礦車車廂FEM分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

莊孝誠(chéng)

（林德（中國(guó)）叉車有限公司 福建廈門 361000）

摘 要：本文對(duì)礦車車廂作業(yè)工況和失效形式進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用FEM方法對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在滿足強(qiáng)度的前提下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，取得較好的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：車廂；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1作業(yè)工況及失效形式分析

礦車主要用于露天煤礦、礦山運(yùn)輸散裝物料等，其工作條件惡劣，載重量大。車廂主要承受裝載物料時(shí)的沖擊載荷、滿載時(shí)的靜載和運(yùn)輸過(guò)程中的動(dòng)載，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和抗沖擊能力。根據(jù)實(shí)際作業(yè)條件不同，車廂具有多種工況，比如車廂滿載，車廂舉升和裝料沖擊等。滿載是車廂工作時(shí)間最長(zhǎng)的一種工況。車廂舉升時(shí)車廂與車架無(wú)直接接觸，受力最為嚴(yán)峻。

車廂各部分中，底板承受最大載荷，前板次之，側(cè)板最小。底板的失效形式包括磨損，破裂，在強(qiáng)度足夠情況下要考慮卸料磨損造成的鋼板減薄。前板的失效形式有強(qiáng)度不夠?qū)е缕屏眩€有剛度不夠?qū)е伦冃芜^(guò)大。側(cè)板的失效形式有剛度不夠?qū)е伦冃芜^(guò)大、磨損和破裂。

2有限元模型的建立

為加快計(jì)算，對(duì)模型作了合理簡(jiǎn)化，略去小孔倒角等細(xì)節(jié)。車廂3D模型如圖1所示，根據(jù)位置和受力不同，可將車廂劃分為底板、側(cè)板、前板和后門四個(gè)部分。材料取各向同性線彈性模型，彈性模量E=2.05e+11N/m2，泊松比μ=0.29，密度ρ=7.85g/mm3。模型規(guī)模：車廂單元總數(shù)340010個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)659538個(gè)。

車廂滿載開(kāi)始舉升時(shí)受力最為嚴(yán)峻，該狀態(tài)下車廂縱梁與車架縱梁無(wú)任何接觸，完全靠自身結(jié)構(gòu)承載。有限元分析據(jù)此狀態(tài)進(jìn)行載荷和約束的建立，對(duì)車廂舉升座和翻轉(zhuǎn)軸座約束徑向自由度，軸向和法向自由度釋放。

3靜力學(xué)分析

由于整個(gè)車廂比較復(fù)雜，如果對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析，找出薄弱環(huán)節(jié)后再優(yōu)化再分析，工作量大耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。為縮短分析過(guò)程，本文先分別對(duì)車廂四個(gè)部分進(jìn)行單獨(dú)分析，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后再將優(yōu)化后各個(gè)部分匯總分析，驗(yàn)證是否滿足要求。這樣既可保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，又減少了分析所耗費(fèi)的時(shí)間，提高工作效率。

底板最大等效應(yīng)力為879Mpa，位于翻轉(zhuǎn)軸座與后橫梁接觸處。

最大變形為9.6mm，車廂縱梁最大變形量7.4mm。

大部分區(qū)域十分安全，在加強(qiáng)筋尖角處應(yīng)力集中明顯。這種情況一方面是由約束固定造成的，一方面是模型尖角造成的。最大變形為7.9mm，發(fā)生在側(cè)板上橫梁中部位置。

前板最大等效應(yīng)力為566Mpa，位于舉升座焊接位置。圖8為前板滿載變形云圖，最大變形為4.6mm，發(fā)生在舉升油缸連接耳座處。

后門最大等效應(yīng)力為891Mpa，位于后門拉緊裝置位置。圖10為后門滿載變形云圖，最大變形為9.8mm，發(fā)生在后門上橫梁下方位置。

4結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)FEM分析，對(duì)車廂強(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié)和總體應(yīng)力分布情況有一個(gè)明確的認(rèn)識(shí)。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)應(yīng)力大幅度下降，并減輕車廂自重，降低成本。

（2）本文對(duì)車廂各部分分開(kāi)和綜合分析的方法可以推廣到其他產(chǎn)品，對(duì)其分析具有參考意義。

參考文獻(xiàn)：

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