自卸車舉升支架強度分析及優(yōu)化

史榮旭，沈保山，王康，肖一帆，鐘宏松

(無錫職業(yè)技術(shù)學院汽車與交通學院，江蘇無錫 214000)

0 引言

自卸汽車可以實現(xiàn)全部裝卸機械化，大大縮短裝卸時間，節(jié)省勞動力，減輕勞動強度，提高作業(yè)效率，自卸汽車已經(jīng)逐漸發(fā)展成為各行業(yè)用來降低作業(yè)成本，提高勞動生產(chǎn)率的主要運輸工具[1]。

車架是整個自卸車的關(guān)鍵部件和承載基體，發(fā)動機、駕駛室、轉(zhuǎn)向系、傳動系、懸架、車廂等有關(guān)部件和總成都安裝在整個車架上，承受著各種力和力矩，在裝載、運輸和卸載中承受主要載荷，因此車架強度和壽命直接影響到整車是否正常工作及安全性[2]。自卸舉升支架作為車架的一部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)劣，除對其本身可靠性有較大影響，亦會影響車架本體(尤其是縱梁)的強度性能。

為了使該部件及車架縱梁滿足舉升工況強度要求，基于有限元原理，對自卸車舉升部件總成進行有限元強度分析，得到各部件應(yīng)力分布，并對存在失效風險部件的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

1 有限元原理

有限元法是一種近似求解連續(xù)問題的數(shù)值分析計算方法，其基本原理是把物體結(jié)構(gòu)離散成一組有限的單元，然后把單元按照固定方式連接在一起的模型，來模擬真實物體，也就是一個把無限自由度問題變成離散的有限自由度問題，將復(fù)雜問題合理簡化為適合于數(shù)值解法的結(jié)構(gòu)性問題[3]。物體被離散成網(wǎng)格的過程，網(wǎng)格質(zhì)量越好的，網(wǎng)格單元越小，離散出的單元組合越接近于需要模擬的實體，數(shù)值分析計算求得的結(jié)果越接近于實際情況。

2 有限元模型建立

建立自卸車舉升支架有限元模型，如圖1所示，包括部分車架縱梁與車架橫梁、舉升支架1、舉升支架2和舉升油缸。舉升支架1采用六面體網(wǎng)格劃分，舉升支架2采用二階四面體網(wǎng)格劃分，單元尺寸為3 mm。車架縱梁與車架橫梁采用殼單元網(wǎng)格劃分，單元尺寸為10 mm。舉升支架1和舉升支架2、舉升支架2和舉升油缸及舉升支架1與車架縱梁間的接觸關(guān)系采用Contact接觸模擬，摩擦因數(shù)為0.15。整個模型節(jié)點數(shù)目727 173個，單元數(shù)目為587 562個。

圖1 自卸車舉升支架有限元模型

約束車架縱梁所有自由度；因油缸沿整車Y軸向左右對稱布置，所以僅約束車架橫梁斷面節(jié)點的2、4、6自由度，其余自由度均釋放。

自卸車滿載時，貨箱與貨物總質(zhì)量28 000 kg，每個舉升油缸承受了F=137 200 N的力，且在舉升開始后，貨物不斷滑落，因此定義起始舉升工況為最惡劣工況，力的方向為舉升油缸初始舉升姿態(tài)的軸線方向，如圖2所示。

圖2 舉升支架強度分析工況定義

3 計算結(jié)果

利用ABAQUS軟件對自卸車舉升支架進行了強度分析，得到舉升支架1、舉升支架2和車架等部件的應(yīng)力云圖，如圖3—圖5所示，最大應(yīng)力見表1。

圖3 自卸車舉升支架1結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖4 自卸車舉升車架2結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖5 自卸車車架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

表1 自卸車舉升支架最大應(yīng)力

由圖可以看出，舉升支架2和車架均未超過材料的屈服強度，滿足強度要求。舉升支架1最大應(yīng)力超過材料的抗拉強度(500 MPa)，存在失效風險。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

為降低舉升支架1的應(yīng)力，結(jié)合生產(chǎn)工藝綜合考慮下，對其結(jié)構(gòu)進行了重新優(yōu)化，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后自卸車舉升支架1模型

4.2 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)分析

對優(yōu)化后的舉升支架1進行強度計算，得到的應(yīng)力云圖如圖7所示，最大應(yīng)力為466.174 MPa。

圖7 自卸車舉升支架1結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

由圖7可知，該部件最大應(yīng)力值(466.174 MPa)小于材料的屈服極限，滿足強度要求。

4.3 輕量化設(shè)計

自卸車整備質(zhì)量的降低可以給用戶帶來載貨量的提高，最終帶來收益的增加，因此車架的輕量化自卸車設(shè)計將是今后自卸車發(fā)展的重要趨勢[4]。

由圖7可以看出，舉升支架1較大區(qū)間內(nèi)的應(yīng)力較小，存在降重空間，故在A位置處進行開孔處理，其結(jié)構(gòu)如圖8所示，優(yōu)化后舉升支架1的應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖8 輕量化后舉升支架

圖9 輕量化后舉升支架應(yīng)力云圖

由圖9可知，在相同工況下，輕量化后的舉升支架1最大主應(yīng)力(467 MPa)低于材料的抗拉強度，滿足強度要求，且輕量化方案較原方案降重5.3 kg(兩支架)，占比19.6%，效果明顯。

5 結(jié)束語

通過對自卸車舉升支架進行的非線性強度計算，得到自卸車舉升支架應(yīng)力分布，對存在風險部件(舉升支架1)進行優(yōu)化設(shè)計及強度確認分析，在強度性能提升的情況下，實現(xiàn)產(chǎn)品降重，大大提升了產(chǎn)品設(shè)計水平和競爭力。