叉車車架有限元模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)_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(jìn)衛(wèi)良保1,曾龍修2(1.太原科技大學(xué);2.柳工集團(tuán)叉車研究所p“”?！啊薄啊薄??！薄啊薄啊?、4“4“”?！啊薄啊?。”“”“、”“”“”“”“”?！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(dòng)態(tài)特性直接關(guān)系到整車的振動(dòng)性; j能。為改進(jìn)和有效提高叉車的安全可靠性、駕駛平順性和舒適性,應(yīng)用ANSYS有限元方法對(duì)某型3÷t叉車車架進(jìn)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(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率的計(jì)算結(jié)果,對(duì)i ;車架結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析評(píng)價(jià),在保持原始幾何形狀不變的前提下,提出最簡(jiǎn)約的車架模態(tài)修改; j方式,以

2、避免車架對(duì)振動(dòng)激勵(lì)的放大響應(yīng)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(lì)頻率叉車雖然運(yùn)行車速很低,但由于是剛性懸掛, 行駛中的振動(dòng)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(yīng)有效隔離車輛發(fā)動(dòng)機(jī)、 傳動(dòng)裝置以及道路路面的激勵(lì)引發(fā)的整車振動(dòng)響 應(yīng),因?yàn)檫@些振源的激勵(lì)頻率如果接近車架的固有 頻率,便會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)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(dòng),提高其行駛安 全性、舒適性和平順性,有必要對(duì)車架結(jié)構(gòu)固有頻 率進(jìn)行分析,通過結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì).以避開各種激 振源的激勵(lì)頻率.最大限度地減少車架對(duì)振動(dòng)激勵(lì) 的放大響應(yīng)。根據(jù)機(jī)械振動(dòng)理論,結(jié)構(gòu)的低階

3、彈性 振動(dòng)模態(tài)可以反映車架的剛度特性,是評(píng)價(jià)車輛常 規(guī)振動(dòng)的關(guān)鍵指標(biāo)【I'叼,也是進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué) 分析的基礎(chǔ)。通常模態(tài)可以由試驗(yàn)求解,也可用解 析計(jì)算方法求得。應(yīng)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(duì)車 架進(jìn)行有限元模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)。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(fù)雜結(jié) 構(gòu)體。建立有限元模型,可以直接進(jìn)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(shí)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(jiǎn)潔

4、,本 文就是按照后一種方法創(chuàng)建的實(shí)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(duì)車架進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化【l-q,除忽略局部的棱角、筋板、 小螺孔而外,對(duì)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(rèn)為整個(gè)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(shí)接觸,可視為一整體構(gòu)件,厚 度為兩個(gè)零件厚度之和。以上簡(jiǎn)化.特別是焊縫的簡(jiǎn)化,是在焊接質(zhì)量達(dá) 到焊接機(jī)械性能要求條件下的假設(shè)。對(duì)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(qiáng)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(jiǎn)化處理能有效減小計(jì)算量。依據(jù)車架結(jié)構(gòu)的幾何形狀,選用SOLID92和 SHELL63為計(jì)算單元,網(wǎng)格劃分采用自由方式,兼 顧分析精度和計(jì)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(kuò)展第43卷2012年3月和應(yīng)力相對(duì)較大.這對(duì)與車架相連的駕駛操控裝置 及叉車護(hù)頂架都有較大的影響。進(jìn)行篡默囂羆淼茹鋈霧篡s分析與改進(jìn)進(jìn)行模態(tài)計(jì)算,提取車架的有限低階模態(tài)并進(jìn)行模態(tài) 。“”擴(kuò)展。其中前5階模態(tài)頻率的計(jì)算結(jié)果如表l所示。表1某型3t叉車車架模態(tài)頻率計(jì)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(dòng)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(hù)頂架支點(diǎn)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(yīng)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(yīng)力相對(duì)較大,這對(duì)與車架相連的駕駛操控裝置 及叉車護(hù)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(yīng)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(dòng)特性評(píng)價(jià)同所有的車輛一樣,引起叉車振動(dòng)的動(dòng)力源可 概括為兩類:一是叉車行

7、駛時(shí)路面不平度對(duì)車輪作 用的隨機(jī)激振,直接通過驅(qū)動(dòng)橋傳遞到車架上;二 是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),工作沖程燃燒爆發(fā)壓力和活塞往復(fù)噴性力引起的簡(jiǎn)諧激振。由于叉車車架下部與前橋(驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)、平衡重、護(hù)頂架、駕駛座和操控儀表等,可 見車架與動(dòng)力裝置、路面激振的關(guān)聯(lián)耦合度是影響 叉車整機(jī)振動(dòng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)振動(dòng)學(xué)分析理論,文獻(xiàn)1】和文獻(xiàn)2針對(duì)摩 托車和客車提出的車架振動(dòng)模態(tài)評(píng)價(jià)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(yīng)避開發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)頻 率和由車輪傳來的路面不平度激勵(lì)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(yīng)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(yīng)力云圖圖3車架2階模態(tài)位移及等效應(yīng)力云圖第43卷2012年3月 工程機(jī)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(yīng)力云圖避免發(fā)生共振現(xiàn)象。(2車架的模態(tài)頻率應(yīng)該避開 率為4067Hz;路面激勵(lì)頻率按差等路面計(jì)算最 發(fā)動(dòng)機(jī)在常用轉(zhuǎn)速下工作時(shí)所產(chǎn)生的慣性載荷的 大為17Hz。對(duì)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(yīng)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(dòng)機(jī)怠速運(yùn) 生突變。根據(jù)這些原則,首先分析

9、叉車發(fā)動(dòng)機(jī)及行 轉(zhuǎn)時(shí)的激勵(lì),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(lì)頻率,以便對(duì)叉車車架結(jié)構(gòu)的動(dòng) 近叉車的工作車速對(duì)應(yīng)的頻率范圍。這種重疊對(duì)于 態(tài)性能進(jìn)行有針對(duì)性的分析和評(píng)價(jià)。 高速車輛一般是較難避免的,而對(duì)于叉車等低速車 3.2發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率 型適當(dāng)加強(qiáng)車架剛度就可以避開。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的激振力主要是氣缸活塞往復(fù) 3.5改進(jìn)措施運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī) 力引起的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩,它們對(duì)應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率是引發(fā)車 的激勵(lì)區(qū)域,基本的方法是提高結(jié)構(gòu)剛度。然而盲 體振動(dòng)響應(yīng)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(jìn)行幾何,=n/30(1 拓?fù)鋬?yōu)化,或從模態(tài)的振型圖直觀分析需要加強(qiáng)的 式中:n發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min。 部位,而且,當(dāng)激勵(lì)頻率與車身固有頻率不重合時(shí), 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速?gòu)淖畹偷阶罡?可以確 應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)的主要承載部位不出現(xiàn)振型突變點(diǎn)。 定其激勵(lì)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(lì)頻率 裝置,其拓?fù)湫螤畈荒茈S便改動(dòng),否則影響整車的 車輛在行駛中來自路面的激勵(lì)不僅與路面的質(zhì) 設(shè)計(jì)。因此,可以針對(duì)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(jìn)行修改,從圖24可以看出, 速越高激勵(lì)頻率也就

11、越大,可用下式進(jìn)行計(jì)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(zhǎng),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(jiǎn)單起見,按這兩個(gè)方向,從改變板厚著手。 路面最小取0.32m。 改變后計(jì)算得車架的前5階頻率如表2所示。 3.4叉車的激勵(lì)分析 表2原車架修改計(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)

12、頻率67Hz。再?gòu)牧硪环较蛑?邊梁及其他板厚保 持不變,只對(duì)連接左右邊梁的前后兩塊底板增厚6 1311fll,計(jì)算出的車架1階、2階對(duì)應(yīng)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(yīng)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(yīng)力云圖車架模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果表明:(1因車速低,叉車行駛路面引起的激勵(lì)頻率 也較低,一般不會(huì)與剛性較大的叉車車架發(fā)生共振。 (2叉車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)的慣性激勵(lì)和脈沖頻率 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于車架的l階固有頻率,不會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)的放大。 (3對(duì)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(dāng)調(diào)整板厚,就 可以使其最低模態(tài)頻率處于發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速時(shí)的 工作激勵(lì)頻率范圍以外,以避免車架對(duì)激勵(lì)振動(dòng)的 放大響應(yīng)或發(fā)生共振。50一參考文獻(xiàn)【1張先剛,朱平,韓旭摩托車車架的動(dòng)態(tài)特性分析及減振 優(yōu)化研究中國(guó)機(jī)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(píng)價(jià)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(jī)電 工程,2010(4:2023.14龐劍,諶剛,何華汽車噪聲與振動(dòng)理論與應(yīng)用【M北京:北京科技大學(xué)出版社.2006【5張志飛,徐中明,賀巖松摩托車車架掛發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài) 特性分析【J兵工學(xué)報(bào),2010(5:547551【6李甲.某3