基于SolidWorks的礦用自卸車車架有限元分析初探*

銀俊鷹

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古包頭 014010，2.包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014030)

0 引言

礦用自卸車一般在礦區(qū)為完成巖石土方運(yùn)輸與礦石運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)而使用的一種專業(yè)化車輛，工作條件惡劣。而其車架又是整個(gè)礦用自卸車的基體，支撐裝配各零部件，承受來自車內(nèi)外的主要載荷［1］。工作中由于不平的路況，使車架在交變載荷作用下產(chǎn)生變形，主要有彎曲、扭轉(zhuǎn)及彎扭復(fù)合變形，導(dǎo)致車架前縱梁與橫梁的焊接根部發(fā)生破壞，甚至出現(xiàn)裂紋及斷裂現(xiàn)象。對(duì)車輛的可靠性、安全方面影響極大。正因?yàn)檐嚰茉谡囍械淖饔萌绱岁P(guān)鍵，所以非常有必要對(duì)車架特別是前梁進(jìn)行強(qiáng)度分析，有限元法在國內(nèi)汽車車架分析中被廣泛應(yīng)用。下面主要以某種礦用自卸車車架結(jié)構(gòu)中前縱梁為例對(duì)礦用自卸車基于 Solid-Works的結(jié)構(gòu)分析進(jìn)行初探。

1 礦用自卸車車架的結(jié)構(gòu)及其使用條件

應(yīng)用最廣泛的自卸車車架結(jié)構(gòu)型式是邊梁式車架，筆者所采用的就是由四根位于兩邊的縱梁和中間的若干橫梁組成，為全焊接剛性結(jié)構(gòu)，其縱梁采用封閉式箱形截面，以保證具有高抗扭強(qiáng)度。前縱梁所用厚鋼板均為低合金、高強(qiáng)度鋼板［2］。

礦用自卸車在服役時(shí)，車架會(huì)受到各種復(fù)雜因素的影響［3］。靜止時(shí)車架承受的載荷為靜載荷，空載時(shí)包括車架與車身的自重及車架上散熱器、發(fā)動(dòng)機(jī)、駕駛室及平臺(tái)、傳動(dòng)箱、油箱等總成與部件的質(zhì)量，滿載時(shí)還包括物料的質(zhì)量;對(duì)于前縱梁來說，在這兩種工況下車架的變形主要以彎曲變形為主。當(dāng)?shù)V用車在礦山道路上行駛時(shí)，車架還要受到動(dòng)載荷作用，這種情況下，車架前梁可能產(chǎn)生彎扭復(fù)合變形;行駛中若車輪遇到障礙則先改變其上安裝總成的質(zhì)心的位置，使得左右前梁受力不均;加減速時(shí)還必須考慮加速度、慣性及摩擦的影響?？傊?，這些變形會(huì)導(dǎo)致車架上的各部件安裝位置發(fā)生改變，再加上車架前縱梁會(huì)受到發(fā)動(dòng)機(jī)工作的反作用。由此可知，車架前縱梁在如此復(fù)雜的交變載荷下，變形一旦超過極限就會(huì)發(fā)生損壞。通常的損壞主要是疲勞損壞，其主要表現(xiàn)形式是斷裂，疲勞裂紋。所以有必要對(duì)車架縱梁進(jìn)行強(qiáng)度分析。下面主要以前縱梁為例來介紹。

2 車架前縱梁有限元分析

采用流行的SolidWorks軟件對(duì)該礦用自卸車前車架建模，并利用該模型對(duì)靜止工況下的前縱梁的變形及應(yīng)力分布進(jìn)行有限元分析計(jì)算，得到這種工況的前縱梁的最大應(yīng)力及其部位。

2.1 前縱梁的有限元分析模型

2.1.1 幾何模型的建立

先根據(jù)某礦用自卸車圖紙、制造、加工和裝配的實(shí)際情況建立前車架的實(shí)體模型，并在實(shí)體模型基礎(chǔ)上進(jìn)行合理簡化為有限元模型如圖1所示。

在模型中，前縱梁與保險(xiǎn)杠之間保留了焊縫，而前縱梁與橫梁的連接采用切齊并填充實(shí)體模擬焊縫連接。特別地不能像以往研究時(shí)模型要略去圓角。

2.1.2 參數(shù)的確定

在進(jìn)行有限元靜態(tài)分析時(shí)，根據(jù)車架的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)，選用二階實(shí)體單元。對(duì)靜止工況下的前車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，建立SolidWorks Simulation靜態(tài)算例，在分析中主要考慮車架分析條件主要是材料參數(shù)、載荷參數(shù)及夾具。保險(xiǎn)杠、前縱梁和上下橫梁材料采用16 Mn，左右橫梁采用高強(qiáng)度鑄鋼29MnMoNi。對(duì)該有限元模型的邊界約束條件是左右橫梁在靜止工況下與左右懸掛的連接視為固定幾何體。車架上的載荷建立發(fā)動(dòng)機(jī)，駕駛室、平臺(tái)及翼子板集中質(zhì)量，均勻分布到支撐部位。車架自重以重力加速度的形式添加。采用基于曲率的高品質(zhì)網(wǎng)格劃分，全局接合無間隙接觸。網(wǎng)格劃分后如圖2。

圖1 前車架有限元模型

圖2 前車架網(wǎng)格劃分

2.2 分析計(jì)算結(jié)果

最終的數(shù)據(jù)結(jié)果以強(qiáng)度指標(biāo)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通常采用第4強(qiáng)度理論導(dǎo)出的等效應(yīng)力σe。結(jié)構(gòu)的失效形式多為塑性屈服。第4強(qiáng)度理論考慮了主應(yīng)力的影響，更接近實(shí)際情況。在一定的強(qiáng)度指標(biāo)下獲得車架的應(yīng)力分布，得到前縱梁的最大應(yīng)力及最大應(yīng)力部位。前車架空載工況的應(yīng)力分布圖如圖3。并確定其安全系數(shù)。安全系數(shù)圖解如圖4。

由圖3、4可知車架前縱梁在空載時(shí)的最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在前縱梁根部靠近圈梁處，其值為38.4 MPa ;安全系數(shù)為8.5，顯然前縱梁在此工況下應(yīng)力不大。

前縱梁在滿載工況應(yīng)力分布圖如圖5，安全系數(shù)圖解如圖6。

圖3 前車架空載應(yīng)力圖解

圖4 前車架空載安全系數(shù)圖解

圖5 前縱梁滿載應(yīng)力圖解

圖6 前縱梁滿載安全系數(shù)圖解

由圖5、6可知車架前縱梁的最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在前縱梁根部靠近圈梁處，其值為50.372 MPa，安全系數(shù)為6.45，變形以彎曲變形為主，前縱梁在滿載工況下的靜應(yīng)力不大，安全貯備系數(shù)足夠。

3 結(jié)語

通過以上數(shù)據(jù)分析，車架前縱梁在空載及滿載工況下受到的應(yīng)力不大，但在實(shí)際使用中依然會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞，其易疲勞部位就是接近前縱梁與圈梁根部。說明應(yīng)結(jié)合頻率進(jìn)行前縱梁模態(tài)分析。并且在分析中能充分體現(xiàn)出Simulation的優(yōu)越性，其與Solidworks無縫集成，可考慮在整車結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)用。

［1］ 黃天澤，黃金陵.汽車車架結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

［2］ 陳家瑞.汽車構(gòu)造(下冊)［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［3］ 閆振華.礦用自卸車車架靜態(tài)及動(dòng)態(tài)應(yīng)力數(shù)值模擬研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2007.