汽車拆解機工作裝置仿真分析研究

趙宇晨，趙秀粉，殷國富，文華，謝飛

?

汽車拆解機工作裝置仿真分析研究

趙宇晨，趙秀粉，殷國富，文華，謝飛

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

在建立某型號汽車拆解機參數(shù)化模型的基礎(chǔ)上，利用軟件ANSYS Workbench對工作裝置進(jìn)行仿真分析研究。通過不同工況下的靜動力學(xué)分析得到了整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分布情況以及前六階頻率的振型。分析結(jié)果表明，工作裝置的整體強度滿足要求；但前臂剛度較小，影響工作裝置整體性能，可以通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)、改變材料等方式進(jìn)行加強。研究結(jié)果為工作裝置的優(yōu)化設(shè)計提供了參考依據(jù)。

汽車拆解機；仿真分析；動靜態(tài)性能分析

汽車保有量的增加促成了報廢汽車回收拆解行業(yè)[1]的發(fā)展。汽車拆解機是一種用于報廢汽車框架、零部件等剝離、剪切、拆解的機械設(shè)備，幾乎所有的解體過程都可由操作人員在駕駛室內(nèi)完成。與傳統(tǒng)拆解形式相比，利用汽車拆解機工作不涉及危險的氣體切割，不使用電氣焊和明火，能夠提高安全性還可以減輕勞動強度、提高拆解效率，降低報廢汽車的回收成本[2]。拆解機工作裝置作為關(guān)鍵部件和主要承力部件，在工作過程中需要承受復(fù)雜的工作載荷，因此，工作裝置的剛度和強度是否滿足要求對汽車拆解機的整機性能、工作可靠性和安全性有重要影響。同時，為了減少拆解機工作裝置在工作過程中的振動，需對工作裝置進(jìn)行模態(tài)分析以確定其固有頻率避免在工作過程中發(fā)生共振，從而保證汽車拆解機工作的可靠性。

本文利用三維建模軟件SolidWorks建立工作裝置實體模型，再用有限元分析軟件ANSYS Workbench進(jìn)行靜動態(tài)性能分析，驗證其強度剛度是否符合設(shè)計要求，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化打下基礎(chǔ)。

1 工作裝置工況分析及建模

1.1 工作裝置典型工況分析

汽車拆解機主要由上部轉(zhuǎn)臺、行走機構(gòu)、工作裝置以及剪切裝置四部分構(gòu)成，如圖1所示。其中上部轉(zhuǎn)臺主要包括駕駛室、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、動力裝置、夾緊機構(gòu)、和輔助設(shè)備等；工作裝置主要包括動臂、前臂和液壓缸。汽車拆解機的動臂、前臂和液壓剪采用連桿機構(gòu)，各部分動作都通過液壓缸的伸縮來完成。

圖1 汽車拆解機示意圖

在汽車拆解機的工作過程中，工作裝置的狀態(tài)會隨拆解汽車型號、工作條件、拆解狀態(tài)的不同而不斷改變。動臂、前臂所受外力大小和液壓缸所處狀態(tài)也會隨之改變。根據(jù)工作裝置所處位置以及部件承受載荷大小，汽車拆解機的拆解過程可分為最低剪切姿態(tài)，停機面最大半徑姿態(tài)，最高剪切姿態(tài)等多種情況[3]。為了在保證工作裝置安全性的同時簡化分析計算，將這些情況簡化為以下兩種作為分析時的典型工況[4]：

（1）工況一：前臂承受最大載荷，動臂油缸處于最大拉伸狀態(tài)；

（2）工況二：前臂承受最大載荷，動臂油缸處于極限壓縮狀態(tài)。

1.2 三維模型建立

在SolidWorks環(huán)境中進(jìn)行三維模型的構(gòu)造，通過對實體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析來確定各個特征的建立方法和創(chuàng)建順序，利用軟件提供的旋轉(zhuǎn)、拉伸、切除、抽殼等功能創(chuàng)建出各個零部件的模型。為了減小計算量并且避免得不到收斂的結(jié)果，將模型實體進(jìn)行如下簡化：

（1）去掉焊接上的限位板、吊耳等對整體剛度影響較小的構(gòu)件；

（2）去掉鈑金件和防塵結(jié)構(gòu)等對分析不產(chǎn)生影響的非承載件；

（3）去掉模型中存在的倒角、圓角這一類的小錐度平面和小曲率曲面。最后將這些零部件裝配起來得到工作裝置的三維裝配模型，如圖2所示。

圖2 工作裝置裝配圖

2 靜力學(xué)分析

2.1 添加材料

動臂和前臂均由不同厚度的板件焊接而成，且主要材料為16Mn。液壓缸缸體材料為16Mn，活塞桿材料為45#鋼，銷軸材料為40Cr,各種材料屬性如表1所示。

2.2 網(wǎng)格劃分

在Model中定義各個部件之間的接觸，動臂和前臂、動臂和油缸、前臂和油缸之間可以同軸轉(zhuǎn)動但是不能分離，因此均定義為不分離接觸（No separation），其余的接觸均定義為綁定接觸（Bonded）[5]。再利用mesh選項劃分網(wǎng)格，首先進(jìn)行自動網(wǎng)格劃分，根據(jù)模型大小定義網(wǎng)格參數(shù)；然后對接觸面和應(yīng)力集中部位手動進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化。由此得到模型有限元分析所需要的網(wǎng)格單元，結(jié)果如圖3所示，工況一共劃分了530916個節(jié)點和2011124個單元，工況二共劃分了548927個節(jié)點和212893個單元。

表1 材料屬性表

圖3 模型網(wǎng)格劃分

2.3 載荷施加

在汽車拆解機工作裝置中，動臂、油缸都通過銷連接起來，在分析過程中如果不考慮偏載的影響，可以認(rèn)為工作裝置各個構(gòu)件只承受、方向的力。此時銷所連接的構(gòu)件自由度≤0，可以將工作裝置作為一個整體，根據(jù)靜力學(xué)平衡原理在相應(yīng)的坐標(biāo)系中對各絞點取矩，得到各個絞點的反作用力。如此求出來的力均為合力，但在實際結(jié)構(gòu)中，各絞點所受力是按照余弦規(guī)律分布的力，與前面的情況不符。因此可以做出假設(shè)[6]（如圖4所示）：載荷在、平面180°范圍內(nèi)按余弦規(guī)律分布；分布力的方向為銷孔的法向；載荷在方向均勻分布。在工作裝置的兩種典型工況下前臂均承受最大應(yīng)力，由此可以得到前臂兩鉸接處的受力情況。

對工作裝置動臂的下端進(jìn)行固定約束（Fixedsupport），并對各銷孔添加相應(yīng)位移、轉(zhuǎn)動約束，力加載到對應(yīng)絞點。由于兩種典型工況中前臂所受應(yīng)力均為最大，因此力的大小相同，方向根據(jù)有限元模型中在前臂上定義的局部坐標(biāo)系而定。

圖4 應(yīng)力分布假設(shè)

2.4 分析結(jié)果

兩種工況下工作裝置的靜力學(xué)分析結(jié)果如圖5、圖6所示。工作裝置處于工況一時等效應(yīng)力最大為226.53 MPa，且最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在動臂固定端與下蓋板交界處。工作裝置處于工況二時在、、方向上的和位移最大為34.43 mm，且最大和位移出現(xiàn)在前臂前端。由于動臂材料16Mn的許用應(yīng)力為345 MPa，因此工作裝置強度滿足設(shè)計要求。從工作裝置的總變形云圖可知，工作裝置整體變形較小，但前臂的上下兩端鉸接處在方向上變形量較大，需要適當(dāng)增強其剛度，以滿足實際工程要求。

表2 工作裝置各方向最大位移

圖5 工況一靜力學(xué)分析結(jié)果

圖6 工況二靜力學(xué)分析結(jié)果

3 動力學(xué)分析

3.1 模態(tài)分析原理

模態(tài)分析是一種計算結(jié)構(gòu)振動特性的數(shù)值技術(shù)，包括結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。對于工作裝置，其動力方程為[7]：

式中：[]為質(zhì)量矩陣；[]為阻尼矩陣；[]為剛度矩陣；{}為位移矢量；{()}為力矢量。

通常阻尼比對固有頻率影響非常小，且求解工作裝置固有頻率和振型與外載荷無關(guān)，因此在有限元計算中采用實模態(tài)分析（不考慮阻尼）。則方程可簡化為：

而結(jié)構(gòu)的自由振動為簡諧振動，特征頻率對應(yīng)的特征向量為自振頻率對應(yīng)的振型，則有：

代入式（2）可以得到：

3.2 工作裝置模態(tài)分析

由于汽車拆解機工作裝置在外力作用頻率與其自然頻率接近時會引起共振，對工作裝置造成破壞[8]，因此對工作裝置進(jìn)行模態(tài)分析可以幫助設(shè)計人員確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，從而在結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化過程中避免出現(xiàn)共振破壞，并指導(dǎo)預(yù)測不同載荷作用下結(jié)構(gòu)的振動形式。在靜力分析的基礎(chǔ)上對兩種典型工況下的工作裝置分別進(jìn)行有限元模態(tài)分析。由于該工作裝置主要在低頻環(huán)境下工作，因此只提取前六階模態(tài)進(jìn)行分析，各階頻率大小如表3所示。

表3 前六階固有頻率

工況一的分析結(jié)果如圖7所示：一階頻率出現(xiàn)時，工作裝置在平面沿軸擺動；二階頻率出現(xiàn)時，工作裝置在平面沿軸擺動；三階頻率出現(xiàn)時，工作裝置在平面內(nèi)繞軸轉(zhuǎn)動；四階頻率出現(xiàn)時，工作裝置在平面內(nèi)繞軸轉(zhuǎn)動；五階頻率出現(xiàn)時，工作裝置在平面復(fù)合扭轉(zhuǎn)；六階頻率出現(xiàn)時，工作裝置在平面復(fù)合扭轉(zhuǎn)。工況二的各階振型分析結(jié)果與工況一相似。從前四階振型可看出，前臂位移相對較大，但其產(chǎn)生的和位移主要是由動臂變形引起的。隨著模態(tài)階次的提高，工作裝置振型越來越復(fù)雜，從第五階才開始出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，而工作裝置的工作頻率在25～35 Hz范圍內(nèi)，因此工作裝置的抗扭能力較強，不易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。

由以上分析可知，要提高工作裝置的動態(tài)性能，增強工作裝置的可靠性和安全性，可以通過改變工作裝置材料、適當(dāng)增加板件厚度、添加加強筋、提高焊接工藝水平等方式來提高薄弱部件動臂的剛度。

圖7 工況一模態(tài)分析振型云圖

4 結(jié)語

本文以報廢汽車拆解為研究對象，利用軟件ANSYS Workbench 對其工作裝置兩種典型工況進(jìn)行了靜動態(tài)性能分析，根據(jù)分析結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

（1）汽車拆解機工作組裝置強度滿足工作要求；

（2）動臂相對剛度較小，是工作裝置的薄弱環(huán)節(jié)，為滿足工作要求，需要進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)。

本次研究可以為工作裝置的優(yōu)化設(shè)計奠定基礎(chǔ)，使其具有更好的工程實用性和良好的應(yīng)用前景。

[1]龍少海. 中國報廢汽車回收拆解行業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 資源再生，2013（9）：18-20.

[2]宋晚晴. 基于綠色拆解理念的報廢汽車拆解工藝規(guī)劃及應(yīng)用研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2016.

[3]任友良. 液壓挖掘機工作裝置結(jié)構(gòu)性能分析[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2010.

[4]杜文靖，崔國華，劉小光. 液壓挖掘機工作裝置整體集成有限元分析[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2007，38（10）：20-23.

[5]黃志新，劉成柱. ANSYS Workbench 14.0超級學(xué)習(xí)手冊[M]. 北京：人民郵電出版社，2013.

[6]孫寶玉，張福生，吳兵. 新型裝載機工作裝置受力及有限元分析[J]. 太原科技大學(xué)學(xué)報，2011，32（3）：220-223.

[7]謝飛，殷鳴，譚峰，等. ANSYS數(shù)控龍門平面磨床的動靜態(tài)性能分析[J]. 機械，2017，44（5）：1-5.

[8]袁安富，陳俊. ANSYS在模態(tài)分析中的應(yīng)用[J]. 機械設(shè)計與制造工程，2007（11）：42-44.

Simulation AnalysisofWorking Element on Automobiles Dismantling Machine

ZHAO Yuchen，ZHAO Xiufen，YIN Guofu，WEN Hua，XIE Fei

( School of Manufacturing Science and Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China )

Based on the parameterization model of automobiles dismantling machine, the finite element analysis software ANSYS Workbench was used to simulate the working element. There were some typical working conditions for analysis. Based on these conditions, the static and dynamic performance analysis was made to get the stress and strain distribution and the first six frequency. The result shows that the strength met the requirements. But some measures should be taken because of forearm’s stiffness shortage such as optimizing the structure and change the material. The analysis result provided the reference for optimized design.

automobiles dismantling machine；simulation analysis；static and dynamic performance analysis

TP391

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.01.008

1006－0316 (2018) 01－0037－05

2017－05－23

四川省科技支撐項目（2016KJT0015－2015G）；四川省科技支撐項目（2016KJT0085-2016G）

趙宇晨（1994－），女，湖南常德人，碩士研究生，主要研究方向為制造自動化；趙秀粉（1977－），女，河南南陽人，博士，講師，主要研究方向為超聲無損檢測、自動控制、缺陷智能識別；殷國富（1956－），男，四川西充人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為制造自動化、智能設(shè)計技術(shù)、CAD/CAM/CIMS。