基于ABAQUS的雙箱自卸半掛車車架有限元分析

1、 裝備制造技術(shù) 2011年第 1期傳統(tǒng)的自卸半掛車, 主要有后卸和側(cè)卸兩種結(jié)構(gòu)形式 。 后 卸式優(yōu)點為結(jié)構(gòu)緊湊 、 舉升效率高, 油壓特性好; 側(cè)卸式優(yōu)點 為可雙側(cè) (左側(cè)或右側(cè) 卸貨, 而不受場地限制 。 但這兩種結(jié)構(gòu) 也存在卸貨穩(wěn)定性差 、 需多次卸貨等缺點 。 又由于國內(nèi)絕大多 數(shù)的半掛自卸場地, 沒有形成專業(yè)化作業(yè), 不像國外有專門的 卸貨平臺及貨場, 經(jīng)常導(dǎo)致卸貨后貨物堆積掩埋輪胎, 使半掛 車無法駛離, 降低了運輸效率 。由此,專用車技術(shù)人員研發(fā)出一種活動底板式自卸半掛 車, 可實現(xiàn)卸貨時車箱不動, 底板升起, 兩側(cè)同時卸貨, 具有卸 貨穩(wěn)定 、 速度快 、 可一次完成卸貨等優(yōu)點

2、1, 但依然無法解決卸 貨時的埋胎問題 。針對以上問題, 經(jīng)過總結(jié)經(jīng)驗, 某廠工程技術(shù)人員開發(fā)出 一種雙箱自卸式半掛車, 三維模型見圖 1。 該車長 12.6m , 其結(jié) 構(gòu)主要包括前后兩個自卸車箱, 前箱為雙缸腹置式側(cè)卸, 后箱 為單缸前推連桿組合式后卸 。 此車型不僅同時繼承了側(cè)卸式 、 后卸式和活動底板式結(jié)構(gòu)的優(yōu)良特性,卸貨時還具有車架扭 曲變形小等優(yōu)點 。卸貨后, 牽引車后驅(qū)動輪與半掛車車輪埋胎 量較少, 且牽引車軸距短 、 機動性強, 在很大程度上解決了埋 胎問題 。 車架是整車最重要的承載部件 。 在多種工況下, 承受著復(fù) 雜的空間力系 。 由于該車型采用雙箱結(jié)構(gòu), 包含多組液壓舉

3、升 裝置, 車架在多工況下的受力情況較復(fù)雜, 僅通過經(jīng)驗公式計 算出的結(jié)果難以令設(shè)計人員滿意 。 因此為確保新開發(fā)車型的 安全性和穩(wěn)定性,有必要利用有限元法對該車型車架進(jìn)行強 度 、 剛度分析, 以驗證其可靠性, 并為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供有效 參考 。1基于 ABAQUS 軟件建模ABAQUS/CAE具有前后處理和任務(wù)管理的人機交互環(huán)境, 提供了基于特征的參數(shù)化建模方法, 使建模靈活 、 高效 2。 基于有限元法,建立能夠精確反應(yīng)系統(tǒng)物理特征的有限元模 型, 以便于研究和改進(jìn)車架的強度 、 剛度特性 。 1.1材料的力學(xué)性能該車架采用 T700L 高強度合金鋼, 其力學(xué)參數(shù):彈性模量為 2.1&#

4、215;105M Pa ; 泊松比為 0.3;密度為 7.85×10-9t/mm3; 屈服強度不小于 625M Pa ; 抗拉強度不小于 700M Pa 。 1.2模型的建立和簡化該車架為空間薄壁梁結(jié)構(gòu), 為了計算方便, 從實際車架到 有限元模型可作適當(dāng)簡化處理 。如忽略某些非承載構(gòu)件, 取約 束 、 載荷作用點處為單元節(jié)點等 。 為了較好地描述復(fù)雜車架結(jié) 構(gòu)和反映各關(guān)注區(qū)域的應(yīng)力分布,文中分析模型采用以殼單 元為基本單元的有限元模型, 結(jié)合該車架的結(jié)構(gòu)特點, 并經(jīng)過 適當(dāng)簡化處理后, 建立相應(yīng)的有限元模型 。 1.3網(wǎng)格的劃分模型中單元網(wǎng)格的劃分及所采用單元尺寸的大小,直接 影響計

5、算結(jié)果的精度 。 本模型大部分單元采用 30mm ×30mm 左右的矩形殼單元 (粗單元 。 對于特殊結(jié)構(gòu), 如各構(gòu)件連接部 位, 變截面區(qū)域和可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的地方, 采用 10mm ×10mm 左右的矩形殼單元 (細(xì)單元 。 粗單元與細(xì)單元之間, 采用 三角形殼單元連接 。 由以上原則進(jìn)行單元劃分, 整個車架被離 散為 179218個殼單元, 183201個節(jié)點 。 1.4邊界條件的確定對車架進(jìn)行靜態(tài)分析時, 為了使數(shù)值解存在且唯一, 系統(tǒng) 要求在不影響車架自由變形的情況下, 消除結(jié)構(gòu)的剛體位移, 以保證結(jié)構(gòu)總剛度矩陣非奇異 。 由于車架在正常工作時是由 車輪通過板簧與

6、懸架支撐的, 因此在懸架與車架縱梁連接處,基于 ABAQUS 的雙箱自卸半掛車車架有限元分析王 偉 1, 王 鐵 1, 申晉憲 2(1. 太原理工大學(xué) 車輛工程系, 山西 太原 030024; 2. 太原長安重型汽車有限公司, 山西 太原 030032摘 要:利用有限元軟件 ABAQUS6.9對新開發(fā)的某雙箱自卸式半掛車車架進(jìn)行建模 、 網(wǎng)格劃分及應(yīng)力分析, 得到了該車架在多種工況下 的應(yīng)力分布和位移變形圖, 通過對計算結(jié)果進(jìn)行分析, 校核該車架強度滿足設(shè)計使用要求, 并為其結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化設(shè)計提供有效參考 。 關(guān)鍵詞:自卸半掛車; 車架; 有限元; 雙節(jié)車箱 中圖分類號:U469.5+3文獻(xiàn)標(biāo)

7、識碼:A文章編號:1672-545X (2011 01-0053-02收稿日期:2010-10-26作者簡介:王 偉 (1985 , 男, 山西翼城人, 碩士研究生, 研究方向為車輛工程專業(yè) 。圖 1雙箱自卸式半掛車模型53Equipment Manufactring Technology No.1, 2011施加垂直于 z 方向的剛性約束, 用彈性約束定義 z 方向的平移 自由度, 牽引銷板處施加全位移約束 。1.5載荷加載 、 工況的確定汽車載荷是通過車箱傳遞給車架的,而以往的車架有限 元分析中, 通常不考慮車箱剛度對車架剛度與強度的貢獻(xiàn), 一 概將車箱上的載荷以集中載荷或均布載荷的形式,

8、全部加載 到車架上, 這種簡化, 使得應(yīng)力的計算值一般比實際值要大, 特別是在與車箱相連的車架中后部應(yīng)力計算值,往往比試驗 值大數(shù)倍 。 若車箱與車架是鋼 鋼結(jié)構(gòu)連接 (車箱縱梁為鋼質(zhì) 材料 , 考慮到車箱剛度對車架剛度的貢獻(xiàn), 則總載荷應(yīng)由車 箱與車架共同承擔(dān), 其承受載荷的比例約為 3:73。 因此該車架 所承受的載荷按總載質(zhì)量的 7/10計算 。 車架自重由系統(tǒng)根據(jù) 材料密度自動處理為分布載荷加載到結(jié)構(gòu)上 。由我國車輛電測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和車輛運行時的實際受力情況 可知, 車架的靜應(yīng)力分析一般僅考慮純彎曲工況 (工況一 和 彎扭工況 (工況二 。 純彎曲工況是指車輛的 4個車輪在同一 水 平 面

9、 時 的 靜 力 工 況 ; 彎 扭 工 況 是 指 車 輛 的 右 前 輪 抬 起 332mm , 左后輪抬起 172mm 時的靜力工況 4。 由于半掛車有 別于普通車輛, 其彎扭工況的試驗方法可定為:在車架左側(cè)第 一后懸架前板簧支架與車架縱梁連接處不作約束,相當(dāng)于該 輪懸空, 其余約束不變 。車箱在舉升過程中, 舉升質(zhì)量的阻力矩不斷減小, 而在啟 動時舉升機構(gòu)各鉸支點的靜摩擦阻力矩和慣性阻力矩最大 。 由于要考慮多部液壓舉升裝置同時工作對車架的影響,故可 分析當(dāng)兩個車箱縱梁在液壓缸舉升的作用下剛剛離開車架上 翼面時車架的強度 、 剛度變化 (工況三 。 此時兩個車箱與車架通過翻轉(zhuǎn)鉸支座和液

10、壓舉升缸連接,因此將其有效載荷加載 到車架的相應(yīng)部位 。在實際使用過程中, 當(dāng)車箱已被舉升至最大高度時, 可能 出現(xiàn)因車箱側(cè)門 (或后門 的鎖鉤機構(gòu)失效不能開啟, 或由于 天氣寒冷使車箱內(nèi)貨物凍結(jié)所導(dǎo)致的無法完成卸貨情況, 此 時車架處在最大舉升總質(zhì)量及質(zhì)心高度的狀態(tài)下,是一種極 限工況 (工況四 。 通過舉升角度和車箱 (含貨物 質(zhì)心變化, 計 算出翻轉(zhuǎn)鉸支座和液壓舉升缸的受力情況,并將載荷加載到 其相應(yīng)位置 。2有限元計算結(jié)果分析通過后處理對計算結(jié)果的分析,得出各工況下的應(yīng)力與 位移云圖, 見圖 2圖 9。分析車架變形云圖可知, 4種工況下,車架最大變形部位 在鵝頸處附近, 而車架兩端變形

11、較小, 符合實際 。 車架中部較 大變形, 有利于改善車架整體的應(yīng)力狀況, 并起到一定的緩沖 作用 5。 分析車架應(yīng)力云圖可知, 工況一 、 工況二和工況三的最 大應(yīng)力部位,在牽引銷板與縱梁連接處和懸架支架與縱梁連 接處; 工況四的最大應(yīng)力部位, 出現(xiàn)在后車箱翻轉(zhuǎn)鉸支座和尾 橫梁附近, 且在工況三與工況四時, 縱梁鵝頸處下翼面的應(yīng)力 較大 。 各工況計算結(jié)果見表 1。從 表 1可 知 , 車 架 在 這 4種 工 況 下 , 應(yīng) 力 最 大 值 為 431.7M Pa 。 車架所用材料的屈服強度為 625M Pa , 取安全系數(shù) n =1.41, 則材料許用應(yīng)力=s /n =625/1.41=

12、443.3>431.7M Pa ,說明該車架強度滿足設(shè)計使用要求 。3結(jié)束語通過對某廠新開發(fā)的雙箱自卸半掛車車架,進(jìn)行有限元 建模和多工況靜力學(xué)分析,得出各工況下車架的最大應(yīng)力與 變形值, 經(jīng)強度校核得出該車架符合設(shè)計使用要求, 并為將來 的動態(tài)仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計奠定基礎(chǔ) 。通常半掛車車架縱梁截面, 采用工字型結(jié)構(gòu), 縱梁上下翼 面等寬 。 針對工況三和工況四時車架鵝頸處縱梁下翼面應(yīng)力 較大問題提出設(shè)想,若在鵝頸處對縱梁下翼面做漸寬變截面 處理, 使下翼面逐漸變寬, 直到縱梁變截面區(qū)域截止處, 且其 后的縱梁下翼面比上翼面略寬,此改進(jìn)能否改善該處應(yīng)力較 大的問題, 仍有待作進(jìn)一步的研

13、究 。參考文獻(xiàn):1張養(yǎng)訓(xùn), 劉元磊 . 活動底板式自卸半掛車的結(jié)構(gòu)設(shè)計 J.專用汽車, 2009(12:56-57.2劉 展 . ABAQUS6.6基礎(chǔ)教程與實例詳解 M.北京:中國水利水電 圖 8工況四應(yīng)力圖 圖 9工況四變形圖圖 2工況一應(yīng)力圖 圖 3工況一變形圖圖 4工況二應(yīng)力圖 圖 5工況二變形圖圖 6工況三應(yīng)力圖 圖 7工況三變形圖表 13種工況下的計算結(jié)果工況 工況一 工況二 工況三 工況四 最大位移值 (mm 最大位移節(jié)點最大應(yīng)力值 (M Pa 最大應(yīng)力節(jié)點1.5028753263.31574294.2198926322.31593361.9198614378.11574292.

14、776 8821 431.7 83682(下轉(zhuǎn)第 63頁 54 裝備制造技術(shù) 2011年第 1期號為 100JB10G15。6結(jié)束語自行研制的教學(xué)型自動化立體倉庫,在學(xué)校的機電一體化及物流工程專業(yè)的教學(xué)中發(fā)揮著重要的作用 。 從教學(xué)型自 動化立體倉庫的設(shè)計制造過程及使用情況來看,GXU-1型堆 垛機運行機構(gòu)電動機的正確選型,為整個教學(xué)型自動化立體 倉庫的性能奠定了一個良好的基礎(chǔ) 。 在經(jīng)過電機的功率計算 后, 選擇確定了三相交流精密齒輪減速電機作為 GXU-1堆垛機運行機構(gòu)的電動機, 減小了堆垛機運行機構(gòu)的自身總質(zhì)量, 使堆垛機可以實現(xiàn)快速運行 、 低速對準(zhǔn), 剎車停準(zhǔn)的控制性能 要求 。參考

15、文獻(xiàn):1起重機設(shè)計手冊編寫組 . 起重機設(shè)計手冊 K.北京:機械工業(yè)出版 社, 1980.2王霄,段志敏 . 自動化立體倉庫的設(shè)計 J.沈陽工業(yè)學(xué)院學(xué)報, 2004, 23(2 :89-91.3姜幼卿, 葉惠軍 . 橋式堆垛機大車運行機構(gòu)的技術(shù)改造 J.起重運 輸機械, 2002, (6 :32-37.Motor Power Calculation and Choosing of Stacker Travelling MechanismZHANG Tie-yi , LI Yu-peng, CAO Xiao-zhong(Mechenical Engneering College, Guangxi

16、 University,Nanning 530004,ChinaAbstract :This paper introduces calculation and choosing methods of motor power, for teaching model automated warehouse stacker travel-ling mechanism .Besides considering the static motors power of stable operation outside, acceleration power must be considered to ove

17、rcome mobile quality and rotating quality to cause inertial load.Key words:stacking machine ; travelling mechanism ; motor power出版社, 2008.3李德信,呂江濤, 應(yīng)錦春 . SX360自卸車車架異常斷裂原因分析 J.汽車工程, 2002, 24(4:348-352.4余志生 . 汽車?yán)碚?M.北京:機械工業(yè)出版社, 2006.5鐘佩思,孫雪顏, 趙 丹, 等 . 基于 ANSYS 的貨車車架的有限元靜態(tài) 分析 J.拖拉機與農(nóng)用運輸車, 2008, 35(2:89

18、-93.Finite Element Method of Double Box Dump Semi-trailer's Frame based on ABAQUSWANG Wei 1, WANG Tie 1, SHEN Jin-xian 2(1.Department of Vehicle Engineering, Taiyuan University of Technology , Taiyuan 030024, China ;2. Taiyuan Changan Heavy-duty Truck Co. , Ltd., , Taiyuan 030032, China Abstract :A finite element model for frame of the brand new double box dump semi-trailer was build by using ABAQUS6.9,and the stiffness