叉車車架有限元模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)改進_圖文

1、第43卷2012年3月叉車車架有限元模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)改進衛(wèi)良保1,曾龍修2(1.太原科技大學;2.柳工集團叉車研究所p“”?！啊薄啊薄?。”“”“”、4“4“”?！啊薄啊??！薄啊薄?、”“”“”“”“”?！啊薄啊薄啊?。? ; 摘要:叉車是剛性懸掛車輛,車架作為整車的骨架,其動態(tài)特性直接關(guān)系到整車的振動性; j能。為改進和有效提高叉車的安全可靠性、駕駛平順性和舒適性,應用ANSYS有限元方法對某型3÷t叉車車架進行模態(tài)分析,根據(jù)所得模態(tài)參數(shù),結(jié)合叉車行駛路況和發(fā)動機激勵頻率的計算結(jié)果,對i ;車架結(jié)構(gòu)動態(tài)特性進行分析評價,在保持原始幾何形狀不變的前提下,提出最簡約的車架模態(tài)修改; j方式,以

2、避免車架對振動激勵的放大響應或共振現(xiàn)象發(fā)生。 i j.v v關(guān)鍵詞:叉車車架;有跟元;模態(tài)分析;激勵頻率叉車雖然運行車速很低,但由于是剛性懸掛, 行駛中的振動非常明顯。而車架作為整車的骨架, 除支撐整車的荷載外,還應有效隔離車輛發(fā)動機、 傳動裝置以及道路路面的激勵引發(fā)的整車振動響 應,因為這些振源的激勵頻率如果接近車架的固有 頻率,便會產(chǎn)生劇烈的振動和噪聲,甚至引起共振, 造成結(jié)構(gòu)損壞。為減小叉車的振動,提高其行駛安 全性、舒適性和平順性,有必要對車架結(jié)構(gòu)固有頻 率進行分析,通過結(jié)構(gòu)的合理設計.以避開各種激 振源的激勵頻率.最大限度地減少車架對振動激勵 的放大響應。根據(jù)機械振動理論,結(jié)構(gòu)的低階

3、彈性 振動模態(tài)可以反映車架的剛度特性,是評價車輛常 規(guī)振動的關(guān)鍵指標【I'叼,也是進一步進行結(jié)構(gòu)動力學 分析的基礎。通常模態(tài)可以由試驗求解,也可用解 析計算方法求得。應用有限元分析算法是最廣泛的 結(jié)構(gòu)模態(tài)解決方式。本文以某型3t叉車為例,對車 架進行有限元模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)改進。1叉車車架有限元模型的建立叉車車架是由鋼板拼焊而成的板殼類復雜結(jié) 構(gòu)體。建立有限元模型,可以直接進入ANSYS有限 元系統(tǒng)作圖,也可先由SolidWorks或Pro/E等三維 CAD軟件建立結(jié)構(gòu)實體,然后轉(zhuǎn)化為x_t格式文件 或讒格式文件輸入到ANSYS系統(tǒng)生成,這種建模 方式由于能借助已有的CAD圖,因此更為簡潔

4、,本 文就是按照后一種方法創(chuàng)建的實體圖建立的有限 元模型。但不管哪種方式,建立有限元模型都需要 對車架進行適當簡化【l-q,除忽略局部的棱角、筋板、 小螺孔而外,對車架還做了以下處理:(1把由焊接形成的組合板零件構(gòu)造成為一整 體零件,認為整個車架材料均勻連續(xù)分布,不考慮 焊縫影響。(2車架上面貼面的法蘭連接之間的螺栓為受 拉螺栓連接,兩面密實接觸,可視為一整體構(gòu)件,厚 度為兩個零件厚度之和。以上簡化.特別是焊縫的簡化,是在焊接質(zhì)量達 到焊接機械性能要求條件下的假設。對于結(jié)構(gòu)模態(tài) 分析,模態(tài)頻率取決于質(zhì)量大小和剛度參數(shù),而車 架焊接的貼角焊縫增加的質(zhì)量較小,焊接強度保障 后,結(jié)構(gòu)剛度與整體構(gòu)件剛

5、度接近一致。在許可的 工程誤差下,簡化處理能有效減小計算量。依據(jù)車架結(jié)構(gòu)的幾何形狀,選用SOLID92和 SHELL63為計算單元,網(wǎng)格劃分采用自由方式,兼 顧分析精度和計算規(guī)模,考慮單元的疏密合理分 布。最終的有限元網(wǎng)格模型如圖1所示。圈I 叉車車槳有限元網(wǎng)格模型2求解與模態(tài)擴展第43卷2012年3月和應力相對較大.這對與車架相連的駕駛操控裝置 及叉車護頂架都有較大的影響。進行篡默囂羆淼茹鋈霧篡s分析與改進進行模態(tài)計算,提取車架的有限低階模態(tài)并進行模態(tài) ?！啊睌U展。其中前5階模態(tài)頻率的計算結(jié)果如表l所示。表1某型3t叉車車架模態(tài)頻率計算結(jié)果l階次頻率/Hz振型描述136782繞縱向x軸扭轉(zhuǎn)2

6、49622邊梁(油箱繞x軸擺動彎曲 38672l 繞垂直y軸水平彎曲 4108800邊梁繞y軸彎曲5140.900繞X軸彎曲,護頂架支點處大圖2、圖3和圖4為模態(tài)頻率在100Hz以內(nèi)的 前3階模態(tài)位移及等效應力云圖,由圖可見,車架 的前部及連接左右箱型邊梁的底部鋼板處的位移 和應力相對較大,這對與車架相連的駕駛操控裝置 及叉車護頂架都有較大的影響。圖2、圖3和圖4為模態(tài)頻率在100I-Iz以內(nèi)的 前3階模態(tài)位移及等效應力云圖,由圖可見,車架 的前部及連接左右箱型邊梁的底部鋼板處的位移【=:= 一一一一岡r 3.1叉車車架動特性評價同所有的車輛一樣,引起叉車振動的動力源可 概括為兩類:一是叉車行

7、駛時路面不平度對車輪作 用的隨機激振,直接通過驅(qū)動橋傳遞到車架上;二 是發(fā)動機運轉(zhuǎn)時,工作沖程燃燒爆發(fā)壓力和活塞往復噴性力引起的簡諧激振。由于叉車車架下部與前橋(驅(qū)動橋由剖分軸瓦或法蘭螺栓連接,與后橋 (轉(zhuǎn)向橋中心銷軸鉸接,其上部承載的質(zhì)量主要有 發(fā)動機、平衡重、護頂架、駕駛座和操控儀表等,可 見車架與動力裝置、路面激振的關(guān)聯(lián)耦合度是影響 叉車整機振動的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)振動學分析理論,文獻1】和文獻2針對摩 托車和客車提出的車架振動模態(tài)評價原則具有普 遍性,也適用于叉車車架:(1車架的低階模態(tài)頻 率(1階彎曲頻率和扭轉(zhuǎn)應避開發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)頻 率和由車輪傳來的路面不平度激勵的頻率范圍,以a模態(tài)位移

8、圖2車架l階模態(tài)位移及等效應力云圖N一一黑曩烹_:喜醅我素焉_I黑=*=a1模態(tài)位移 (b等效應力云圖圖3車架2階模態(tài)位移及等效應力云圖第43卷2012年3月 工程機械 D蝴and Q|Jb岫珊m N目|Et。一I.II!_0。-r#1一j-杖I r+J二、圖4車架3階模態(tài)位移殛等效應力云圖避免發(fā)生共振現(xiàn)象。(2車架的模態(tài)頻率應該避開 率為4067Hz;路面激勵頻率按差等路面計算最 發(fā)動機在常用轉(zhuǎn)速下工作時所產(chǎn)生的慣性載荷的 大為17Hz。對比有限元分析結(jié)果,該車架的最低階 頻率范圍。(3車架的模態(tài)振型應該光滑.避免發(fā) 模態(tài)固有頻率能較好地避開路面和發(fā)動機怠速運 生突變。根據(jù)這些原則,首先分析

9、叉車發(fā)動機及行 轉(zhuǎn)時的激勵,只是車架的前兩階模態(tài)頻率處于或接 駛路面的工作激勵頻率,以便對叉車車架結(jié)構(gòu)的動 近叉車的工作車速對應的頻率范圍。這種重疊對于 態(tài)性能進行有針對性的分析和評價。 高速車輛一般是較難避免的,而對于叉車等低速車 3.2發(fā)動機激勵頻率 型適當加強車架剛度就可以避開。發(fā)動機工作時的激振力主要是氣缸活塞往復 3.5改進措施運動產(chǎn)生的周期性慣性力和氣缸燃燒沖程爆發(fā)壓 使叉車車架的低階模態(tài)固有頻率避開發(fā)動機 力引起的脈動轉(zhuǎn)矩,它們對應的運轉(zhuǎn)頻率是引發(fā)車 的激勵區(qū)域,基本的方法是提高結(jié)構(gòu)剛度。然而盲 體振動響應的直接原因¨_,其頻率由下式確定:目地提高結(jié)構(gòu)剛度必然得不償失,

10、最好是進行幾何,=n/30(1 拓撲優(yōu)化,或從模態(tài)的振型圖直觀分析需要加強的 式中:n發(fā)動機轉(zhuǎn)速,r/min。 部位,而且,當激勵頻率與車身固有頻率不重合時, 根據(jù)發(fā)動機的工作轉(zhuǎn)速從最低到最高,可以確 應盡量使結(jié)構(gòu)的主要承載部位不出現(xiàn)振型突變點。 定其激勵頻率為:(n.d30一(n一30。 由于車架是整車的骨架,要支撐車輛的各部分 3.3路面激勵頻率 裝置,其拓撲形狀不能隨便改動,否則影響整車的 車輛在行駛中來自路面的激勵不僅與路面的質(zhì) 設計。因此,可以針對原車架有限元振型圖找出位 量有關(guān),更主要的是車速變化的影響,相同路況下車 移較大的薄弱環(huán)節(jié)進行修改,從圖24可以看出, 速越高激勵頻率也就

11、越大,可用下式進行計算II 不管是1階繞縱向x軸的扭轉(zhuǎn),還是2階繞x軸的 向,(3.6×A (2 彎曲,均表明連接車架左右邊梁的前后鋼板偏弱, 式中:”為車速,km/h;A為路面的不平度波長,m。一 另外.連接左右箱型邊梁的前后梁板的振I晤也比較 般平坦公路A的取值為16.3m,差等道路如碎石 大,為簡單起見,按這兩個方向,從改變板厚著手。 路面最小取0.32m。 改變后計算得車架的前5階頻率如表2所示。 3.4叉車的激勵分析 表2原車架修改計算結(jié)果 Hz表2的結(jié)果說明,修改邊梁板厚度并不理想:邊梁油箱的板厚增大后自重增大較多,更重要的 是,前兩階模態(tài)頻率依然小于叉車常用車速的運轉(zhuǎn)

12、頻率67Hz。再從另一方向著手,邊梁及其他板厚保 持不變,只對連接左右邊梁的前后兩塊底板增厚6 1311fll,計算出的車架1階、2階對應的模態(tài)頻率分別,-。4結(jié)論 ,o-i_1_F1i_第43卷2012年3月u圖5修改后車槳1階模態(tài)位移及等效應力云圖aJ I鎮(zhèn)Sf r侈 .昔孜i.i JJ二.剽圖6修改后車架2階模態(tài)位移殛等效應力云圖車架模態(tài)分析計算結(jié)果表明:(1因車速低,叉車行駛路面引起的激勵頻率 也較低,一般不會與剛性較大的叉車車架發(fā)生共振。 (2叉車發(fā)動機怠速時的慣性激勵和脈沖頻率 遠遠低于車架的l階固有頻率,不會導致振動的放大。 (3對叉車車架模態(tài)頻率影響敏感的修改位 置是連接左右邊

13、梁的底板,只要適當調(diào)整板厚,就 可以使其最低模態(tài)頻率處于發(fā)動機常用轉(zhuǎn)速時的 工作激勵頻率范圍以外,以避免車架對激勵振動的 放大響應或發(fā)生共振。50一參考文獻【1張先剛,朱平,韓旭摩托車車架的動態(tài)特性分析及減振 優(yōu)化研究中國機械工程,2005(12:l 1141117【2沈浩,陳昌明,雷雨成,等.客車車身模態(tài)分析及評價叩 公路交通科技.2003(2:128131【33劉素紅,李芳.一種客車車架結(jié)構(gòu)的有限元分析田機電 工程,2010(4:2023.14龐劍,諶剛,何華汽車噪聲與振動理論與應用【M北京:北京科技大學出版社.2006【5張志飛,徐中明,賀巖松摩托車車架掛發(fā)動機結(jié)構(gòu)動態(tài) 特性分析【J兵工學報,2010(5:547551【6李甲.某3