汽車安全性能檢測(cè)艙吊裝工況下的有限元分析

李樹(shù)珉，焦宇飛，王　虎，白云川，趙　磊

(軍事交通學(xué)院　a.外訓(xùn)系; b.研究生管理大隊(duì); c.軍用車輛系, 天津　300161)

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汽車安全性能檢測(cè)艙吊裝工況下的有限元分析

李樹(shù)珉a，焦宇飛b，王虎c，白云川c，趙磊b

(軍事交通學(xué)院a.外訓(xùn)系;b.研究生管理大隊(duì);c.軍用車輛系, 天津300161)

摘要：為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)研發(fā)中汽車安全性能檢測(cè)艙在該工況下的強(qiáng)度與剛度是否滿足要求，利用ANSYS Workbench對(duì)檢測(cè)艙進(jìn)行有限元計(jì)算，建立了檢測(cè)艙有限元模型，確定檢測(cè)艙材料屬性與網(wǎng)格劃分方法，通過(guò)受力分析得到施加載荷，進(jìn)而計(jì)算出檢測(cè)艙的應(yīng)力與應(yīng)變變化量；通過(guò)對(duì)有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證所建立的有限元模型的正確性。

關(guān)鍵詞：汽車安全性能檢測(cè)艙；有限元分析；試驗(yàn)驗(yàn)證

本文引用格式：李樹(shù)珉，焦宇飛，王虎，等.汽車安全性能檢測(cè)艙吊裝工況下的有限元分析[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(6):110-113.

Citationformat:LIShu-min,JIAOYu-fei,WANGHu,etal.StaticFiniteElementAnalysisofVehicleSafetyPerformanceTestShelterUnderLiftingConditionandExperimentVerification[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(6):110-113.

隨著汽車檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，移動(dòng)檢測(cè)在汽車檢測(cè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[1]。汽車安全性能檢測(cè)艙，是將檢測(cè)設(shè)備與移動(dòng)方艙有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多軸、重型車輛的移動(dòng)檢測(cè),對(duì)我國(guó)車輛移動(dòng)檢測(cè)行業(yè)的發(fā)展有著重要作用。以往對(duì)于檢測(cè)艙結(jié)構(gòu)的研究，僅限于帶有支腿結(jié)構(gòu)的第一代檢測(cè)艙，陳成法[2]利用靜應(yīng)力試驗(yàn)測(cè)出該檢測(cè)艙支腿結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化，夏均忠[3]利用SolidWorks對(duì)其進(jìn)行建模并進(jìn)行了有限元分析，這些研究都沒(méi)有將有限元與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)比分析凸顯有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，并且這些研究都不涉及吊裝工況。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，檢測(cè)艙在吊裝工況下，由于自身重力與吊裝設(shè)備的影響，危險(xiǎn)系數(shù)最高，容易發(fā)生應(yīng)力集中與結(jié)構(gòu)變形，因此很有必要對(duì)該工況下檢測(cè)艙結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度進(jìn)行分析，檢驗(yàn)檢測(cè)艙自身的安全性。

1　汽車安全性能檢測(cè)艙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

汽車安全性能檢測(cè)艙結(jié)構(gòu)主要由箱體、檢測(cè)平臺(tái)、附屬設(shè)備和控制系統(tǒng)四部分構(gòu)成，如圖1所示。

箱體結(jié)構(gòu)通過(guò)20英尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱改裝而成，由前端、后端、頂端、底端與側(cè)壁等部件組成，尺寸為6 058mm(長(zhǎng))×2 438mm(寬)×2 438mm(高)，可滿足自裝卸、叉裝、吊裝等多種裝卸方式。檢測(cè)平臺(tái)是檢測(cè)艙的主體部分，主要承擔(dān)著車輛的檢測(cè)任務(wù)，由復(fù)合檢測(cè)臺(tái)、舉升機(jī)構(gòu)、側(cè)滑臺(tái)、上下車引橋及翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等部件組成。

圖1　汽車安全性能檢測(cè)艙結(jié)構(gòu)

2　有限元分析

2.1模型的建立

在進(jìn)行有限元分析前，必須建立檢測(cè)艙的有限元模型。有限元模型是進(jìn)行限元分析的基礎(chǔ)，對(duì)有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大的決定性作用[4]。在汽車安全性能檢測(cè)艙建模過(guò)程中，首先對(duì)檢測(cè)艙進(jìn)行簡(jiǎn)化，去除艙門(mén)以及門(mén)窗玻璃這樣的輔助結(jié)構(gòu)，省略非承載件，略去不重要部位的小孔與輪廓尺寸。針對(duì)箱體結(jié)構(gòu)采用板殼單元結(jié)構(gòu)，針對(duì)檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)采用實(shí)體建模方法，并用耦合法模擬焊接，最終建立檢測(cè)艙結(jié)構(gòu)有限元模型，如圖2所示。

圖2　檢測(cè)艙有限元模型

2.2定義材料屬性

檢測(cè)艙在制造加工過(guò)程中，不同部位采用不同材料制成。箱體由Q235梁焊接成箱體基本骨架，再在骨架基礎(chǔ)上增加由鋁合金材料焊接的內(nèi)外蒙皮，并在骨架與蒙皮之間填充聚氨酯泡沫材料，起到保溫堅(jiān)固的目的，最后組裝附件，打砂噴漆。檢測(cè)平臺(tái)則是由碳素鋼的長(zhǎng)短梁組焊而成檢測(cè)平臺(tái)框架，同時(shí)用20號(hào)鋼作軸頭45號(hào)鋼作筒體焊接滾筒，并用45號(hào)鋼焊接引板翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，最后進(jìn)行噴漆組裝。檢測(cè)艙材料參數(shù)具體特性如表1所示。

表1　檢測(cè)艙材料特性

2.3網(wǎng)格劃分

在ANSYSWorkbench網(wǎng)格劃分中，由于六面體網(wǎng)格，品質(zhì)較好，但劃分難度較大，四面體精度較低但比較容易劃分[5]，因此在劃分過(guò)程中采用以六面體為主導(dǎo)，四面體輔助的劃分方法，將檢測(cè)艙劃分為263 881自由度、84 627節(jié)、60 654 單元格。劃分后模型如圖3所示。

圖3　網(wǎng)格劃分

2.4載荷施加

在吊裝工況中，起吊設(shè)備(自裝卸車、龍門(mén)吊)將檢測(cè)艙從運(yùn)載車上吊裝至指定位置。吊裝過(guò)程一般由4個(gè)鐵鉤或起吊塊分別緊扣4個(gè)角件，通過(guò)兩根鏈條連接起吊設(shè)備，勻速將檢測(cè)艙吊起，其過(guò)程如圖4所示。

圖4　檢測(cè)艙吊裝過(guò)程示意圖

選取檢測(cè)艙空中時(shí)刻作為受力狀態(tài)進(jìn)行分析，得到受力示意圖如圖5所示。

圖5　吊裝過(guò)程受力示意圖

由力的平衡方程得：

(1)

其中F1、F2、F3、F4分別為4掛鉤上的力，a、b、c分別為箱體寬度、高度與鏈條長(zhǎng)度。檢測(cè)艙整體質(zhì)量為10 755.71kg，取g=9.8m/s2得G=105 406N。根據(jù)設(shè)計(jì)方案與相關(guān)數(shù)據(jù)知a=2 438mm, c=3 000mm，代入數(shù)據(jù)得F1=27 652N,F2=27 225N,F3=30 015N,F4=30 312N。將計(jì)算載荷代入ANSYSWorkbench中，可得到其載荷施加圖6所示。

圖6　載荷施加示意圖

2.5結(jié)果求解

通過(guò)添加材料，劃分網(wǎng)格，施加載荷，求解后得出箱體主應(yīng)力應(yīng)變與各方向應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D7～圖9所示。

圖7　吊裝工況總的應(yīng)變與應(yīng)力

圖8　x方向上應(yīng)變與應(yīng)力

圖9　z方向應(yīng)變與應(yīng)力

3　試驗(yàn)安排及結(jié)果分析

3.1試驗(yàn)方法及裝置

為了準(zhǔn)確獲得檢測(cè)艙應(yīng)變變化情況，檢驗(yàn)檢測(cè)艙自身的剛度與強(qiáng)度，必須進(jìn)行靜應(yīng)力試驗(yàn)[6]。同時(shí)，可以將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證有限元分析的準(zhǔn)確性。

采用應(yīng)變電測(cè)法對(duì)檢測(cè)艙進(jìn)行靜應(yīng)力試驗(yàn)，通過(guò)粘貼在不同部位的應(yīng)變片將結(jié)構(gòu)變形應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電流的變化，傳遞至應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)DAQ上，DAQ讀取采集數(shù)據(jù)并通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化接口轉(zhuǎn)換成微應(yīng)變的變化還在計(jì)算機(jī)終端顯示[7]。試驗(yàn)布置如圖10所示。

圖10　試驗(yàn)布置圖

試驗(yàn)過(guò)程主要包括，應(yīng)變片的粘貼、測(cè)試系統(tǒng)的布置、測(cè)點(diǎn)的選擇、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與分析。其中，測(cè)點(diǎn)的選擇是試驗(yàn)的關(guān)鍵，關(guān)乎試驗(yàn)成敗。因此，在測(cè)點(diǎn)選取過(guò)程中不僅需要顧慮到有限元分析過(guò)程中比較有代表性的位置，還必須考慮檢測(cè)艙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，實(shí)際試驗(yàn)成本代價(jià)及試驗(yàn)儀器特性，全方位反映檢測(cè)艙實(shí)際應(yīng)變變化。結(jié)合以上因素，選取11個(gè)點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖11所示。

圖11　艙體測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

布置好測(cè)點(diǎn)后，經(jīng)過(guò)測(cè)量得到起吊工況下不同測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)連線圖如圖12～圖14所示。

由圖12～圖14可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)起吊工況過(guò)程大致是：起吊，等待，放下。測(cè)點(diǎn)在起吊工況中，計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比如表1所示。由圖12和表1知，檢測(cè)平臺(tái)上的測(cè)點(diǎn)1，2，3在檢測(cè)艙起吊過(guò)程中，由于箱體的變形導(dǎo)致檢測(cè)平臺(tái)受力，產(chǎn)生微小變形，其形變均在5με以下，與計(jì)算值最大誤差在9.36%，測(cè)點(diǎn)4與5處于箱體底部，應(yīng)變變化較小，這也與有限元分析結(jié)果相一致。測(cè)點(diǎn)6在起吊過(guò)程最大應(yīng)變?yōu)?8.596με，位于檢測(cè)艙寬度方向與有限元分析值33.402με相差31.26%。在測(cè)點(diǎn)7位于長(zhǎng)度方向靠近起吊塊測(cè)點(diǎn)，最大測(cè)試值為5.707με與分析值很接近，測(cè)點(diǎn)8位于箱體長(zhǎng)度中部，最大應(yīng)變?yōu)?5με，與有限元分析值18.563με相差23.7%。在長(zhǎng)度方向上靠近中間比兩邊變形更大一些。測(cè)點(diǎn)6的變形比長(zhǎng)度方向變形更大，說(shuō)明檢測(cè)箱體在寬度方向應(yīng)變比長(zhǎng)度方向變化大，這與有限元分析結(jié)果相一致。測(cè)點(diǎn)9～11計(jì)算值與測(cè)試值均在合理誤差范圍內(nèi)。

圖12　起吊工況1～5點(diǎn)應(yīng)變變化

圖13　起吊工況6～9點(diǎn)應(yīng)變變化

圖14　起吊工況10～11應(yīng)變變化

測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值計(jì)算最大值/με測(cè)試最大值/με差值/%11.9962.2029.3624.5834.5031.7831.6571.8158.7043.5283.2967.0455.6726.37711.06633.40248.59631.2675.3925.7075.52818.56315.02123.7097.2558.14810.96105.0395.5158.63111.9202.19212.41

由試驗(yàn)分析可知，試驗(yàn)值與分析值最大相差31.26%。出現(xiàn)偏差的原因在于一方面建模過(guò)程中簡(jiǎn)化忽略了部分邊界結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在有限元分析過(guò)程中，結(jié)構(gòu)承受應(yīng)變與實(shí)際有所不同，另一方面在試驗(yàn)中，由于起吊機(jī)起吊過(guò)程中有一定加速度。但由于應(yīng)變單位屬于微應(yīng)變值，這些誤差對(duì)于檢測(cè)艙實(shí)際長(zhǎng)度微乎其微，因此檢測(cè)艙有限元模型是準(zhǔn)確的，結(jié)果分析值也是可信的。

4　結(jié)論

本文借助于有限元分析與試驗(yàn)研究?jī)煞N手段，分析了檢測(cè)艙在吊裝工況下的應(yīng)變變化情況，通過(guò)分析得出如下結(jié)論：

1) 本文考慮了檢測(cè)艙的結(jié)構(gòu)特征，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了檢測(cè)艙結(jié)構(gòu)的有限元模型，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，表明本文建立的模型能夠有效反映實(shí)際結(jié)構(gòu)。

2) 通過(guò)對(duì)比有限元分析結(jié)果與檢測(cè)艙應(yīng)力極限，得出檢測(cè)艙結(jié)構(gòu)在吊裝工況下，實(shí)際值并未超過(guò)極限值，但在靠近起吊點(diǎn)位置應(yīng)力相對(duì)較為集中，應(yīng)該在該位置附近進(jìn)行加固。

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(責(zé)任編輯唐定國(guó))

doi:【機(jī)械制造與檢測(cè)技術(shù)】10.11809/scbgxb2016.06.026

收稿日期：2015-10-23；修回日期：2016-12-25

作者簡(jiǎn)介：李樹(shù)珉(1962—)，男，高級(jí)工程師，主要從事軍用車輛檢測(cè)研究。

中圖分類號(hào)：U169.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-2304(2016)06-0110-05

StaticFiniteElementAnalysisofVehicleSafetyPerformanceTestShelterUnderLiftingConditionandExperimentVerification

LIShu-mina,JIAOYu-feib,WANGHuc,BAIYun-chuanc,ZHAOLeib

(a.ForeignTrainingDepartment;b.PostfraduateTrainingBridge;c.MilitaryVehicleDepartment,MilitaryTransportationUniversity,Tianjin300161,China)

Abstract:In order to examine if the strength and stiffness of vehicle safety performance test shelter which is designing under the lifting condition satisfies requirement, using ANSYS Workbench analysis safety performance test shelter, finite element model was established, and the test shelter’s material properties were defined, and through analyzing stress the load was obtain, and then the stress and strain changing were got. The accuracy of modal was verified by comparing the result with static stress test results.

Key words:vehicle safety performance test shelter; finite element analysis; experimental verification