workbench車輛底盤車架多工況分析與優(yōu)化

1、多軸特種車輛底盤車架多工況分析與優(yōu)化關(guān)鍵字：多軸特種汽車 多工況優(yōu)化 ansys 信息化應(yīng)用調(diào)查在線投稿加入收藏發(fā)表評論好文推薦打印文本對于多軸特種車輛底盤而言，車架是基礎(chǔ)的承力機(jī)構(gòu)。不但要承受上裝設(shè)備的各種工況載荷，而且還要保證各種行駛工況的剛度、強(qiáng)度要求。此外，作為整車重量構(gòu)成中比例最大的總成，必須進(jìn)行減重設(shè)計(jì)。本文以HTF八軸特種汽車底盤車架為例，通過整車動力學(xué)分析獲得了各行駛工況下車架的載荷條件，利用ANSYS和WORKBENCH軟件完成了結(jié)構(gòu)力學(xué)分析和多工況優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果綜合協(xié)調(diào)了各工況對車架力學(xué)特性的要求，達(dá)到了減輕結(jié)構(gòu)重量的目的。 1前言 車架是多軸特種車輛的基礎(chǔ)承力結(jié)構(gòu)，其載荷

2、可以分為兩大類。第一類是上裝設(shè)備工作過程中產(chǎn)生的載荷，如舉升油缸對車架的作用力、調(diào)平過程中支腿油缸的反作用力等，此類載荷作用點(diǎn)相對集中，在計(jì)算和分析過程中一般按靜態(tài)載荷處理；另一類是車輛在行駛過程中產(chǎn)生的動載，如行駛、轉(zhuǎn)彎、制動等工況，此類載荷的特點(diǎn)是作用點(diǎn)分散，在時(shí)間歷程上各作用點(diǎn)的載荷變化較大，需要對時(shí)間歷程中不同時(shí)刻的載荷組合進(jìn)行對比分析，找出最惡劣的載荷工況。 多軸車輛底盤的車架一般采用高強(qiáng)度鋼板焊接結(jié)構(gòu)，由縱梁、橫梁、尾梁、支腿和油缸支承等部件組成。受到結(jié)構(gòu)尺寸以及復(fù)雜程度的影響，多軸車輛底盤車架的試制、靜態(tài)試驗(yàn)等工作一般情況下不少于3個(gè)月。再考慮到底盤裝配、調(diào)試后進(jìn)行動態(tài)測試的周期

3、，全部載荷工況驗(yàn)證所需要的周期至少需要6個(gè)月的時(shí)間。如果在設(shè)計(jì)階段不能對車架的動態(tài)、靜態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行全面準(zhǔn)確的計(jì)算和分析，則有可能導(dǎo)致研發(fā)工作的反復(fù)，在經(jīng)費(fèi)、周期等方面造成無法挽回的損失。尤其是近年來各應(yīng)用領(lǐng)域的用戶對研發(fā)周期、經(jīng)費(fèi)以及多軸車輛的性能指標(biāo)提出了更高的要求，不但要通過優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到減輕重量、提高性能的目的，而且還要縮短產(chǎn)品推向市場的時(shí)間。 綜合考慮上述要求，本文介紹了HTF系列八軸特種汽車底盤車架的多工況優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，以有限元和多體動力學(xué)理論為基礎(chǔ)，通過整車動力學(xué)分析獲得車架的動態(tài)載荷工況，在ANSYS和WORKBENCH軟件平臺上完成了多載荷工況的優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到了提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和減

4、輕結(jié)構(gòu)重量的目的。 2載荷工況分析 2.1靜態(tài)載荷工況 車架的靜態(tài)載荷工況主要是上裝設(shè)備工作過程中產(chǎn)生的作用力和反作用力，根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，載荷作用點(diǎn)集中于三個(gè)位置，主要考慮三種載荷狀態(tài)作為設(shè)計(jì)、計(jì)算依據(jù)，如表1所示。 2.2動態(tài)載荷工況 HTF系列八軸特種汽車底盤為自行式結(jié)構(gòu)，為了提高整車的機(jī)動能力和行駛安全性，采用了雙橫臂油氣彈簧獨(dú)立懸架、前后分組轉(zhuǎn)向、多貫通驅(qū)動橋等先進(jìn)技術(shù)。整車的CAD模型在UG NX3軟件平臺上完成虛擬裝配，通過Motion模塊完成整車多體動力學(xué)模型的前處理，將三維實(shí)體的質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量以及剛體之間的約束關(guān)系傳遞到動力學(xué)分析軟件平臺上，提高了建模效率，并能夠保

5、證計(jì)算模型的細(xì)節(jié)最大程度的模擬實(shí)際情況。整車動力學(xué)模型包含運(yùn)動部件116個(gè)，具有30個(gè)自由度，如圖1所示。 計(jì)算工況包括平順性和操縱穩(wěn)定性兩部分。平順性計(jì)算工況包括脈沖輸入（按照GB5902-86汽車平順性脈沖輸入行駛試驗(yàn)方法）和隨機(jī)輸入，其中隨機(jī)輸入數(shù)據(jù)由道路試驗(yàn)獲得，通過相關(guān)處理轉(zhuǎn)換為車橋垂直載荷。操縱穩(wěn)定性輸入計(jì)算工況包括穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)、方向盤角階躍輸入、轉(zhuǎn)彎制動三種。計(jì)算結(jié)果為車架總成上各油氣彈簧上支耳、懸架擺臂支架的載荷時(shí)間歷程，圖2所示為角階躍輸入工況下左一橋油氣彈簧上支耳的三向載荷時(shí)間歷程。本文為e-works原創(chuàng)投稿文章，未經(jīng)e-works書面許可，任何人不得復(fù)制、轉(zhuǎn)載、摘編等任何方

6、式進(jìn)行使用。如已是e-works授權(quán)合作伙伴，應(yīng)在授權(quán)范圍內(nèi)使用。e-works內(nèi)容合作伙伴申請熱線：editore- tel20/21。 3車架計(jì)算模型 車架的CAD三維實(shí)體模型是在UG NX3下構(gòu)造的，由于CAD與CAE的思路和最終目標(biāo)差異，CAD模型不能直接用于計(jì)算分析，必須對讀入的CAD實(shí)體模型作適應(yīng)于CAE的改造。在ANSYS軟件中，需要對從CAD模型轉(zhuǎn)換過來的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行相互連接，采用耦合連接則太繁瑣，采用布爾運(yùn)算連接比較復(fù)雜。如果在同一界面下逐個(gè)構(gòu)建幾何實(shí)體，界面會變得很繁復(fù)不易處理。因此要解決這個(gè)問題，應(yīng)采用其他有效、簡潔的幾何實(shí)體構(gòu)建方法，還要

7、保證幾何體間無縫連接。 對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的各個(gè)部件在Design Modeler下進(jìn)行分別構(gòu)建，再利用標(biāo)準(zhǔn)格式轉(zhuǎn)換讀入是一個(gè)比較實(shí)用的方法。采用標(biāo)準(zhǔn)格式(如IGS格式)讀入時(shí)，點(diǎn)線面相同的特征會自動合并，在構(gòu)建每一個(gè)部件時(shí)要保證連接處的點(diǎn)線面一致，就解決了各部件間的無縫連接問題。 在建立車架結(jié)構(gòu)幾何模型時(shí)，本文采取了三種方式生成幾何實(shí)體：一是用命令流文件生成車架縱梁部分，在各部件連接處預(yù)留連接線，以便于與其他結(jié)構(gòu)無縫連接；二是建立主要部件結(jié)構(gòu)的板單元幾何模型，并保存為IGS格式文件，然后在命令流文件中用IGS格式讀入橫梁、支腿等部件結(jié)構(gòu)；三是橋殼這樣非常復(fù)雜的三維幾何實(shí)體，通過ACIS格式單獨(dú)讀入，

8、劃分單元后存儲為DB文件，在整體模型中通過CDREAD命令讀入。 車架結(jié)構(gòu)中擺臂支架與橋殼是通過螺栓連接，在計(jì)算模型中采用梁連接方式代替，以單邊兩圈24個(gè)梁單元連接，這種連接方式能完全傳遞力和彎矩。支腿結(jié)構(gòu)不是分析重點(diǎn)，采用線及與結(jié)構(gòu)耦合的方式處理。在建立有限元計(jì)算模型時(shí)，精減對靜態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響不大的局部結(jié)構(gòu)以節(jié)省計(jì)算機(jī)資源。整體結(jié)構(gòu)主要由鋼板焊接而成，因此計(jì)算模型以殼單元為主，橋殼由于曲面復(fù)雜采用實(shí)體單元。計(jì)算模型如圖3所示。 4計(jì)算結(jié)果分析與優(yōu)化 4.1主縱梁的斷面結(jié)構(gòu)優(yōu)化 根據(jù)對各類載荷工況的分析，靜態(tài)載荷工況下的載荷遠(yuǎn)大于動態(tài)載荷工況，因此確定了以靜態(tài)載荷工況作為確定和優(yōu)化車架主縱梁斷

9、面結(jié)構(gòu)的依據(jù)。車架主縱梁斷面結(jié)構(gòu)優(yōu)化包括兩方面，結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化和鋼板厚度優(yōu)化。車架結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化主要是車架的縱梁斷面尺寸，在方案階段建立了車架縱梁的全參數(shù)化模型，通過主要載荷工況計(jì)算分析完成了縱梁的斷面優(yōu)化。這個(gè)優(yōu)化是通過APDL命令流文件完成的，結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)連續(xù)變化，以應(yīng)力為約束條件，重量最輕為目標(biāo)。由于市場可能供給的材料型號而有一定的限制，板厚度的優(yōu)化無法采用連續(xù)變量形式，因此對板的厚度優(yōu)化基本是通過厚度調(diào)整的方式進(jìn)行。本文為e-works原創(chuàng)投稿文章，未經(jīng)e-works書面許可，任何人不得復(fù)制、轉(zhuǎn)載、摘編等任何方式進(jìn)行使用。如已是e-works授權(quán)合作伙伴，應(yīng)在授權(quán)范圍內(nèi)使用。e-works

10、內(nèi)容合作伙伴申請熱線：editore- tel20/21。4.2附屬零部件優(yōu)化 車架上的前托架、前中支腿、尾梁、橋殼連接板、油氣彈簧上支架、駕駛室前支撐、水箱支架等零部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度的計(jì)算分析，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在滿足使用性能條件下減重的目的。在整個(gè)優(yōu)化分析過程中，主要是根據(jù)應(yīng)力分布首先提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，然后再進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證；由于受到市場所選材料規(guī)格的限制，對各部分零部件只能作有限優(yōu)化，其結(jié)構(gòu)參數(shù)并未作連續(xù)變量優(yōu)化。 下面以前支腿為例，介紹優(yōu)化分析過程。前支腿主要用于調(diào)平和起豎工況，一側(cè)與縱梁連接，局部結(jié)構(gòu)如下圖所示。 載荷和約束：前支腿的力學(xué)性能分

11、析主要考慮起豎前的調(diào)平工況，所以載荷為地面的支反力，作用于法蘭下表面；約束主要考慮局部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對縱梁兩端采用全約束，對加強(qiáng)橫梁端面采用對稱約束。 優(yōu)化結(jié)果：經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算，板材的厚度從8mm減為6mm；前后封板結(jié)構(gòu)按應(yīng)力的分布情況進(jìn)行了減重設(shè)計(jì)，減小了與縱梁接觸部位的斷面高度；縱梁內(nèi)側(cè)的加強(qiáng)梁也是按照前支腿斷面的結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)，降低了加強(qiáng)梁的高度。相比優(yōu)化前，重量減輕了10.5%。 4.3懸架支架動載荷工況優(yōu)化 懸架支架是油氣彈簧與車架間的主要傳力結(jié)構(gòu)，傳遞動態(tài)和靜態(tài)載荷，通過動力學(xué)分析將行駛、制動、扭轉(zhuǎn)等動態(tài)載荷輸入懸架支架模型，進(jìn)行優(yōu)化分析。懸架支架焊接于車架縱梁上平面，考慮到局部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對縱梁的兩端作全約束，對橫梁的端面作對稱約束,動態(tài)載荷施加在懸架支架的支耳處。 通過優(yōu)化分析，在保證結(jié)構(gòu)的疲勞壽命滿足使用要求條件下，對懸架支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了減重設(shè)計(jì)。優(yōu)化后為懸架支架質(zhì)量僅20kg，