基于ANSYS的土壤采集車(chē)車(chē)廂骨架研究

潘朗

摘 要：此文章的目標(biāo)是針對(duì)土壤采集車(chē)車(chē)廂骨架的輕量化研究。針對(duì)從約翰迪爾825i型改良而來(lái)的土地采集車(chē)輛，利用ANSYS workbench 19.1有限元分析軟件，對(duì)土地采集車(chē)車(chē)廂骨架構(gòu)件進(jìn)行了靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)的分析，結(jié)果表明，在驗(yàn)證了網(wǎng)格劃分質(zhì)量的情況下，骨架的最大應(yīng)力為41.274 MPa，證明這種改造后的車(chē)體骨架不會(huì)折斷；同時(shí)，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)其一階模態(tài)為28.145 Hz，所有六階模態(tài)與道路最大激發(fā)頻率25Hz均不會(huì)重合，因此在工作狀態(tài)下不會(huì)產(chǎn)生共振疲勞。之后，在保證了網(wǎng)格劃分質(zhì)量的前提下，嘗試采用拓?fù)鋬?yōu)化的方式，在保留原車(chē)架結(jié)構(gòu)質(zhì)量約60%的情況下令其所受強(qiáng)度低于結(jié)構(gòu)鋼屈服強(qiáng)度，在工作情況下可用。

關(guān)鍵詞：改裝車(chē) 有限元 車(chē)廂骨架優(yōu)化 輕量化

1 引言

1.1 研究背景

隨著國(guó)內(nèi)工程的進(jìn)展，土壤采集車(chē)已成為工程其中的一環(huán)并有著至關(guān)重要的意義。在汽車(chē)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用有限元法的研究方法能夠使汽車(chē)產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加合理與準(zhǔn)確。針對(duì)某具體型號(hào)土壤所采集車(chē)輛的車(chē)廂結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并通過(guò)有限元?jiǎng)討B(tài)分析和模擬改善產(chǎn)品設(shè)計(jì)特性。

1.2 研究目的和意義

在采集車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中，車(chē)輛不僅要接受來(lái)自路面的持續(xù)負(fù)荷沖擊，還要接受自身發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的循環(huán)負(fù)荷的激勵(lì)，加上附加負(fù)荷的影響而產(chǎn)生震動(dòng)和噪音。一旦列車(chē)與外部負(fù)載之間頻繁出現(xiàn)共振，則整體列車(chē)構(gòu)造的剛度和可靠性就會(huì)急劇下降，震動(dòng)變形和噪音變化也會(huì)大幅上升，進(jìn)而嚴(yán)重影響土壤采集車(chē)輛的運(yùn)行穩(wěn)定性、使用舒適性和使用壽命。所以，就必須采用一定的科學(xué)手段對(duì)土壤采集車(chē)車(chē)廂車(chē)架的構(gòu)造特性、靜力學(xué)特性、及其在外部負(fù)載刺激下的動(dòng)態(tài)應(yīng)變特征等開(kāi)展系統(tǒng)調(diào)研，以便于對(duì)土壤采集車(chē)車(chē)廂構(gòu)造實(shí)際存在的問(wèn)題、現(xiàn)狀加以合理解，為各公司合理改進(jìn)、設(shè)計(jì)提供參考。

1.3 研究現(xiàn)狀

有限元結(jié)構(gòu)分析方法的使用場(chǎng)合已相當(dāng)廣闊，范圍幾乎涵蓋到了工程中各領(lǐng)域產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析，乃至整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)。目前對(duì)汽車(chē)車(chē)架的有限元分析研究己由早期的單一構(gòu)件靜態(tài)強(qiáng)度分析方法進(jìn)展到現(xiàn)在的構(gòu)件動(dòng)態(tài)特性分析方法與優(yōu)化，并獲得了一定成績(jī)。

1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容

（1）建立車(chē)架的有限元模型。通過(guò)實(shí)地調(diào)查，觀察車(chē)廂骨架構(gòu)件的形狀和結(jié)構(gòu)，采用合理的方式構(gòu)建車(chē)廂骨架模型。該方法可以為動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué)性能的計(jì)算提供較好的理論依據(jù)。

（2）對(duì)車(chē)輛框架的靜態(tài)性能進(jìn)行了研究。靜態(tài)性能分為剛性與強(qiáng)度兩個(gè)方面。對(duì)三種不同工況下的改裝汽車(chē)進(jìn)行了模擬，即工作工況、制動(dòng)工況和轉(zhuǎn)向工況。通過(guò)對(duì)3種工作狀態(tài)下的集土車(chē)輛的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度與剛性的計(jì)算，得出了其在各種工作狀態(tài)下的受力及變形曲線。

（3）對(duì)車(chē)輛框架的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了研究。由于車(chē)輛在日常行車(chē)中受到的負(fù)荷也不盡相同，因此對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)性能的研究。通過(guò)對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)化計(jì)算，得到了車(chē)身結(jié)構(gòu)的六階自振特性曲線。利用共振法對(duì)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，得到了結(jié)構(gòu)構(gòu)件在結(jié)構(gòu)上的反應(yīng)。這兩種方法為下一步的優(yōu)化工作提供了理論基礎(chǔ)。

（4）車(chē)廂骨架拓?fù)鋬?yōu)化。針對(duì)某一特定的內(nèi)燃機(jī)工況，對(duì)該框架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)配置，并在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了靜態(tài)計(jì)算，以檢驗(yàn)其精度。

2 車(chē)廂結(jié)構(gòu)分析的有限元理論

2.1 有限元基本理論

有限元是利用數(shù)值逼近技術(shù)對(duì)實(shí)際物理進(jìn)行數(shù)值模擬的一種方法。在一定條件下，該算法可以用簡(jiǎn)便的方式求解出一個(gè)無(wú)限函數(shù)。此解析法采用了一個(gè)互連子門(mén)限為臨界點(diǎn)的必要條件，假定各元素之間有一個(gè)簡(jiǎn)單的逼近解，然后用求出臨界點(diǎn)的條件來(lái)解決問(wèn)題。該方法所得到的解并非問(wèn)題的準(zhǔn)確數(shù)值，而只是一個(gè)逼近問(wèn)題，它可以由一個(gè)問(wèn)題取代實(shí)際問(wèn)題，得到高精度的求解，是一種非常有用和實(shí)用的方法。

對(duì)于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問(wèn)題，有限元法的基本步驟是相同的，但具體公式的推導(dǎo)和計(jì)算是不同的。有限元求解的基本步驟通常為：

（1）問(wèn)題求解領(lǐng)域的界定：確定基礎(chǔ)的物理性質(zhì)和幾何形狀，并按現(xiàn)實(shí)條件確定。

（2）解域的分散：用有限數(shù)目的單元構(gòu)成的離散域，其尺寸和形狀各異，一般稱之為 FEM網(wǎng)絡(luò)。而且，隨著單元的減小，離散區(qū)域的近似也變得更好，得到了更精確的數(shù)值。在求解局部離散問(wèn)題時(shí)，其關(guān)鍵在于求解局部的離散性問(wèn)題。

（3）狀態(tài)變量的判定與調(diào)控：一般采用狀態(tài)變量較大、邊界條件周期較大的差分方程來(lái)表示，但在有限元分析中，一般采用等價(jià)的函數(shù)表示。

（4）單元推演：選取合適的單元座標(biāo)和構(gòu)造單元測(cè)試，包含由有限元導(dǎo)出的行列式，得到各個(gè)狀態(tài)變量間的離散關(guān)聯(lián)單位，由此構(gòu)造單元矩陣。

（5）總裝解決：把整體組件轉(zhuǎn)換成一個(gè)整體的整體總矩陣（復(fù)合式），它體現(xiàn)了在相似的計(jì)算領(lǐng)域中，單位功能的連續(xù)性必須符合某些連續(xù)的要求。最終組裝是在相同的單元結(jié)點(diǎn)中進(jìn)行的，并且在這個(gè)結(jié)點(diǎn)上，可以連續(xù)地設(shè)置一個(gè)狀態(tài)變量和它的微分。

（6）聯(lián)立方程式的解析及結(jié)果的說(shuō)明：用有限單元方法最后得出了一個(gè)聯(lián)立式。聯(lián)立方程可用直接法、迭代法、隨機(jī)法等方法進(jìn)行求解。一般情況下，其數(shù)值都是單位結(jié)的狀態(tài)變量。在此基礎(chǔ)上，我們會(huì)將所得到的實(shí)際品質(zhì)與所提供的能力進(jìn)行對(duì)比，以作評(píng)價(jià)和決策。

Timoshenko梁法是 ANSYS中的一個(gè)重要概念。梁的橫斷面在受到外力作用下，其斷面依然平坦，不會(huì)產(chǎn)生彎曲。橫斷面上的剪切力和橫斷面上的剪切力是一樣的。所以，這個(gè)模塊對(duì)所有的橋都有對(duì)應(yīng)的厚度的規(guī)定。此外，因?yàn)槠湟髮?duì)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行中央負(fù)載。因而，通過(guò)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行精細(xì)處理，可以保證對(duì)集中載荷作用的方向不發(fā)生偏差。同時(shí)，由于這種結(jié)構(gòu)的特殊性，在分析線性、大變形和大扭矩等方面也得到了廣泛的運(yùn)用。壓力強(qiáng)化是一個(gè)預(yù)設(shè)的單元，而應(yīng)力強(qiáng)化的選取可以讓這個(gè)單元更適用于對(duì)曲線進(jìn)行解析，同時(shí)也考慮到了橫向和轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性問(wèn)題。

振動(dòng)模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性。通過(guò)模態(tài)分析，可以了解結(jié)構(gòu)在易受影響的頻率范圍內(nèi)的主要振型特征，預(yù)測(cè)在該頻段內(nèi)各種外部或內(nèi)部振動(dòng)源作用下結(jié)構(gòu)的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和設(shè)備故障診斷的重要方法。

2.2 ANSYS的初步介紹

ANSYS是由美國(guó) ANSYS公司開(kāi)發(fā)的一種大規(guī)模的 FTEA軟件，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)靜力學(xué)，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，剛體動(dòng)力學(xué)，流體動(dòng)力學(xué)，結(jié)構(gòu)熱，電磁場(chǎng)，耦合磁場(chǎng)等進(jìn)行數(shù)值模擬。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。本次試驗(yàn)中將著重采用結(jié)構(gòu)分析中的靜力學(xué)、模態(tài)、諧響應(yīng)分析三種類型，同時(shí)也運(yùn)用到了非線性分析中的拓?fù)鋬?yōu)化。

2.3 有限元實(shí)際分析中的注意事項(xiàng)

（1）對(duì)于三維模型，每個(gè)部件都有3個(gè)平動(dòng)自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；對(duì)于二維模型，每個(gè)部件都有2個(gè)平動(dòng)自由度和1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。在建立靜態(tài)力學(xué)模型時(shí)，需要對(duì)各單元的平面和旋轉(zhuǎn)自由度進(jìn)行充分的限定，以防止其發(fā)生非剛性變形，從而使計(jì)算結(jié)果難以收斂。就算可以控制，其后果也常常是不正確的。

（2）載荷與約束施加方法有兩種：矢量 Vector 或分量 components。矢量只需給定載荷大小與某一方向，分量需給定某一坐標(biāo)軸的XYZ三個(gè)方向的數(shù)值，可以是默認(rèn)全局坐標(biāo)，也可以是用戶建立的坐標(biāo)。在選取為向量時(shí)，其定向的概念與CAD程序的基本一致，也就是說(shuō)，在選取一個(gè)面時(shí)，向量的方向與平面是垂直的；當(dāng)采用柱形或圓形時(shí)，其向量值是沿著軸的方向；當(dāng)邊框/行選定時(shí)，沿著邊緣/直線的向量方向；在選取兩個(gè)拐角的時(shí)候，該向量會(huì)沿著兩個(gè)圓心的連線。

（3）在固定約束位置會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力奇異性，因此不能用約束點(diǎn)上的應(yīng)力來(lái)確定其結(jié)果。

3 車(chē)廂骨架有限元模型的建立

3.1 車(chē)廂實(shí)體模型

本論文的研究對(duì)象是某型號(hào)土壤采集車(chē)。該車(chē)是在約翰迪爾825i型號(hào)基礎(chǔ)上，通過(guò)安裝本田GX200單缸四沖程汽油機(jī)與機(jī)械臂組合而成的。車(chē)廂主要是作為承接機(jī)械臂和安裝發(fā)動(dòng)機(jī)總成的支架而存在。其中GX200總成約為80公斤，作用于車(chē)廂上半部分加裝的平臺(tái)上。機(jī)械臂全重約為50公斤，鉚接于車(chē)廂右側(cè)靠近車(chē)門(mén)的位置。車(chē)廂骨架主要承載以及受力的梁為60*60mm的實(shí)心方形鋼管。

通過(guò)采用分片組焊，骨架部分在各端面完成之后進(jìn)行合攏焊接，車(chē)廂骨架外蒙皮選擇鋁合金板，厚度1mm。內(nèi)蒙皮材料與厚度相同。

3.2 車(chē)廂骨架模型的簡(jiǎn)化

有限元分析方法的目的，是為了復(fù)原某個(gè)實(shí)際工程體系的計(jì)算數(shù)學(xué)活動(dòng)特征。所以，在開(kāi)展有限元分析方法之前，首先要建立一個(gè)關(guān)于特定的工程問(wèn)題的模型。在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，模型的建立往往是十分繁瑣的，幾乎不可能按照原來(lái)的模型來(lái)進(jìn)行，因此需要改進(jìn)。但是，由于模型的復(fù)雜性會(huì)使計(jì)算的效果受到一定的限制，如果模型的不正確，將會(huì)增加整個(gè)計(jì)算機(jī)的處理能力，使其處理的工作變得更加繁瑣。不能得到一個(gè)科學(xué)、合理的數(shù)值。對(duì)于某些比較復(fù)雜的模型，其操作會(huì)比較繁瑣，有時(shí)會(huì)超出整體的計(jì)算量而不能求解。

模型的簡(jiǎn)化過(guò)程不可避免地涉及到細(xì)節(jié)的問(wèn)題，這是由于細(xì)節(jié)是由它們對(duì)分析的影響而不是由部件的尺寸決定的。而一些不重要的細(xì)節(jié)，則會(huì)被忽略。因?yàn)槿羰潜槐４嫦聛?lái)，不僅會(huì)讓模型變得更加復(fù)雜，而且還會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的耗時(shí)變長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致計(jì)算失敗。土壤收集車(chē)的骨架是一個(gè)較為精密的模型，它包含了大量的非承載部件。盡管它們不會(huì)受到太大的壓力，對(duì)車(chē)體的影響也不會(huì)太大，但是它們的出現(xiàn)增加了求解問(wèn)題的困難。因此，在設(shè)計(jì)的前期階段，要盡可能地減少結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在保證結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力分布和變形的同時(shí)，進(jìn)一步改進(jìn)計(jì)算的準(zhǔn)確性和合理性。

3.3 有限元模型的建立

3.3.1 材料參數(shù)

該土壤采集車(chē)采用約翰迪爾825i，車(chē)廂骨架材料選擇結(jié)構(gòu)鋼。其物理參數(shù)為：密度7.85g/cm3，彈性模量為2.00，泊松比為0.3，線膨脹系數(shù)1.2*10-5。

3.3.2 幾何模型的建立

在經(jīng)過(guò)考察之后，利用Solidworks和ANSYS Design Modeller構(gòu)建車(chē)輛的實(shí)體模型。

之后經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，得出了車(chē)廂骨架的模型。

簡(jiǎn)化過(guò)程主要采取了以下措施：

（1）區(qū)分支承部件、輔助支承部件和輔助安裝部件并忽略后二者。

（2）對(duì)構(gòu)件外表上的氣孔、臺(tái)肩、凹部和翻面等根據(jù)具體情況做了光滑的處理。

（3）把銜接部位從很小的圓形過(guò)度縮短為直角過(guò)度，以增加對(duì)整車(chē)模型的運(yùn)算速率。

（4）忽略蒙皮。盡管基于經(jīng)驗(yàn)和理論分析都表明，車(chē)身蒙皮雖然在一定程度上提高了汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，但基本上并不會(huì)影響汽車(chē)內(nèi)部自由震動(dòng)的振型和其排列次序，因此可以在汽車(chē)工程實(shí)際中更多省略蒙皮，從而減少模型和運(yùn)算的實(shí)際工作量。

3.3.3 網(wǎng)格的劃分

有限元單元的網(wǎng)格分割問(wèn)題是其最重要的環(huán)節(jié)，它將對(duì)后續(xù)的數(shù)值模擬分析的正確性產(chǎn)生重要的作用。所以，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，必須充分考慮分析的準(zhǔn)確性和計(jì)算代價(jià)，而不能只注重計(jì)算代價(jià)的減少。是要在有限元計(jì)算中增加計(jì)算的準(zhǔn)確性，還要根據(jù)工程的要求，合理地選取各單位，以達(dá)到兩者之間的均衡。在有限元程序中，各單位都有相應(yīng)的計(jì)算描述，必須對(duì)各單位的荷載類型、自由度和各單位的特點(diǎn)進(jìn)行全面的認(rèn)識(shí)，并結(jié)合工程實(shí)踐來(lái)確定各單位的具體情況。由于現(xiàn)實(shí)中的網(wǎng)格包含多種形狀，其結(jié)構(gòu)十分繁雜，難以將其分割成適當(dāng)?shù)膯卧?，以減小與期望的誤差。為了盡可能接近于期望的單位，利用有限元軟件中的單元庫(kù)，從結(jié)構(gòu)的幾何特征中尋找出最優(yōu)的單元，并利用評(píng)估指數(shù)來(lái)判斷單元的外形。在選取指標(biāo)時(shí)，要注意選取不同結(jié)點(diǎn)的單元，如六面體、四邊形、三角形等單元，邊長(zhǎng)不宜大于3，二次型單元的邊長(zhǎng)不宜大于10。

通過(guò)軟件的計(jì)算，得到了單元98034個(gè)，結(jié)點(diǎn)189419個(gè)。

4 車(chē)廂骨架結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

4.1 靜力學(xué)分析基礎(chǔ)

靜力結(jié)構(gòu)研究的主要功能，在于研究結(jié)構(gòu)在給定靜力載荷情況下的反應(yīng)狀態(tài)下的變形、應(yīng)力及其移動(dòng)情況，所關(guān)心的一般是結(jié)構(gòu)的移動(dòng)、約束反力、應(yīng)力和應(yīng)變等技術(shù)參數(shù)，以期對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛性等加以考慮，從而使結(jié)構(gòu)更安全和經(jīng)濟(jì)。

4.2 載荷和工況

根據(jù)土壤采集車(chē)的實(shí)際使用情況和GB/T 12678-1990《汽車(chē)可靠性行駛試驗(yàn)方法》，分為工作工況、制動(dòng)工況和轉(zhuǎn)彎工況三種典型工況。

4.3 三種工況下的強(qiáng)度計(jì)算

在ANSYS Workbench軟件中采取將重力施加至車(chē)廂上部加裝平臺(tái)平面以表明車(chē)廂骨架受到的載荷。通過(guò)判斷ANSYS單元的長(zhǎng)寬比，其大部分單元長(zhǎng)寬比均在1.2-10之間，從邏輯上大大減少了靜力學(xué)分析出錯(cuò)的可能性。

4.3.1 工作工況

工作工況的狀態(tài)為車(chē)輪與路面接觸，車(chē)輛處于靜止?fàn)顟B(tài)。單缸機(jī)只在固定端施以負(fù)荷。通過(guò)設(shè)置，對(duì)車(chē)廂骨架施以負(fù)荷和邊界的條件約束。最終結(jié)果如圖。

4.3.2 制動(dòng)工況

在剎車(chē)過(guò)程中，利用等效法將制動(dòng)力簡(jiǎn)化為對(duì)車(chē)輛進(jìn)行的集中載荷。如果將道路的最大粘合因子設(shè)置為0.7，那么，其負(fù)載的作用大小等于0.7*9.8m/s2。剩余的負(fù)載和工作工況是一樣的。

4.3.3 轉(zhuǎn)彎工況

轉(zhuǎn)向時(shí)，設(shè)置了大約0.4的道路附著因子，離心力約為0.4×9.8m/s2。其他的負(fù)荷和工作工況是相同的。

4.4 計(jì)算結(jié)果分析

車(chē)廂內(nèi)骨架構(gòu)件的熱靜力學(xué)研究結(jié)果如上所示，在各工況中產(chǎn)生的最大內(nèi)部應(yīng)力值為41.274MPa，出現(xiàn)在轉(zhuǎn)彎工況。各工況條件下產(chǎn)生的應(yīng)力，大部分聚集車(chē)架與加裝的鋼架的接縫處。而由于車(chē)輛骨架焊接所用的結(jié)構(gòu)鋼在Q235的屈服限值235MPa，超過(guò)了車(chē)輛骨架焊接所承受的應(yīng)力限值，所以該車(chē)車(chē)廂骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是比較科學(xué)合理的。在這四個(gè)工作情況中，車(chē)廂骨架的最大變形量是0.8098mm，發(fā)生在制動(dòng)工況，而發(fā)生變化的部位則在加裝的前側(cè)鋼架。

5 車(chē)廂骨架結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

動(dòng)態(tài)負(fù)載可劃分為快速動(dòng)作的沖擊力（例如空氣錘），以及隨時(shí)間周期性變化的空氣壓氣機(jī)的曲柄等周期負(fù)載，以及諸如車(chē)輛引擎的曲柄等無(wú)周期變化的隨機(jī)負(fù)載。而在動(dòng)態(tài)荷載作用下，建筑物的反應(yīng)分析就是所謂的動(dòng)力分析。由于結(jié)構(gòu)靜荷載和結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算的特點(diǎn)存在差異，因此在計(jì)算過(guò)程中必須增加負(fù)載的時(shí)域反應(yīng)、結(jié)構(gòu)的慣性反應(yīng)等參數(shù)。ANSYS Workbench可以完成的分析方法有：模式分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、光譜分析等。

從振動(dòng)原理可知：模態(tài)是一種具有固定頻率、阻尼比、模態(tài)模態(tài)等基礎(chǔ)參量的工程建筑。此外，由于其線性疊合機(jī)制，可以將同一復(fù)雜的結(jié)構(gòu)振動(dòng)分為許多不同的模式。一般認(rèn)為，以系統(tǒng)振蕩理論為基礎(chǔ)，以模式參數(shù)為主要研究對(duì)象的系統(tǒng)解析，稱為模態(tài)分析。

5.1 車(chē)廂骨架模態(tài)分析

固定振動(dòng)特征是機(jī)械結(jié)構(gòu)的基本特征之一，把這些特征都叫做模式。固定頻度、固定振型、模式質(zhì)量、模態(tài)剛度和模態(tài)阻尼比等也叫做模式的基本參數(shù)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)或?qū)嶒?yàn)的方法獲取結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，這一步驟稱為結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。在該型改裝車(chē)設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于考慮到車(chē)輛接受了外部激勵(lì)，確定列車(chē)結(jié)構(gòu)在激發(fā)下的反應(yīng)，從而了解列車(chē)的動(dòng)力學(xué)特征，需要對(duì)列車(chē)骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。而按照模態(tài)分析理論，由于低頻段震動(dòng)對(duì)土壤采集車(chē)車(chē)廂骨架結(jié)構(gòu)的構(gòu)造影響很大，因此針對(duì)此次研制的骨架構(gòu)造，只開(kāi)展前六階模態(tài)與固有振型的分析。

5.1.1 模態(tài)分析方法

模態(tài)分析是動(dòng)力特性分析的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，可以充分了解車(chē)架的振動(dòng)特性，且可作為基礎(chǔ)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。模態(tài)分析技術(shù)從20世紀(jì)60年代后期發(fā)展至今，已經(jīng)應(yīng)用到許多工程領(lǐng)域，如航空、航天、造船、機(jī)械、建筑、橋梁等。

5.1.2 模態(tài)分析結(jié)果

分析后的結(jié)果如下。

（1）固有頻率分析

通過(guò)對(duì)模型的振型計(jì)算，得出了該結(jié)構(gòu)的前部6階自振頻率在28.745～84.342 Hz之間。外在的動(dòng)力來(lái)源有公路動(dòng)力和車(chē)輛引擎動(dòng)力兩種。從車(chē)輛的振動(dòng)原理出發(fā)，認(rèn)為一次車(chē)體的一次自振頻率必須在20赫茲以上，最好在25赫茲以內(nèi)。該結(jié)構(gòu)一階結(jié)構(gòu)的自振頻率為28.745 Hz，能夠避免道路振動(dòng)引起的共振。

不同轉(zhuǎn)速下的激振頻率可由下式求得：

用有限元方法對(duì)其進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在空載（750 rpm）下，一階扭振頻率為28.745 Hz，而在空載（750 rpm）下，其激發(fā)頻率為25±1.67赫茲，這與車(chē)輛的自然頻率不符。同時(shí)，因?yàn)橐娴目辙D(zhuǎn)時(shí)間很短暫，所以沒(méi)有引起共振。

（2）模態(tài)振型分析

從圖中可以看出，第一、四階模態(tài)是扭振，車(chē)身的變形在5.5-14毫米之間。第二階、第三階和第六階為撓振，其中六階的撓度最大為9.77毫米。對(duì)其進(jìn)行了振動(dòng)云圖的解析，結(jié)果表明，主要的動(dòng)力元件主要分布在骨架前端?？紤]到模型的簡(jiǎn)化及模擬時(shí)的表面效應(yīng)，實(shí)際的變形應(yīng)該比解析結(jié)果要小。

5.2 諧響應(yīng)分析

5.2.1 諧響應(yīng)理論基礎(chǔ)

諧響應(yīng)分析是用于確定線性結(jié)構(gòu)在隨時(shí)間變化的根據(jù)正弦（諧波）規(guī)則的載荷時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，主要優(yōu)點(diǎn)是，它可以使用更少的運(yùn)動(dòng)方程和自由程度，直觀，簡(jiǎn)潔而準(zhǔn)確地反映復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，大大減少了測(cè)量、分析和計(jì)算的工作量。

5.2.2 諧響應(yīng)分析結(jié)果

諧響應(yīng)分析的初始條件是車(chē)輛靜止，發(fā)動(dòng)機(jī)工作。將單缸機(jī)在車(chē)架上的壓力設(shè)為載荷，分析頻率范圍設(shè)為9-90Hz，頻率間隔為9Hz。根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果，選取前桿上部進(jìn)行正弦激勵(lì)下車(chē)體的響應(yīng)分析。

在進(jìn)行諧振響應(yīng)的分析時(shí)， ANSYS Workbench軟件對(duì)10個(gè)頻段進(jìn)行了采樣。并給出了整個(gè)車(chē)身在加載作用下的應(yīng)變譜。

從圖7可以看出，在54 Hz的頻率下，骨骼的前端部分會(huì)發(fā)生很大的形變，但是仍然非常的少。剩余的結(jié)點(diǎn)在激發(fā)作用下的變形較少。因?yàn)樗囊娴淖罡咿D(zhuǎn)速時(shí)的頻率是87赫茲，所以當(dāng)引擎工作平穩(wěn)時(shí)，框架不會(huì)發(fā)生塑性變形。

6 車(chē)廂骨架拓?fù)鋬?yōu)化仿真

通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，使用者可以在物料空間中確定支撐和加載的位置，并讓軟件找到最好的外形。使用者可以輕松完成構(gòu)件的減量化、 CAD外形的抽取和優(yōu)化設(shè)計(jì)。如果不進(jìn)行拓?fù)?，組裝過(guò)程中的每一個(gè)零件都會(huì)有額外的負(fù)重，會(huì)導(dǎo)致更多的物料消耗。

將車(chē)廂骨架導(dǎo)入至ANSYS的拓?fù)浞治瞿K之中，在響應(yīng)約束中設(shè)置質(zhì)量留存率為90%，并開(kāi)始進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化仿真以降低車(chē)廂骨架的重量，減輕因慣性帶來(lái)的影響。拓?fù)鋬?yōu)化之后的結(jié)果如圖。

由ANSYS可知，新模型在劃分網(wǎng)格之后有著93050個(gè)單元與183655個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此在精度方面有著初步保證。且網(wǎng)格劃分與之前的骨架類似，大部分網(wǎng)格均處于長(zhǎng)寬比1.1-10的范圍之中。因此靜力學(xué)仿真結(jié)果可用。

在此基礎(chǔ)上，驗(yàn)證此車(chē)架是否符合工作工況的強(qiáng)度要求。在ANSYS中施加與默認(rèn)工況下相同的負(fù)載。將追加的單缸內(nèi)燃機(jī)的重力施加于前端上側(cè)金屬桿，并且對(duì)底部金屬桿施加固定約束。最后的結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，新骨架受力最大值為170MPa，低于材料應(yīng)力許用值235MPa，因此在工作工況下是可行的。同時(shí)，根據(jù)車(chē)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)（式中[σ]為材料的許用應(yīng)力，表示各工況范式等效應(yīng)力），分別代入235MPa和170.23MPa，算出結(jié)果n=1.37，符合經(jīng)濟(jì)原理，且降低了成本。

7 結(jié)語(yǔ)

本論文以一種典型的土樣為對(duì)象進(jìn)行了試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用 ANSYS Workbench建立了火車(chē)框架結(jié)構(gòu)的有限元模型，在工作、剎車(chē)、轉(zhuǎn)向四種工況下進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜態(tài)穩(wěn)定分析。隨后，根據(jù)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性研究。在這篇論文中，得到了以下幾個(gè)方面的結(jié)果：

（1）建立了土壤采集車(chē)的簡(jiǎn)單模型，并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。

（2）對(duì)某一典型運(yùn)行狀態(tài)下的土壤收集汽車(chē)進(jìn)行了靜力學(xué)分析。

（3）采用模態(tài)分析方法，得到了車(chē)身結(jié)構(gòu)的前六階和振動(dòng)模式，并對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析。

（4）基于振型分析的基本原理，對(duì)諧振反應(yīng)進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的研究，得出了在工作狀態(tài)下，引擎對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的變形效應(yīng)。

（5）初步進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，在降低了重量的前提下，保證了強(qiáng)度和剛度要求，減少了材料的浪費(fèi)率，降低了成本。

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