電動輪自卸車車廂強度有限元分析

0 引言

電動輪自卸車通常自重達到150噸以上，僅其車廂的自重就接近20噸，而當(dāng)其裝滿超過100噸的貨物在坑洼路面行駛時，車廂的靜動態(tài)強度是保證車輛正常作業(yè)的重要指標(biāo)。

由于礦用特種工程車輛結(jié)構(gòu)復(fù)雜、整車質(zhì)量大并且載荷重、行駛道路特殊，國際上對其整車的動、靜力學(xué)和模態(tài)分析，不可能像公路車輛一樣通過實驗室實驗裝置如道路振動實驗臺來模擬車輛運動和載荷，獲得實驗數(shù)據(jù)為動、靜力學(xué)分析提供可靠的數(shù)據(jù)。到目前為止，世界上只有極少數(shù)先進的制造廠商如美國的小松德萊賽通過建立專門的實驗場來獲取實驗數(shù)據(jù)，通過實驗分析驗證。長期以來，國內(nèi)制造廠則主要用經(jīng)典彈性力學(xué)理論進行部件的局部靜應(yīng)力分析和強度校核，整車的強度校核，主要通過車在礦山實際使用來檢驗設(shè)計，這樣成本高，時間長，風(fēng)險大。從20世紀80年代末開始，國內(nèi)公司等率先與大專院校合作，開展大型礦用特種工程車輛的靜力學(xué)分析計算，并在礦山做了一些應(yīng)力測試，由于受當(dāng)時計算力學(xué)和計算機水平的限制，當(dāng)時的研究工作只做了車架的靜力學(xué)研究，盡管這樣，但收到了顯著效果，推動了我國大型電動輪自卸車的發(fā)展。湖南湘電集團湘電重型裝備股份有限公司研制的、我國第一臺擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的220噸交流傳動電動輪自卸車，于2008年10月下線，主要用于大型露天礦山、水利、工地的運輸，該車按照國際標(biāo)準制定整車技術(shù)條件和技術(shù)規(guī)范，采用康明斯第三代電控發(fā)動機和GE交流傳動系統(tǒng)等配置，設(shè)計載重量為220t，具有承載量大，效率高，操縱靈活，運營成本低的特點。

從普遍情況來看，我區(qū)現(xiàn)用的水果包裝方式都是用發(fā)泡網(wǎng)或者紙箱來包裝水果，水果的包裝形式還是比較單一的，而且用紙箱包裝檔次也比較低。這種發(fā)泡網(wǎng)的使用，雖然看似能在一定程度上提高包裝的檔次，但實際上卻是中看不中用。因為從整體上來看水果的包裝規(guī)格、尺寸以及包裝上打眼的位置和形狀都是五花八門的，所以自然而然造成質(zhì)量參差不齊，出現(xiàn)了“一流產(chǎn)品、二流包裝、三流價格”的現(xiàn)象，從而也使水果的銷售大打折扣。

目前國內(nèi)礦用特種工程車輛制造廠主要采用計算機進行大型結(jié)構(gòu)件的有限元靜力計算，由于大型電動輪自卸車結(jié)構(gòu)和行駛道路等特殊性，其整車靜力學(xué)和動力學(xué)計算分析有如下的特點：結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，如何建立與實際情況一致又能滿足計算分析精度的有限元模型是關(guān)系到分析結(jié)果準確性重要問題；由于車架與后橋、前后懸掛以及后橋與車架的轉(zhuǎn)向和牽引的連接在運動中有剛體運動，如何建立這些連接部件之間的約束是計算分析的關(guān)鍵問題；大型電動輪自卸車行駛工況復(fù)雜，計算工況載荷十分復(fù)雜；在有限元分析中，由于車上有許多附件，這些附件的等效質(zhì)量的處理直接影響有限元計算的準確性；大型電動輪自卸車結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大形狀復(fù)雜，其有限元模型單元巨大(單元幾十萬)，而有限元計算量與計算載荷步成正比，準確簡化模型和合理選擇動載荷對有限元分析非常重要。

1 有限元分析

本文采用Hyperworks軟件平臺進行強度分析，其集成的Optistruct求解器是業(yè)界公認的功能最強的結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化求解器，可用來分析靜態(tài)和動態(tài)載荷條件下的線性和非線性結(jié)構(gòu)問題。作為結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化的市場領(lǐng)導(dǎo)者，OptiStruct幫助設(shè)計者和工程師分析和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、耐久性和NVH(噪聲、振動和舒適度)的特性并快速研發(fā)創(chuàng)新、輕量化的高效的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.1.2 新梢直徑 在4月10日至6月7日，桑樹新梢直徑生長量有9次生長高峰，經(jīng)過較快、快、慢、快、慢、最快、快、較慢的過程，直徑從5.4 mm增至12.4 mm，增長1.30倍；新梢直徑日生長量有6次生長高峰，日生長量為0.02～0.27 mm(圖2)。從表1看出，桑樹新梢直徑的生長量和日生長量變化與時間變化形成二次回歸方程曲線的相關(guān)系數(shù)大于直線回歸方程的，回歸方程曲線符合二次曲線規(guī)律。新梢直徑的生長量和日生長量變化與時間變化間的相關(guān)性分別呈高度正相關(guān)和正相關(guān)，其顯著性分別呈極顯著和不顯著水平。

基于有限單元和多體動力方法，OptiStruct具有一流的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的求解器，線性、非線性和模態(tài)分析問題的求解算法效率很高。因為具有智能內(nèi)存管理技術(shù)，OptiStruct能夠輕松模擬具有數(shù)百萬自由度的結(jié)構(gòu)，對模型尺寸沒有限制。

OptiStruct的標(biāo)準特性，即擁有自動化多級子結(jié)構(gòu)特征值求解器(AMSES)可以在不到一小時計算出百萬自由度模型的成千上萬階模態(tài)。

同時轉(zhuǎn)向工況時車架上的離心力主要靠拉桿的拉力來平衡，故對拉桿作用作如下等效：把拉桿截斷，在兩個端面上加載同樣大小的力。

OptiStruct的優(yōu)化技術(shù)是世界上最強的。使用最先進的優(yōu)化算法，OptiStruct可以在很短的時間內(nèi)解決最復(fù)雜的具有成千上萬的設(shè)計變量的優(yōu)化問題，其先進的優(yōu)化引擎允許用戶結(jié)合拓撲結(jié)構(gòu)、形貌、尺寸和形狀優(yōu)化方法來創(chuàng)建更多更好的設(shè)計方案，引導(dǎo)合理和輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

通過螺栓的預(yù)緊、gasket單元和有效的接觸算法，OptiStruct能夠進行動力系統(tǒng)耐久性分析。gasket單元非常強健，不需要使用其他軟件做一些附加的工作。

除需加上慣性加速度外，僅斗銷處受力與滿載靜止時略有不同，必須加上車廂及貨物由于制動慣性力產(chǎn)生的作用。此工況下，行駛方向加速度?。?.39 m/s

；垂直加速度取：1.2×9.8=11.76 m/s

。

(2) 雖然不同生物炭添加比例的土壤樣品水分總蒸發(fā)量相差不大，但隨生物炭添加量的增大，土壤吸水量及連續(xù)蒸發(fā)12天后的含水量亦增大。

OptiStruct具有最先進的求解器技術(shù)，這對于高效的整車噪聲和振動分析是必不可少的。它是市場上最快的NVH分析求解器，提供了獨一無二的先進功能，包括一步TPA(傳遞路徑分析)分析、AMSES、模型減縮技術(shù)、設(shè)計靈敏度和ERP(等效輻射功率)響應(yīng)，這使它能夠很容易的優(yōu)化結(jié)構(gòu)的NVH性能。

大型電動輪自卸車是集機、電、液為一體的高技術(shù)綜合產(chǎn)品，當(dāng)今，國際上其主要生產(chǎn)國仍然主要集中在美、日等先進工業(yè)發(fā)達國家，其產(chǎn)品代表了當(dāng)今國際大型電動輪自卸車的最高技術(shù)水平。隨著國內(nèi)市場的不斷擴大，國產(chǎn)大型電動輪自卸車與美、日等先進工業(yè)發(fā)達國家車之間的競爭更加激烈。為了適應(yīng)市場的需要，增加與外國產(chǎn)品的競爭力，滿足用戶對電動輪自卸車的性能和可靠性提出的更高要求，有必要對電動輪自卸車進行改進設(shè)計，建立正向設(shè)計能力。為了全面掌握改進后某型電動輪自卸車整車動應(yīng)力和靜應(yīng)力狀態(tài)、動力學(xué)性能以及是否滿足靜強度、動強度和疲勞強度的要求，對整車結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計提供基本數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，本文進行了四種工況下的車廂強度有限元分析。

由于模型中并未有貨物以及左、中、右甲板等部分，但他們的自重對整車的車廂的作用均不可忽略，且都是通過直接和車廂接觸來傳遞，故將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的等效集中質(zhì)量加到車廂相應(yīng)的加載位置上，為避免加集中載荷引起過多的應(yīng)力集中，故仍然加均布載荷。

(1)滿載靜止工況

1.1 幾何結(jié)構(gòu)簡化

(2)滿載制動工況

1.2 網(wǎng)格模型建立

結(jié)合車廂整體尺寸，由于車廂板材主體尺寸遠大于厚度方向尺寸，故在有限元軟件Optistruct中決定采用殼單元PShell 對車廂板結(jié)構(gòu)進行離散。車廂所受主要載荷為散粒堆裝貨物，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準對散粒貨物進行建模，選用Pmass質(zhì)量單元對其進行離散(100噸)。貨物與車廂在自卸車正常工作過程中保持相對靜止?fàn)顟B(tài)，即可以認為貨物與車廂沒有相對位移，故可以通過耦合質(zhì)量單元與車廂節(jié)點，將貨物重力傳遞到車廂上去；車廂板材通過焊接方式連接，假設(shè)焊接處焊縫的性能與母材一樣。另外，橡膠墊用Psolid實體單元進行結(jié)構(gòu)離散。如圖2所示。最終得到的單元數(shù)目為134098，節(jié)點數(shù)目為143690。

首先，患者預(yù)約服務(wù)管理進一步精細化。如今，患者可以在診間預(yù)約復(fù)診、預(yù)約檢查。目前，醫(yī)院已經(jīng)實現(xiàn)超聲檢查現(xiàn)場出報告；檢查結(jié)果無需打印，患者直接在網(wǎng)絡(luò)、APP上查詢。

1.3 載荷約束條件

電動輪自卸車滿載靜止工況是對整體結(jié)構(gòu)的基本要求；另外，由于滿載電動輪自卸車在行駛的過程中不可避免地有轉(zhuǎn)彎和剎車過程，故需對離心慣性力和制動慣性力進行考慮。離心慣性力按加速度 0.3g(2.94 m/s

)進行核算；制動慣性力按加速度 1.39m/s

(30km/h 的初速度在 25 米內(nèi)制動)進行核算。故利用慣性釋放法，將各加速度沿著既定方向進行施加，同時將車廂底部的部分節(jié)點進行全約束，如圖3所示。綜合考慮自卸車在實際中的典型工況，本分析中針對以下四種典型工況對電動輪自卸車強度進行核算：

目前，跟國家老齡化研究所其他領(lǐng)域的資助相比，申請阿爾茨海默病的研究資助要容易得多：對于2018年阿爾茨海默病的研究資助申請，經(jīng)過同行評審，排名在前28%的申請都得到了資助；對于非阿爾茨海默病的研究資助申請，只有排名前19%的申請才能得到資助?；舻滤拐f：“不過，消息傳開后，過去幾年中針對阿爾茨海默病研究的高質(zhì)量申請有了大幅增加，因此，爭取資助的競爭仍然很激烈?！?/p>

模型中的非線性部分模擬，模型中的非線性主要是指車廂底部橡膠剛度的非線性，這里統(tǒng)一將其剛度視為線性的，并只取垂向剛度，用車廂底部橡膠的彈性模量來等效。

此種工況時只需等效各部件的自重，該工況為自卸車靜止或處于勻速行駛狀態(tài)，該工況下車廂所受載荷為“載重”與“車廂自重”之和，取慣性加速度為 9.8 m/s

，方向向下。

電動輪自卸車車廂模型如圖1所示，由于車廂幾何模型的工藝孔、吊耳孔、螺紋孔等不影響有限元仿真計算的結(jié)果，故在進行幾何清理的時候直接忽略掉這些工藝特征。且車廂鋼板材料參數(shù)為，彈性模量：2.06×10

Pa，泊松比：0.3，屈服強度：460MPa，密度：7800Kg/m

。

OptiStruct高度差異化的特點在于它的求解速度、準確性和穩(wěn)定性。求解器的診斷功能提供了無與倫比的模型調(diào)試能力，進一步準確模擬設(shè)計模型。

(3)滿載轉(zhuǎn)彎工況

此工況下，考慮側(cè)向離心力作用，取側(cè)向加速度為：0.3×9.8 =2.94 m/s

；垂直加速度?。?×9.8=19.6 m/s

。

(4)滿載轉(zhuǎn)彎制動工況

此工況等效重力作用到車廂上仍然用靜止?jié)M載的方法，但此時由于慣性力和離心力的共同作用，貨物對車廂產(chǎn)生的作用發(fā)生了變化，左右縱梁上的載荷可能發(fā)生偏載，故在靜止?jié)M載計算的基礎(chǔ)上除了加上慣性加速度和離心加速度外，仍需重新計算縱梁橡膠處受力，而其他等效重力可沿用以上靜止?jié)M載工況的結(jié)果。

第一，專業(yè)化優(yōu)勢。專業(yè)化優(yōu)勢主要體現(xiàn)在其服務(wù)的精準化、個性化，平臺以海量數(shù)據(jù)作為養(yǎng)老需求分析的依據(jù)，再通過對智慧養(yǎng)老服務(wù)過程中不斷反饋回來的服務(wù)數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)測，實時更新和完善服務(wù)需求信息，優(yōu)化配置服務(wù)需求供給，需求得到及時回應(yīng)，使得智慧養(yǎng)老服務(wù)受益群體產(chǎn)生積極的服務(wù)體驗。以服務(wù)需求提供者的專業(yè)化服務(wù)，打造服務(wù)對象心中的專業(yè)化服務(wù)形象。此外，通過提高服務(wù)提供者(第三方)的專業(yè)準入門檻，采用服務(wù)準入的專業(yè)化評估、專業(yè)服務(wù)水平考核的方式，不斷地提高智慧養(yǎng)老服務(wù)平臺的專業(yè)化水平。

由于自卸車轉(zhuǎn)向時主要靠車架縱梁上橡膠墊處摩擦力以及斗銷處作用力來平衡車廂及貨物離心力，而車架一側(cè)的擋板僅限制車廂的擺動，故此力可以忽略。根據(jù)力及力矩的平衡可以計算三個方向的加速度，取側(cè)向加速度為：0.3×9.8 =2.94 m/s

；行駛方向加速度取：1.39 m/s

；垂直加速度?。捍怪奔铀俣热。?×9.8=19.6 m/s

。

1978年以來，中國農(nóng)藥出口到世界各地，影響力越來越強，如在東南亞、非洲等國家和地區(qū)使用量越來越多，也有越來越多的國內(nèi)農(nóng)藥企業(yè)憑借成本及質(zhì)量優(yōu)勢融入全球市場，以原藥或中間體的形式切入國際農(nóng)藥巨頭的供應(yīng)鏈。還有一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)、民營企業(yè)也加入到出口的行列，廣泛參與全球競爭。更多企業(yè)融入全球經(jīng)濟快速發(fā)展的大環(huán)境中，這無疑是改革開放的功勞。

2 結(jié)果分析

2.1 滿載靜止

通過Optistruct求解器進行有限元計算，可得到電動輪自卸車車廂的應(yīng)力云圖如圖4所示，該工況下的最大應(yīng)力為43.8MPa，遠遠小于材料的屈服強度，安全系數(shù)為10.50，出現(xiàn)在第一橫梁和右縱梁的交界處；同時車廂前板與頂部板件連接支架位置附近也出現(xiàn)了高應(yīng)力水平區(qū)域，說明重物重力傳遞到車廂前部。

(2)復(fù)合緩蝕阻垢劑的最優(yōu)配比實驗。在總質(zhì)量濃度240 mg/L不變的條件下進行最優(yōu)配比實驗，緩蝕劑和阻垢劑質(zhì)量濃度見表3。在60℃、常壓條件下對不同配比的復(fù)合緩蝕阻垢劑的性能進行測試。

2.2 滿載制動

改變載荷條件，施加前進方向的制動加速度，最終得到的電動輪自卸車車廂應(yīng)力云圖如圖5所示，應(yīng)力最大位置和滿載靜止工況的相近，且最大應(yīng)力為46.6MPa，安全系數(shù)為9.87。

2.3 滿載轉(zhuǎn)彎

根據(jù)滿載轉(zhuǎn)彎的工況特點，施加側(cè)向加速度和垂向加速度，然后提交Optistruct進行求解計算，最終得到的車廂應(yīng)力云圖如圖6所示，最大應(yīng)力為110.4MPa，出現(xiàn)在右縱梁和第一橫梁交界位置，安全系數(shù)達到4.16；而。

2.4 滿載轉(zhuǎn)彎制動

該工況下車輛會承受側(cè)向方向、豎直方向和行駛方向三個方向的加速度，故同樣利用慣性釋放法將三個加速度施加與車廂有限元模型中，最后計算得到的應(yīng)力云圖如圖7所示，最大應(yīng)力為116.4MPa，最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在右縱梁和第一橫梁交界位置，安全系數(shù)為3.95。

3 結(jié)論

本文首先對電動輪自卸車車廂幾何模型進行了簡化處理，忽略掉不影響計算結(jié)果的工藝孔等幾何特征，然后建立了車廂有限元模型，分析了滿載靜止工況、滿載制動工況、滿載轉(zhuǎn)彎工況和滿載轉(zhuǎn)彎制動工況下的應(yīng)力分布情況并進行了強度校核，最終電動輪自卸車車廂的安全系數(shù)在四種工況下分別為10.50、9.87、4.16、3.95，滿足設(shè)計要求和使用要求。

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