大的運動靈活性，克服了傳統(tǒng)運輸車無法橫向移動和原地轉(zhuǎn)動等的運動缺陷，而且還可以根據(jù)運輸物品的特點方便地更改車體結(jié)構(gòu)，更加適用于工作空間狹窄有限、對運動靈活性和承載重量有要求的場合[5]。全向運輸車已經(jīng)在多個智能裝備行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，如軍工、航天、智能工廠等領(lǐng)域，并且在這些領(lǐng)域的智能化制造和裝備過程中發(fā)揮了巨大的實用價值。

本文以正在研制的某型號全向運輸車承重框架為目標，利用軟件SolidWorks構(gòu)建實體三維模型，通過CAE有限元分析軟件對整體框架結(jié)構(gòu)的強度和剛度進行分析，以驗證整體框架結(jié)構(gòu)在實際工況下的選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性[6]。然后利用ANSYS中的動力學(xué)分析模塊對整體框架結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析[7，8]，不僅為之后的全向運輸車電機的選取提供參考，而且為后期對全向運輸車更精準的平穩(wěn)性設(shè)計提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

1 建立全向運輸車體框架有限元模型

1.1 三維模型建立

根據(jù)設(shè)計指標要求，對全向運輸車體框架的設(shè)計采用橫截面為溝槽型的設(shè)計方案，其主要由位于兩端的端梁、中間承重梁、兩側(cè)加強筋、框架連接梁及兩側(cè)的支撐座等部件組成，框架結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。整體框架結(jié)構(gòu)均采用矩形型材焊接而成，整體長、寬、高為2 150 mm×1 380 mm×320 mm。

1-端梁;2-承重梁;3-加強筋;4-連接梁;5-支撐座

運用SolidWorks強大的建模功能對框架結(jié)構(gòu)進行實體建模。為了提高后續(xù)對結(jié)構(gòu)的分析效率，在建模過程中忽略對整體結(jié)構(gòu)強度和剛度影響不大的特征元素，同時結(jié)構(gòu)件之間的焊接為均勻滿焊，且焊接后無殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中等現(xiàn)象發(fā)生[9]。建立的框架三維模型如圖2所示。

圖2 框架三維模型

1.2 劃分網(wǎng)格和賦予材料特性

將框架三維模型保存為(*STEP)格式，通過ANSYS軟件的無縫導(dǎo)入接口將模型導(dǎo)入到ANSYS分析軟件中。對框架結(jié)構(gòu)進行自動網(wǎng)格劃分，為了生成質(zhì)量較好的網(wǎng)格，采取多區(qū)域網(wǎng)格劃分的方式，同時過渡采取slow的方式，劃分網(wǎng)格后的框架模型如圖3所示。得到30 652個網(wǎng)格單元，118 844個網(wǎng)格節(jié)點，網(wǎng)格單元質(zhì)量良好，可以進行比較精確的模擬分析。同時將Q345B的材料特性賦予端梁、承重梁、加強筋和連接梁，將45鋼的材料特性賦予支撐座結(jié)構(gòu)。

圖3 框架模型網(wǎng)格劃分

1.3 設(shè)定邊界條件和載荷

根據(jù)運輸設(shè)備車的實際運行情況，添加如實際工況的約束和載荷才能得出具有實際參考意義的結(jié)果。根據(jù)框架結(jié)構(gòu)的運動情況，在安裝車輪的位置進行約束，限制其在X、Y、Z三方向的位移約束。同時根據(jù)實際載荷情況，在支撐座的位置施加外加載荷6 000 N，考慮整體結(jié)構(gòu)為Q345B和45鋼材質(zhì)，在結(jié)構(gòu)的豎直方向上施加重力載荷。約束和載荷施加如圖4所示。同時在分析時，各結(jié)構(gòu)件之間的連接方式采用Bonded連接方式。

圖4 約束和載荷施加

2 靜力學(xué)分析結(jié)果

根據(jù)建立的有限元分析模型進行靜力學(xué)仿真計算，得到整體框架結(jié)構(gòu)在極限工況下的等效應(yīng)力、應(yīng)變云圖，如圖5所示。

由圖5可知，在極限工況下，框架的最大等效應(yīng)力和最大彈性應(yīng)變主要出現(xiàn)在加強筋和連接梁的連接部位，且最大等效應(yīng)力和最大等效彈性應(yīng)變分別為175.67 MPa、0.000 881 52，通過結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)最大等效應(yīng)力主要是由應(yīng)力集中造成。最大等效應(yīng)力相對于加強筋和連接梁所用的材質(zhì)Q345B的最小屈服強度345 MPa的安全系數(shù)為1.96，且最大等效彈性應(yīng)變較小，說明該全向運輸車框架結(jié)構(gòu)體滿足實際生產(chǎn)及極端工況下運輸物料時的強度和剛度要求。

圖5 框架的等效應(yīng)力、應(yīng)變云圖

框架變形云圖如圖6所示，可以看出框架結(jié)構(gòu)的最大變形量為0.782 mm,位于兩側(cè)支撐座的外部。根據(jù)應(yīng)力云圖可知，支撐座的強度滿足設(shè)計要求，在之后的設(shè)計加工中，可以在支撐座的下部添加加強筋以增加其剛度。

圖6 框架變形云圖

3 模態(tài)分析結(jié)果

模態(tài)分析的目的在于確定機構(gòu)的振動特性。通常情況下，根據(jù)實際需求不必求出機構(gòu)所有的頻率和振型，只需考慮機構(gòu)在實際工作條件下所存在的頻率，而且低階頻率比高階頻率對共振影響更大，所以重點分析在實際工作條件下的前6階頻率和振型[10]。在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，將ANSYS中的model模塊和靜力學(xué)分析模塊進行數(shù)據(jù)共享，得到車體框架前6階的振型和頻率，如圖7和表1所示。

圖7 車體框架前6階振型

表1 車體框架前6階振型頻率

(1) 車體框架的前6階固有頻率范圍為62.265 Hz～100.27 Hz。經(jīng)查閱相關(guān)資料，得知電機的驅(qū)動電壓越高、電流越大、負載越小、體積越小共振頻率越高，所以在選擇電機型號時為保證運輸車輛運行的平穩(wěn)性，在滿足動力需求的基礎(chǔ)上，所選電機的共振區(qū)間盡量遠離框架的前6階固有頻率范圍。同時也可根據(jù)框架前6階的頻率范圍，合理選定運輸車輛的運行速度，避免在特定路面運行時產(chǎn)生的振動頻率和固有頻率范圍相重疊，進而引起共振，影響運輸過程的平穩(wěn)性。

(2) 根據(jù)車體框架的前6階振型可以得出運輸車輛中間承重梁部分容易發(fā)生因共振引起的大變形，是整個平臺的薄弱環(huán)節(jié)，在后期對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化時，需要對此部分結(jié)構(gòu)重點優(yōu)化。

4 結(jié)語

本文以全運輸車輛的承重框架為研究對象，運用SolidWorks建立三維模型，并應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件對三維模型進行了在實際工況下的靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。靜力學(xué)分析結(jié)果顯示，運輸車輛整體的強度和剛度滿足設(shè)計要求，但是在承重板位置變形較大，在后期設(shè)計中需要對此處進行加強優(yōu)化；對框架進行預(yù)應(yīng)力條件下的模態(tài)分析得到了前6階固有頻率和振型，為選用合適頻率的電機和設(shè)定合理的運行速度提供了參考和依據(jù)。