基于ANSYS的車載移動(dòng)式拉臂鉤模態(tài)分析

摘要：為分析車載移動(dòng)式拉臂鉤在使用過程中的受力情況，提出基于ANSYS的車載移動(dòng)式拉臂鉤模態(tài)分析方法。該方法以拉臂式壓縮垃圾車的實(shí)際結(jié)構(gòu)和參數(shù)為例，采用UG軟件構(gòu)建移動(dòng)式拉臂鉤3D模型，將該模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，并利用該軟件分析車載移動(dòng)式拉臂鉤在裝箱過程中的受力情況；對移動(dòng)式拉臂鉤在使用過程中產(chǎn)生的固有振動(dòng)特性，如振型、固有頻率以及阻尼比等振動(dòng)特性參數(shù)以及受力進(jìn)行分析；進(jìn)一步優(yōu)化移動(dòng)式拉臂鉤結(jié)構(gòu)，降低移動(dòng)式拉臂鉤的集中應(yīng)力，提升其使用壽命。

關(guān)鍵詞：ANSYS；車載移動(dòng)式；拉臂鉤；模態(tài)分析；應(yīng)力分布；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：TP391 收稿日期：2023-06-13

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.018

1 前言

拉臂式壓縮垃圾車由于具有容量大、密封性較好且自動(dòng)化能力高等特點(diǎn)，成為垃圾收集和運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ?。它主要由汽車底盤、車箱以及拉臂等部分組成，其中移動(dòng)式拉臂是垃圾車上的重要部分[1]，其主要作用是支撐車箱的升降，完成車箱內(nèi)垃圾的裝卸工作。因此，垃圾在裝卸過程中，拉臂則需承載車箱的作用力[2]，包含垃圾重力、慣性力、壓縮力、摩擦力等，拉臂在不同的作用力下，會(huì)導(dǎo)致其在不同位置發(fā)生不同的受力變化，從而對拉臂的結(jié)構(gòu)造成不同程度的影響[3]，并且形成不同模態(tài)，對于拉臂的整體應(yīng)用性能和使用壽命均存在一定影響[4]。

ANSYS屬于一種大型通用、多用途的有限元分析軟件，它具有較好的應(yīng)用效果，能夠和計(jì)算機(jī)軟件接口連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交互，能夠完成結(jié)構(gòu)計(jì)算、流體分析等[5]。該軟件主要包含三個(gè)部分，即前處理模塊、分析計(jì)算模塊、后處理模塊，通過三個(gè)模塊的結(jié)合，完成結(jié)構(gòu)的靜力分析、動(dòng)力學(xué)分析、非線性分析等[6]。本文為掌握拉臂鉤的使用情況，分析車載移動(dòng)式拉臂鉤結(jié)構(gòu)在不同作用力下的受力情況以及模態(tài)變化，以確保拉臂鉤的使用效果，并提出基于ANSYS的車載移動(dòng)式拉臂鉤模態(tài)分析方法。

2 車載移動(dòng)式拉臂鉤模態(tài)分析

2.1 車載移動(dòng)式拉臂鉤3D模型構(gòu)建

2.1.1 車載移動(dòng)式拉臂鉤結(jié)構(gòu)性能參數(shù)

為分析車載移動(dòng)式拉臂鉤模態(tài)情況，本文選擇城市生活垃圾收集和運(yùn)輸普遍使用的拉臂式壓縮垃圾車為例，其外觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。該垃圾車的相關(guān)性能參數(shù)如表1所示。

2.1.2 基于UG的車載移動(dòng)式拉臂鉤3D模型構(gòu)建

確定研究對象后，為精準(zhǔn)完成其模態(tài)分析，本文采用UG軟件構(gòu)建拉臂鉤3D模型[7]。UG軟件集設(shè)計(jì)和加工為一體，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的無縫集成。因此采用該軟件進(jìn)行移動(dòng)式拉臂鉤3D建模，能夠直觀、精準(zhǔn)描述該結(jié)構(gòu)的零件的形狀以及裝配關(guān)系[8]。

采用UG軟件對移動(dòng)式拉臂鉤3D模型進(jìn)行構(gòu)建，主要包含成形特征、特征操作、特征編輯等工作，以車載移動(dòng)式拉臂鉤的性能參數(shù)為基礎(chǔ)，通過拉伸、回轉(zhuǎn)等工具以及參數(shù)化設(shè)計(jì)等，精準(zhǔn)完成拉臂鉤結(jié)構(gòu)形狀的創(chuàng)建。在創(chuàng)建過程中，可結(jié)合設(shè)計(jì)需求，進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)增加、刪除、恢復(fù)以及修改等，以此能夠保證模型的構(gòu)建效果，并且該軟件的參數(shù)化處理功能能夠更加高效地完成移動(dòng)式拉臂鉤參數(shù)的處理[9]。除此之外，該軟件具有強(qiáng)大的實(shí)體造型、虛擬裝配等功能，在模型構(gòu)建過程中，該軟件可進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析以及仿真模擬。

車載移動(dòng)式拉臂鉤屬于一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，在建模過程中，UG軟件將其劃分成數(shù)個(gè)部分完成，以此降低模型的構(gòu)建難度、提升模型的構(gòu)建精度；同時(shí)可保證構(gòu)建模型的各個(gè)部分、相對位置、裝配情況等均和實(shí)際物體吻合；在此基礎(chǔ)上，利用布爾運(yùn)算完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D實(shí)體構(gòu)建[10]。本文采用UG軟件構(gòu)建的拉臂鉤3D模型，如圖2所示。

該模型在構(gòu)建過程中，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度較高的部分則可采用綜合處理方式完成，例如曲面造型和掃掠等，通過曲面造型功能能夠完成各個(gè)曲面縫合形成實(shí)體；在此基礎(chǔ)上，將其和其他部分進(jìn)行布爾和運(yùn)算。在構(gòu)建過程中，支座類部件基體的構(gòu)建采用拉伸特征完成，筒體類零件基體則采用旋轉(zhuǎn)和拉伸特征進(jìn)行構(gòu)建。

完成車載移動(dòng)式拉臂鉤3D模型構(gòu)建后，為保證模型的精準(zhǔn)性，本文對構(gòu)建的3D模型進(jìn)行干涉檢查，依據(jù)該檢查分析各個(gè)結(jié)構(gòu)之間的接觸干涉情況。同時(shí)對模型的尺寸進(jìn)行一定范圍內(nèi)的調(diào)整，保證所構(gòu)建的模型滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 基于有限元的車載移動(dòng)式拉臂鉤受力分析

2.2.1 3D模型導(dǎo)入

通過上文完成車載移動(dòng)式拉臂鉤3D模型構(gòu)建后，進(jìn)行其受力分析，由于車載移動(dòng)式拉臂鉤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致其受力情況復(fù)雜，不同結(jié)構(gòu)在力的作用下，會(huì)發(fā)生差異性的應(yīng)力情況。因此本文為保證移動(dòng)式拉臂鉤受力情況的分析效果，將構(gòu)建的移動(dòng)式拉臂鉤3D模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，利用該軟件進(jìn)行車載移動(dòng)式拉臂鉤受力分析。

ANSYS軟件在進(jìn)行移動(dòng)式拉臂鉤受力分析時(shí)，針對不同結(jié)構(gòu)選擇特性不同的單元，文中結(jié)合移動(dòng)式拉臂鉤受力特點(diǎn)，選擇體單元進(jìn)行模型的網(wǎng)格劃分。除此之外，在進(jìn)行受力分析前，需定義移動(dòng)式拉臂鉤材料屬性，主要包含材料密度、泊松比、楊氏模量等。由于移動(dòng)式拉臂鉤由槽鋼和鋼板組成，固定支座、伸縮套等部分由方形管組成，并且各個(gè)組成部分的材料屬性幾乎一致，因此本文在進(jìn)行受力分析時(shí)，設(shè)定的材料密度為7 846.9 kg/m3、泊松比為0.3，楊氏模量為198 GPa。

確定材料屬性后，對移動(dòng)式拉臂鉤3D模型網(wǎng)格劃分時(shí)采用Generate Mesh完成，劃分后的模型中共包含178 665個(gè)節(jié)點(diǎn)、116 650個(gè)單元，其中接觸單元、彈性單元以及實(shí)體單元的數(shù)量分別為42 997個(gè)、1 336個(gè)和72 050個(gè)。網(wǎng)格劃分后的臂鉤3D模型如圖3所示。

完成網(wǎng)格劃分后，為保證模型的分析精度，需設(shè)定約束條件，以此保證模型分析過程中，移動(dòng)式拉臂鉤能夠按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行運(yùn)行。文中主要設(shè)定該模型的邊界約束，即拉臂各個(gè)剛體之間均設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)副。

完成約束條件的設(shè)定后，在固定座和伸縮套筒之間設(shè)置滑動(dòng)摩擦力，兩者之間的約束會(huì)自動(dòng)生成默認(rèn)連接約束，并且結(jié)構(gòu)之間的摩擦因數(shù)設(shè)為0.45。

2.2.2 有限元分析公式

通過上述模型，進(jìn)行移動(dòng)式拉臂鉤的受力分析，文中主要針對整體受力情況、鉤臂受力情況、抓鉤受力情況以及支座受力情況進(jìn)行分析。

如果移動(dòng)式拉臂鉤模型在空間內(nèi)的任意一點(diǎn)位移均可投影至x、y、z三個(gè)方向，此時(shí)應(yīng)力和體力分量之間的平衡方程為：

2.3 移動(dòng)式拉臂鉤受力分析

通過上文完成移動(dòng)式拉臂鉤網(wǎng)格劃分后，結(jié)合實(shí)際工程使用中的特性對移動(dòng)式拉臂鉤的支座、拉臂、拉臂鉤以及整體結(jié)構(gòu)在裝箱過程中的受力情況進(jìn)行分析。該工況在測試時(shí)，在拉臂鉤手處施加拉力，在固定支座和副車連接的主旋轉(zhuǎn)軸、液壓缸以及固定支座連接處外側(cè)施加約束。

2.3.1 固定支座受力分析

點(diǎn)擊ANSYS軟件中三維Slolve操作，對劃分完成的網(wǎng)格載荷和約束，分析模型的應(yīng)力應(yīng)變情況。獲取固定支座在裝箱過程中的受力分析，受力結(jié)果如圖4所示。

依據(jù)圖4所示的試驗(yàn)結(jié)果可知：在裝箱過程中，固定支座應(yīng)力主要集中在固定支座和舉升液壓缸連接的套管處，表示在裝箱過程中，該位置的受力最大。

2.3.2 拉臂受力分析

在裝箱過程中，拉臂的受力情況如圖5所示。

依據(jù)圖5所示的試驗(yàn)結(jié)果可知：在裝箱過程中，拉臂的應(yīng)力主要集中在鉤手位置上，應(yīng)力分布情況不均勻，存在明顯的集中情況，該情況是由于垃圾箱重力對拉臂形成的作用力導(dǎo)致的。

2.3.3 拉臂鉤受力情況分析

拉臂鉤在受力情況下的應(yīng)力情況如圖6所示。

依據(jù)圖6所示的試驗(yàn)結(jié)果可知：在裝箱過程中，拉臂鉤受力后，應(yīng)力主要集中在拉臂鉤底部和拉臂上部分的固定連接處；但是拉臂鉤的底部位置的應(yīng)力分布情況相對較為均勻，沒有發(fā)生顯著的過應(yīng)力以及應(yīng)力集中明顯區(qū)域。

2.3.4 移動(dòng)式拉臂鉤整體受力分析

移動(dòng)式拉臂鉤在受力情況下，其整體的應(yīng)力情況如圖7和表2所示。

依據(jù)圖7和表2所示的試驗(yàn)結(jié)果可知：在裝箱過程中，移動(dòng)式拉臂鉤整體的應(yīng)力分布在拉鉤和拉臂上，其中最大應(yīng)力值位于結(jié)構(gòu)的固定銷軸的切口邊緣處，此處的應(yīng)力最大值達(dá)到558.9 MPa，固定座的應(yīng)力最小，為119.7 MPa。

2.4 車載移動(dòng)式拉臂鉤優(yōu)化方案

結(jié)合上文的受力分析結(jié)果可知：移動(dòng)式拉臂鉤在使用過程中，拉鉤和固定拉臂的銷軸位置發(fā)生較為明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，該情況會(huì)導(dǎo)致該位置在循環(huán)運(yùn)行過程中發(fā)生不均衡的受力，從而導(dǎo)致其發(fā)生超過允許的磨損，影響車載移動(dòng)式拉臂鉤的整體使用壽命。本文針對該情況，對車載移動(dòng)式拉臂鉤結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部優(yōu)化。在優(yōu)化過程中，為保證優(yōu)化效果，結(jié)合模態(tài)分析結(jié)果完成。以模態(tài)分析獲取的車載移動(dòng)式拉臂鉤模態(tài)參數(shù)為依據(jù)，為其整體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化提供參考，同時(shí)優(yōu)化有限元分析模型，以此保證車載移動(dòng)式拉臂鉤的使用情況滿足行業(yè)使用標(biāo)準(zhǔn)。

2.4.1 模態(tài)分析原理

車載移動(dòng)式拉臂鉤屬于一種機(jī)械結(jié)構(gòu)，該類結(jié)構(gòu)在使用過程中，會(huì)產(chǎn)生固有的振動(dòng)特性，例如振型、固有頻率以及阻尼比，模態(tài)分析指的是通過試驗(yàn)或者計(jì)算等獲取上述振動(dòng)特性參數(shù)。

車載移動(dòng)式拉臂鉤結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)，對其進(jìn)行模態(tài)分析能夠掌握結(jié)構(gòu)在不同動(dòng)載作用下的響應(yīng)情況，同時(shí)可為移動(dòng)式拉臂鉤在動(dòng)力中的狀態(tài)分析提供依據(jù)。

模態(tài)分析的有限元方程表達(dá)式為：

[F（t）=Mu+Cu+][K][u] （4）

式中，[F（t）]表示作用力向量；[M]表示質(zhì)量矩陣；[u]和[t]分別表示位移向量和時(shí)間；[M]和[K]均表示矩陣，前者對應(yīng)阻尼，后者對應(yīng)剛度。

如果移動(dòng)式拉臂鉤結(jié)構(gòu)處于自動(dòng)振動(dòng)狀態(tài)下，則式（1）的結(jié)果等于0，此時(shí)不考慮阻尼的影響，則式（1）可簡化為：

[Mu+Ku=0] （5）

如果移動(dòng)式拉臂鉤結(jié)構(gòu)處于自動(dòng)振動(dòng)狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)中各個(gè)點(diǎn)作簡諧振動(dòng)，則公式（1）可轉(zhuǎn)換成：

[（K-ω2）u=0] （6）

式中，[ω]表示特征向量[u]的特征值，依據(jù)該公式即可獲取車載移動(dòng)式拉臂鉤在各階下的固有頻率和振型。

2.4.2 優(yōu)化方案

詳細(xì)優(yōu)化方案如下所述：

優(yōu)化1：優(yōu)化固定銷軸的結(jié)構(gòu)，將銷軸中間位置的切槽取消，使其形成不存在切槽的圓柱體，并且利用小過盈完成拉臂上部分和鉤手之間的連接。

優(yōu)化2：在零件輕量化設(shè)計(jì)的需求下，降低移動(dòng)式拉臂鉤整體質(zhì)量，以此降低其在使用過程中的構(gòu)件之間的集中應(yīng)力，設(shè)定保證移動(dòng)式拉臂鉤變形量最小作為整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)，即移動(dòng)式拉臂鉤剛度最大化，同時(shí)設(shè)定移動(dòng)式拉臂鉤體積為約束條件，設(shè)計(jì)變量即為移動(dòng)式拉臂鉤結(jié)構(gòu)的各個(gè)小單元密度。

通過上述的優(yōu)化1的方案優(yōu)化后，獲取裝箱過程中優(yōu)化后固定銷軸的應(yīng)力分布結(jié)果，如圖8所示。

依據(jù)圖8的試驗(yàn)結(jié)果可知：按照優(yōu)化1的方案優(yōu)化后，固定銷軸的應(yīng)力集中情況顯著降低，應(yīng)力最大值為496.7 MPa，明顯低于結(jié)構(gòu)優(yōu)化前固定銷軸的應(yīng)力結(jié)果。

采用優(yōu)化2的方案進(jìn)行優(yōu)化后，獲取裝箱過程中，移動(dòng)式拉臂鉤的整體應(yīng)力分布情況，其結(jié)果如圖9和表3所示。

依據(jù)圖9和表3的試驗(yàn)結(jié)果可知：對移動(dòng)式拉臂鉤整體質(zhì)量進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)后，其最大應(yīng)力為拉臂下端位置，但是分布相對較為均勻；并且移動(dòng)式拉臂鉤各個(gè)部分的應(yīng)力分布情況明顯降低，應(yīng)力結(jié)果明顯低于表2中優(yōu)化前的應(yīng)力結(jié)果。

3 結(jié)語

為分析車載移動(dòng)式拉臂鉤的受力情況，掌握其在使用過程中的使用磨損情況，本文提出基于ANSYS的車載移動(dòng)式拉臂鉤模態(tài)分析方法。該方法通過構(gòu)建車載移動(dòng)式拉臂鉤模型以及網(wǎng)格化處理后，分析車載移動(dòng)式拉臂鉤在裝箱過程中的受力情況，并對該情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以此提升車載移動(dòng)式拉臂鉤的使用情況，降低集中應(yīng)力。

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作者簡介：

詹曉華，男，1982年生，副教授，研究方向?yàn)橹悄苤圃臁⑻胤N專用設(shè)備制造及特種車輛技術(shù)。