道路清障車托舉裝置有限元分析與實驗研究

李 偉，王基月，肖新科

（1.鄭州科技學院 機械工程學院，河南 鄭州 450064；2.南陽理工學院 機械與汽車工程學院，河南 南陽 473004）

1 引言

道路清障車為一款清除道路車輛的專用車輛。就是將發(fā)生故障的車輛托離事故區(qū)域，確保道路順利通行。道路清障車的一個重要功能是托舉功能，托舉裝置的結構可靠性直接影響車輛的工作性能。目前，有限元計算方法已經(jīng)在道路清障車的設計過程中普遍應用，但是對于道路清障車的復雜結構的計算，還只停留在依靠一些簡化模型進行粗略估算，很難反映某些局部的真實應力狀況，這樣就導致了對結構分析的不清楚，產(chǎn)品設計出來，可能存在很大的安全隱患，很可能導致意外事故的發(fā)生。無論從設計人員還是用戶角度來考慮，對道路清障車托舉裝置的結構分析和實驗研究都比較重要。

首先，對企業(yè)提供的道路清障車托舉裝置幾何模型，運用Hyper Mesh軟件進行處理，建立道路清障車該部分有限元模型。在模型建立完成后，利用ANSYS軟件施加約束和載荷，對托臂、搖臂在托牽工況下進行了靜力學分析，分析托舉裝置各部件的應力情況。其次，應用LMS公司的scandas動態(tài)應變測試設備對托臂、搖臂及副車架進行應力測試，托臂9個測點，搖臂6個測點，副車架4個測點，整理了相關各部件的實驗數(shù)據(jù)。最后，對托臂和搖臂計算和測試結果進行了對比分析，對比結果驗證了托舉裝置的模型正確性，提出了托臂危險區(qū)域的改進意見，為同類型道路清障車托舉裝置的計算分析和實驗研究提供了參考。

2 托舉裝置的有限元模型

托臂有限元分析模型，如圖1所示。根據(jù)某清障車生產(chǎn)企業(yè)提供的三維模型，利用Hyper Mesh建立了托臂的有限元模型，托臂結構形式主要有廂型結構的伸縮臂體和一些支撐板組成，該模型的建模采用四面體二次單元，各節(jié)伸縮臂之間通過接觸約束連接，為了載荷和邊界條件施加方便，載荷點處采用力分布式約束方程。支撐板、耳板通過焊接實現(xiàn)剛性連接的，搖臂與托臂連接銷軸處，施加（X、Y、Z）方向的平動約束和釋放繞銷軸旋轉的自由度，加載載荷以托臂實際各工況施加即可，如表1所示。

圖1 托臂有限元分析模型Fig.1 Finite Element Analysis Model of the Bracket Arm

表1 道路清障車分析工況Tab.1 Road Repair Car Analysis Conditions

托臂、搖臂材質為Q345，屈服極限為345MPa，材料的彈性模量為210GPa，泊松比設置0.3，材料密度為7800kg/m3。

3 仿真分析結果及測點位置

在托臂全伸和全縮工況下，對托臂和搖臂模型進行靜態(tài)結構強度分析，由于測點較多，分析結果以托舉裝置全伸工況進行托臂和搖臂受力分析介紹，如圖2所示。全縮工況只給出分析結果關鍵數(shù)據(jù)。實驗測試的相關測點已在分析結果中標出，共9個測點位置，前8個點進行對稱布置，為了驗證托臂模型的正確性，8個測點用來對比計算應力。如圖3所示。9點處在應力集中的位置，應力梯度比較大，所以僅僅用來判斷測點位置應力是否較大，不進行應力對比。托舉裝置分析結果，如表2所示。

圖2 全伸工況分析模型Fig.2 The Working Condition Model of Full Stretch

托臂全伸工況1點和2點應力值分別為497.6MPa和540MPa，均超過了材料的屈服極限，所以測試值對比僅微應變可以參考，因該區(qū)域材料發(fā)生塑變，應力無法用于對比。而其他部位的應力相對較小。主要原因是測點1和2位于耳板根部位置，該位置承受很大的彎矩，應力最大，測點3和4，測點5和6距離載荷位置相對較近，應力較小。測點9的位置為應力集中區(qū)域點，應力值大。各測點分析結果，如表2所示。搖臂6個測點位置對稱分布，其分析結果，如圖4所示。全伸工況下測點5和6應力最大，但該部位主要承受的是壓應力，強度滿足要求。測點3和測點4的應力梯度很大，而應力值是嚴格按照測量位置提取的應力，上下或者左右偏差1mm，就會引起不小的應力變化，所以，測點3和測點4在進行貼片時，要盡量保證與應力云圖上的位置一致。測點的分析結果，如表3所示。

圖3 托臂應力云圖和測點位置Fig.3 Arm Stress Nephogram and Observation Points

表2 道路清障車托臂各點應力分析結果Tab.2 Road Repair Car Arm Each Point Stress Analysis Results

表3 道路清障車搖臂各點應力分析結果Tab.3 Rocker Arm Each Point Stress Analysis Results

圖4 搖臂應力云圖和測點位置Fig.4 Rocker Arm Stress Nephogram and Observation Points

4 應力實驗測試與數(shù)據(jù)對比分析

為了驗證有限元模型，對相關分析車輛進行了測試實驗，測試設備為LMS公司的scandas動態(tài)應變測試儀器。測試工況除了仿真工況外，增加了車輛行駛工況的測試實驗。除了托臂和搖臂測試外，額外增加了副車架的應力測試。副車架一共布置了4個測點，各點均采用應變片進行貼片，具體位置，如圖5所示。道路清障車測試工況，如表4所示。

表4 道路清障車測試工況Tab.4 Road Repair Car Test Conditions

4.1 測試數(shù)據(jù)結果

在所有實驗工況下，儀器實際測得的數(shù)據(jù)為應變片的微應變，為了更加直觀的與仿真結果進行對比，將其直接轉換成應力值，測試結果數(shù)據(jù)，如表5所示。托臂上的測點1和測點2實測應力值超出材料屈服極限，測點區(qū)域發(fā)生了塑性變形；托臂全縮工況搖臂的受力最大，測點5的應力值為-336.4MPa，測點6的應力值為-340.3MPa，該區(qū)域主要承受壓應力，滿足工作要求，清障車車架上各測點實測應力值均較小。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果，后續(xù)可以對副車架行結構減重優(yōu)化，但要保證其結構的可靠性。而托臂局部位置進行結構強度改進工作。測試現(xiàn)場，如圖6所示。

表5 道路清障車各點應力測試數(shù)據(jù)Tab.5 Road Repair Car Each Point Stress Test Data

圖5 副車架的測點位置Fig.5 Measuring Point Location of Auxiliary Frame

圖6 測試現(xiàn)場Fig.6 Test on Site

行駛工況：載荷5 t，選取特定的顛簸路面，時速18km/h下測試，在試驗狀態(tài)下，托臂測點的時間-應變歷程曲線，如圖7所示。

提取測點滿載靜止和行駛沖擊（max）的應變值，將其轉化為應力值，測試數(shù)據(jù)，如表6所示。托臂測點1和2的應力均超出了材料的屈服極限。測點1滿載靜止和行駛沖擊（max）測得的微應變?yōu)?977和4127，測點2滿載靜止和行駛沖擊（max）測得的微應變?yōu)?507和3468，由于產(chǎn)生塑性變形，應力與應變不在滿足線性關系，表中差異為應變的差異，其余各點為應力的差異。

圖7 托臂部分測點的應變時間歷程曲線Fig.7 The Strain Time History Curve of Some Stations of the Bracket Arm

表6 行駛狀態(tài)托臂測試數(shù)據(jù)Tab.6 Driving State Test Data of the Bracket Arm

4.2 數(shù)據(jù)對比分析

工況一：托臂測點1和測點2的測試和計算值均超過材料的屈服極限，所以測試值僅微應變可以參考，應力無法用于對比；測點7和8誤差最大，誤差也只有8%左右，其它點測試值和計算值十分相近。

搖臂測點2與測點1的測試值不對稱，是由于載荷不對稱和裝配偏差引起的，而計算值左右相差不大，所以引起測點2的誤差較大。測點3和測點4貼片附近的應力梯度很大，測點3左右相差4mm的兩個節(jié)點應力分別為107MPa、164MPa，測點4左右相差4mm的兩個節(jié)點應力分別為100MPa、156MPa，而應力值是嚴格按照測量位置提取的應力，而實際貼片試驗中，貼片位置難免會有誤差，即使上下或者左右偏差1mm，就會引起不小的應力變化，因此，點3和點4的測試誤差會有點偏大。

工況二：托臂的連接支架的裝備左右不對稱，導致測點的應力值大小不一致，而有限元模型中是嚴格的對稱結構，所以導致測點3和測點5的誤差比較大；而測點8也是由于托舉載荷左右不對稱，導致測試值有一定的差異，引起的對比誤差較大。搖臂測點3和測點4貼片附近的應力梯度很大，因貼片位置已在工況1確定，搖臂在該位置貼片存在一定誤差，導致測點3和測點4的偏差稍大。

表7 測點應力值誤差分析表Tab.7 The Error Analysis of the Measuring Point Stress Value Table

5 結論

以某種類型的清障車托舉裝置為研究對象，對其進行有限元分析和應力測試，對計算和測試結果進行對比分析，各測點測試值與有限元計算值應力趨勢一致，兩者誤差控制在10%以內，數(shù)據(jù)對比結果驗證了模型的正確性。托臂1點和2點的測試值和計算值均已超過屈服極限，該點位置區(qū)域材料雖發(fā)生了塑性變形。但滿足材料抗拉強度的工作要求。在后續(xù)產(chǎn)品設計中，應對該區(qū)域進行結構優(yōu)化設計，盡可能的對該部位受力控制在材料的彈性工作范圍內。計算分析結合實驗研究的分析方法，對托舉裝置進行下一步的結構優(yōu)化設計提供了可靠的技術參考，對相關清障車新結構托舉裝置的設計優(yōu)化分析，具有一定的借鑒意義。