通過有限元分析對牽引車車架進行優(yōu)化

2013-06-07 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

運用參數(shù)化特征建模技術(shù)建立了牽引車車架改進前后的三維幾何模型。以ANSYS 為有限元分析平臺,建立了牽引車車架有限元模型,確定了計算工況并進行了多工況下的有限元靜力學計算,在對比分析計算結(jié)果的基礎(chǔ)上,提出結(jié)構(gòu)改進方案并對進行了驗證計算,結(jié)果表明有限元技術(shù)是牽引車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效工具。
來源:CAD世界網(wǎng)
關(guān)鍵字:ansys 牽引車分析優(yōu)化

1 牽引車車架有限元的有限元分析

1.1 有限元模型的建立

早期的車架結(jié)構(gòu)計算受CAD 技術(shù)和計算規(guī)模的限制,多采用梁單元手工建立有限元模型,文獻[1]綜述了基于梁桿單元的車架靜態(tài)計算方法?；诖祟惸Ｐ偷挠邢拊嬎憔哂薪：啽?、計算量小的優(yōu)點,模態(tài)計算結(jié)果同試驗結(jié)果比較,具有較好的精度[2],同時靜態(tài)強度、剛度計算結(jié)果也為車架結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)[3]。由于受梁單元本身特點的局限,如無法準確反映縱橫梁接頭區(qū)域的應力分布,且忽略扭轉(zhuǎn)時截面的翹曲變形,隨著計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展,目前普遍采用板殼單元建立車架有限元模型,例如文獻[4~5]是較早以板單元為基本單元,同時兼顧規(guī)模大小,采用不同尺寸網(wǎng)格對車架結(jié)構(gòu)進行離散。牽引車車架主要結(jié)構(gòu)由Q235A 鋼板焊接而成,本文在ProeTM 實體參數(shù)化模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)中面位置提取中面模型,在ANSYS 中采用板殼單元shell63 對主要結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分,一些起聯(lián)接作用的槽鋼結(jié)構(gòu),采用了相同截面的梁單元beam188 進行模擬,前橋按照等剛度原則,采用梁單元連接鋼板彈簧支撐中節(jié)點,車架的板殼梁混合網(wǎng)格模型如圖1 所示。

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圖1 車架結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型

懸架系統(tǒng)將車架與車橋、輪胎等連接,其模擬方式是車架有限元模型建立的關(guān)鍵之一。最常見的建模方法如圖2(a)所示,其中鋼板彈簧由一個剛性單元聯(lián)接的兩根垂直彈簧組成,文獻[6]采用此模型,對不同工況下的約束處理方法進行了研究。文獻[7]針對副簧非線性特性,提出三種建模方法,并對計算結(jié)果進行了對比分析,從計算精度和效率兩方面綜合考慮提出了板簧建模方法。文獻[8]研究了不同支撐方式對計算結(jié)果的影響,并指出力學等效模擬在車架計算中的必要性。文獻[9]采用結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計方法提出了串聯(lián)多軸油氣彈簧懸架車輛車架分析方法。牽引車車架懸架建模方法如圖2(b)所示,將鋼板彈簧等效一根水平放置的矩形截面梁[10],等效梁截面高H 通過下式計算求得:

其中K 為鋼板彈簧垂直剛度,B 為簧片截面寬度,E 為材料彈性模量;L 為鋼板彈簧兩吊耳間的水平距離。采用上述方法模擬鋼板彈簧,無論從幾何外形和力學剛度等效上均較為真實地反映了懸掛對車架結(jié)構(gòu)的影響,將懸架梁單元節(jié)點與車架結(jié)構(gòu)節(jié)點進行自由度耦合,模擬了懸掛與車架聯(lián)接的相對運動關(guān)系。

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圖2 不同懸掛處理方式示意圖

1.2 計算工況及邊界條件確定

該牽引車主要用于牽引飛機,車輛在機場以低速前進,路面狀況良好,宜采用有限元靜力學分析以考察其在最大載荷作用下的變形與應力狀況。根據(jù)工作環(huán)境特點,計算包括直線牽引、45 度牽引、直線頂推和45 度頂推4 個工況。車架承載重量和牽引、頂推載荷以集中力形式施加在網(wǎng)格模型相應位置的節(jié)點上,以形成不同工況下的載荷集。將前懸等效梁后端節(jié)點與車架上相應安裝位置節(jié)點、前端節(jié)點與吊耳下端節(jié)點以及吊耳上端節(jié)點與車架上相應安裝位置節(jié)點皆進行自由度耦合,僅釋放繞橫梁方向的旋轉(zhuǎn)自由度;該車后橋與車架之間采用的是剛性連接的方式。在本模型中,后橋及支撐部分采用剛度很大的等效梁進行模擬,與車架上與之相連的區(qū)域——后橋連接區(qū)進行了剛化處理。由于輪胎剛度較大,故而忽略輪胎剛度對車架結(jié)構(gòu)的影響,約束懸架與輪胎連接處節(jié)點以消除整個模型的剛體位移。

1.3 計算結(jié)果及分析

直線牽引工況下的車架等效應力分布與變形結(jié)果如圖3 所示。

由計算結(jié)果可知,車架后部所開∩形孔由于靠近支撐車架的后橋連接區(qū),所受內(nèi)力較大,該處結(jié)構(gòu)又被∩形孔削弱了,因此最大應力發(fā)生在該∩形孔前端的圓角部位,最大位移發(fā)生在車架前端,主要是由于前端剛度較小,作用的垂直載荷較大,因而引起了較大的垂直位移。四個工況下的車架最大變形和最大等效應力結(jié)果如表1 所示:

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表1 不同工況下的車架最大變形與最大等效應力值

由表1 結(jié)果可得,45 度頂推工況下車架的最大等效應力值較其它工況高,其原因在于45 度頂推產(chǎn)生的水平彎矩與垂直彎矩疊加,綜合兩方向作用力大小與危險點距離,使得該工況為最危險工況,而頂推力的作用點低于車橋支撐點也使得車架前部的垂直位移值較牽引工況有較大增長。

2 牽引車車架改進設(shè)計

為保證該牽引車具有足夠的地面附著力,車架的結(jié)構(gòu)改進以提高其剛強度性能為目標,輕量化目標處于其次的地位[11]。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果,在兩∩形孔下部增加局部加強板,初始與改進車架結(jié)構(gòu)對比如示意圖4 所示,經(jīng)過改進后的車架結(jié)構(gòu)分析結(jié)果如表2 所示。

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圖4 初始與改進車架結(jié)構(gòu)對比示意圖
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表2 不同工況下的改進車架最大變形與最大等效應力值

表2 結(jié)果表明,優(yōu)化結(jié)構(gòu)在各工況下的最大變形值有較大降低,結(jié)構(gòu)剛度改善明顯。除45 度頂推工況外,其余工況下的最大應力值也有一定程度的降低,結(jié)構(gòu)強度薄弱處需進行進一步加強。

3 結(jié)論

基于有限元法的結(jié)構(gòu)分析能有效地在牽引車車架設(shè)計階段了解產(chǎn)品的力學性能,采用“設(shè)計-虛擬分析-修改”的虛擬設(shè)計流程減少了產(chǎn)品開發(fā)的試驗次數(shù),從而大大降低了開發(fā)設(shè)計的時間,有限元技術(shù)為牽引車車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù),ANSYS 軟件是牽引車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計與改進的良好平臺。

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