前排料攪拌車車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析_圖文

1、青島大學(xué)碩士學(xué)位論文前排料攪拌車車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析姓名:孫海霞申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專業(yè):車輛工程指導(dǎo)教師:劉大維20070601 青島大學(xué)碩士學(xué)位論文對(duì)目前摩托車車架的動(dòng)態(tài)特性的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展進(jìn)行了比較全面的總結(jié),并展望了摩托車車架動(dòng)態(tài)特性研究的前景【191。對(duì)于車架設(shè)計(jì),要求在滿足強(qiáng)度和剛度的條件下盡可能減輕車架質(zhì)量。但是影響車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的因素很多,諸如縱粱及橫梁的布置,各梁所采用的截面形狀和尺寸,縱、橫梁聯(lián)接的型式等等,由于結(jié)構(gòu)和載荷都比較復(fù)雜,做一次全面的分析是困難的。通過(guò)對(duì)汽車車架性能特點(diǎn)的分析,提出邊梁式車架結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,采用復(fù)合形法、混合罰函數(shù)法尋求各梁截面參數(shù)的

2、最佳值,達(dá)到合理利用材料、減輕車架自重的目的.從早期通過(guò)實(shí)驗(yàn)所得出的一些結(jié)論可以看出,若加大橫梁的扭轉(zhuǎn)剛度,可以提高整個(gè)車架的扭轉(zhuǎn)剛度,但與該橫梁連接處的縱梁的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力會(huì)加大;如果不加大橫梁,而是在兩根橫梁間再增加橫梁,其結(jié)果是增強(qiáng)了車架的扭轉(zhuǎn)剛度,同時(shí)還降低了與橫梁連接處的縱梁扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。據(jù)此,國(guó)外所采用的輕而密的橫梁,顯然對(duì)車架的應(yīng)力狀態(tài)十分有利.有限元計(jì)算也表明了這一結(jié)論的正確性。在對(duì)車架進(jìn)行強(qiáng)度分析過(guò)程中,車架與橫梁之間的連接對(duì)其分析結(jié)果有很大的影響。采用較柔軟的接頭降低了對(duì)強(qiáng)度起決定作用的扇形正應(yīng)力,但同時(shí)也降低了扭轉(zhuǎn)剛度。當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度一定時(shí),提高接頭柔度和增加橫梁數(shù)目有利于改善強(qiáng)度,但

3、使車架質(zhì)量增加。車架質(zhì)量一定時(shí),使用數(shù)目較少的、截面尺寸較大的橫梁對(duì)強(qiáng)度有利。當(dāng)然,車架優(yōu)化還要考慮接頭區(qū)域的應(yīng)力分布,觀察車架的橫向彎曲. .近代結(jié)構(gòu)優(yōu)化是從20世紀(jì)50年代末60年代初伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、有限元方法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的-f-j學(xué)科,它使計(jì)算力學(xué)的任務(wù)從被動(dòng)的校核上升為主動(dòng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化,成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)的重要手段。人們將結(jié)構(gòu)優(yōu)化劃分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化三個(gè)層次.拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)是20世紀(jì)80年代末出現(xiàn)的一項(xiàng)新興的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法【201。拓?fù)鋬?yōu)化是在一定空間區(qū)域C8"架結(jié)構(gòu)或連續(xù)體內(nèi)尋求材料最合理分布的一種優(yōu)化方法,它是個(gè)迭代的過(guò)程,從預(yù)先定義的某種材料分

4、布開(kāi)始(如均勻分布,每一次迭代包含有限元分析,靈敏度計(jì)算和修改材料分布三個(gè)子步驟,在多次迭代后(通常20次以下,材料分布趨于穩(wěn)定,優(yōu)化即結(jié)束。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在航空航天、機(jī)械、船舶、微電子和新型材料設(shè)計(jì)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用【2¨.國(guó)外汽車企業(yè)的相關(guān)研究從90年代初開(kāi)始圓,它可以在方案設(shè)計(jì)階段給出汽車零部件原型合理的材料布局,減輕結(jié)構(gòu)重量。通過(guò)這項(xiàng)技術(shù),企業(yè)能縮短設(shè)計(jì)周期,提高產(chǎn)品性能,減少昂貴的樣件生產(chǎn)和整車測(cè)試的次數(shù)。發(fā)達(dá)國(guó)家的政府機(jī)構(gòu)和大公司,包括歐洲委員會(huì)、瑞典政府、德國(guó)政府、通用汽車公司等,都大力支持大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展相關(guān)研究。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在諸如福特、奧迪、寶馬、沃爾沃、豐田、

5、尼桑和平尼法尼那等公司的實(shí)際車型上均得以使用。例如奧迪A8車型在車身 青島大學(xué)碩士學(xué)位論文1.3有限元分析技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用在汽車結(jié)構(gòu)分析中,有限元法由于能解決結(jié)構(gòu)形狀和邊界條件都任意的力學(xué)問(wèn)題而被廣泛應(yīng)用。各種汽車結(jié)構(gòu)件都可應(yīng)用有限元法進(jìn)行靜態(tài)分析,模態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析.現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)已從早期的靜態(tài)分析為主轉(zhuǎn)化為以模態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析為主,因?yàn)閷?shí)際汽車強(qiáng)度更加依賴于汽車振動(dòng)及隨機(jī)載荷響應(yīng)。只有通過(guò)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析,才能進(jìn)一步提高汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)水平,汽車結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段【3“.汽車結(jié)構(gòu)有限元分析的應(yīng)用主要體現(xiàn)在:(1汽車設(shè)計(jì)中對(duì)所有結(jié)構(gòu)件、主要零部件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性分析。當(dāng)結(jié)

6、構(gòu)件在工作中發(fā)生故障如裂紋、斷裂、磨損過(guò)大等時(shí),可應(yīng)用有限單元法進(jìn)行計(jì)算,找出危險(xiǎn)區(qū)域和部位,研究結(jié)構(gòu)損壞的原因,提出改進(jìn)設(shè)計(jì)的方案,并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算分析,直到找到合理的方案為止;(2汽車結(jié)構(gòu)件或零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì).如以汽車質(zhì)量或體積為目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)設(shè)計(jì),還有對(duì)比分析中的參數(shù)化設(shè)計(jì)和形狀優(yōu)化;(3對(duì)汽車結(jié)構(gòu)件進(jìn)行模態(tài)分析、瞬態(tài)分析和響應(yīng)譜分析,為結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供方便有效的工具;(4汽車零部件及整車的疲勞分析。在概念或詳細(xì)設(shè)計(jì)階段估計(jì)產(chǎn)品的壽命或分析部件損壞的原因;(5應(yīng)用概率有限元,為汽車零部件提供概率和可靠性設(shè)計(jì)依據(jù);一(6車身內(nèi)的聲學(xué)設(shè)計(jì).將車身結(jié)構(gòu)模態(tài)與車身內(nèi)聲模態(tài)耦合,評(píng)價(jià)乘員感受的噪

7、聲并進(jìn)行噪聲控制;(7車身空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算,解決高速行駛中的升力、阻力和湍流等問(wèn)題,為汽車性能和造型設(shè)計(jì)服務(wù);(8汽車碰撞歷程仿真和乘員安全保護(hù)分析,提高汽車結(jié)構(gòu)的被動(dòng)安全性。1.4本文的主要研究?jī)?nèi)容本文主要針對(duì)國(guó)內(nèi)某公司開(kāi)發(fā)的前排料攪拌車車架,通過(guò)采用大型結(jié)構(gòu)通用有限元軟件對(duì)該車架進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)強(qiáng)度研究及相關(guān)試驗(yàn)研究,為車架的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供依據(jù)和指導(dǎo)。主要研究?jī)?nèi)容如下:(1在分析前排料攪拌車車架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,主要采用板殼單元對(duì)車架進(jìn)行離散。建立前排料攪拌車車架有限元分析模型并討論多軸平衡懸架的建模研究,探索能夠正確反映多軸平衡懸架力學(xué)特性和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的建模方法;(2根據(jù)前排料攪拌車的承載特點(diǎn)和行

8、駛工況,對(duì)該車架進(jìn)行滿載彎曲工況、滿載扭轉(zhuǎn)工況、滿載爬坡工況、滿載制動(dòng)工況和滿載轉(zhuǎn)彎工況下的靜態(tài)應(yīng)力分析,分析車架的承載能力,包括應(yīng)力分布、應(yīng)力水平和變形情況;6一 青島大學(xué)碩士學(xué)位論文2.4有限單元法的程序?qū)崿F(xiàn)從使用有限元程序的角度來(lái)講,有限元分析可分為前處理、計(jì)算和后處理三大步:前處理是對(duì)計(jì)算對(duì)象網(wǎng)格劃分,形成計(jì)算模型的過(guò)程.包括單元類型的選擇,結(jié)構(gòu)的材料特征參數(shù)的確定,實(shí)體建模,節(jié)點(diǎn)和單元網(wǎng)格的確定,邊界條件或約束條件及載荷的移置等。許多商用有限元軟件不僅提供了與主流CAD系統(tǒng)的接口,自己本身也有很好的實(shí)體建模功能;有限元軟件都提供了一種以上的網(wǎng)格劃分方法,以供使用者根據(jù)計(jì)算要求進(jìn)行選擇

9、。計(jì)算是在形成總剛度方程和約束處理后求解大型聯(lián)立方程組、最終得到節(jié)點(diǎn)位移的過(guò)程。由于商用軟件已經(jīng)針對(duì)多種模型進(jìn)行過(guò)驗(yàn)證運(yùn)算,因此只需要按照提示輸入各種條件,包括收斂的方法等,計(jì)算機(jī)就可以計(jì)算,得到計(jì)算結(jié)果。后處理是對(duì)計(jì)算結(jié)果(應(yīng)力、應(yīng)變或振型等的整理,形成等應(yīng)力線、變形圖、振型圖等,以及結(jié)果的輸出。有限元法經(jīng)過(guò)近50年的發(fā)展,不僅理論日趨完善,而且已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一批通用和專用的有限元軟件,這就為有限元法的普及提供了基礎(chǔ),使它成為結(jié)構(gòu)分析中最為成功和最為廣泛的分析方法。目前使用這些軟件已經(jīng)成功地解決了眾多領(lǐng)域的大型科學(xué)和工程計(jì)算問(wèn)題,取得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。目前應(yīng)用較多的有限元通用軟件主要有美

10、國(guó)MSC公司的Nastran、Marc、Dytraa,美國(guó)ANSYS公司的ANSYS, 有限元軟件從功能上可以劃分為求解器軟件和前后處理軟件。由于有限元技術(shù)的特點(diǎn),使得有限元的前后處理軟件成為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立而又十分重要的部分。目前,在國(guó)際上被認(rèn)可的前后處理軟件包括Altair公司的HyperMesh、MSC公司的Patran、EDS公司的FEMAP、SamTech公司的Samcef/Field、CAE.Beta公司的ANSA、CFDRC 第三章前排料攪拌車車架有限元模型的建立第三章前排料攪拌車車架有限元模型的建立3.1引言汽車車架結(jié)構(gòu)的有限元模型可以采用梁?jiǎn)卧鍤卧?。梁?jiǎn)卧Ｐ蛯⒔Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

11、為一組兩節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧M成的結(jié)構(gòu),以梁?jiǎn)卧慕孛嫣匦苑从耻嚰艿慕Y(jié)構(gòu)特性,這種模型的優(yōu)點(diǎn)是單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)目少,前處理工作量少,計(jì)算量較小,計(jì)算速度快,但是計(jì)算精度較低,且難以反映車架縱梁與橫梁的連接情況。從計(jì)算經(jīng)濟(jì)性方面看,也很少使用實(shí)體單元來(lái)建立車架模型。目前更多是將車架以中面(Mid-sm'face形式抽取出來(lái),以板殼單元離散。本章將基于板殼單元,聯(lián)合應(yīng)用Pro/E、HyperMesh與Pattan多個(gè)軟件完成車架結(jié)構(gòu)幾何模型與有限元模型的建模工作。3.2前排料攪拌車車架的結(jié)構(gòu)圖3.1為某公司開(kāi)發(fā)的前排料攪拌車。該車采用8x4結(jié)構(gòu)型式,雙前橋轉(zhuǎn)向,雙后橋。主要總成包括:發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng),車架及前

12、,后臺(tái),前橋裝置,后橋及懸掛,攪拌筒,進(jìn)出料系統(tǒng),液壓系統(tǒng),制動(dòng)系統(tǒng),操縱系統(tǒng)等。 圖3.1前捧料攪拌車 Ilg3.s前鞠擗輯艇靴嗍/多。7黿k、;青島大學(xué)碩士學(xué)位論文 圈3.5前捧科攪拌車車架有限元網(wǎng)格3.4平衡懸架機(jī)構(gòu)建模為了得到車架在實(shí)際使用過(guò)程中的真實(shí)應(yīng)力分布狀況,必須考慮懸掛系統(tǒng)的變形情況。懸架模型應(yīng)能正確反映懸架機(jī)構(gòu)的力學(xué)特性,以使車架模型的受力情況盡可能的接近實(shí)際.懸架的建模按照以下方法進(jìn)行.(1對(duì)于鋼板彈簧,用柔性梁?jiǎn)卧M,并保證模擬它的梁?jiǎn)卧哂信c實(shí)際鋼板彈簧一樣的力學(xué)特征,即一樣的彎曲剛度。鋼板彈簧可以看作是一根簡(jiǎn)支梁144,根據(jù)材料力學(xué),簡(jiǎn)支梁中點(diǎn)受集中載荷時(shí)的彎曲剛度

13、為K-48.?EI3-(IZ式中,E為材料的彈性模量;,為截面慣性矩;,為梁的長(zhǎng)度。為簡(jiǎn)化模型,本文設(shè)定模擬鋼板彈簧的梁的截面為正方形,邊長(zhǎng)為盯,則,=西a43-(2由公式3-(I和3.C2,以及由鋼板彈簧剛度值和長(zhǎng)度值,就可以確定模擬鋼板彈簧的梁?jiǎn)卧膶?shí)常數(shù)a。(2懸架機(jī)構(gòu)與車架之間的作用力通過(guò)支座傳遞,以往通常采用梁?jiǎn)卧ёＲ钥s小計(jì)算規(guī)模,本文采用實(shí)體單元,避免梁?jiǎn)卧c車架殼單元連接造成與實(shí)際不符的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。第三章前捧料攪拌車車架有限元模型的建立(3車橋及推力桿用柔性粱單元模擬,各部件之間通過(guò)剛性單元RB2連接.本文中梁?jiǎn)卧皠傂詥卧猂B2均是在有限元前后處理軟件Patran中

14、建立的。整個(gè)平衡懸架機(jī)構(gòu)的有限元模型由27836個(gè)單元,9738個(gè)節(jié)點(diǎn)組成,如圖3.6所示. 圖3.6平衡懸架機(jī)構(gòu)的有限元模型3.5邊界條件的確定邊界條件對(duì)于計(jì)算結(jié)果有很大影響,選定正確的邊界條件是非常重要的。在前排料攪拌車中,車架是通過(guò)懸架系統(tǒng)與車橋連接在一起。為了前排料攪拌車車架在實(shí)際使用過(guò)程中的真實(shí)應(yīng)力分布狀況,必須考慮懸掛系統(tǒng)的變形情況。在確定車架有限元分析模型的邊界條件時(shí),因?yàn)檩喬ヅc鋼板彈簧相比剛度很大,所以可忽略它對(duì)結(jié)構(gòu)分析的影響145刪。為了模擬鋼板彈簧與車架之間的裝配關(guān)系,使之能夠相互作用,形成一個(gè)整體,梁?jiǎn)卧c車架的連接全部用多點(diǎn)約束來(lái)模擬。前橋的作用力通過(guò)前鋼板彈簧傳遞到車

15、架上,故前橋邊界約束點(diǎn)確定在前鋼板彈簧中心處。后橋邊界約束點(diǎn)直接確定在后橋兩側(cè)梁?jiǎn)卧墓?jié)點(diǎn)處。青島大學(xué)碩士學(xué)位論文約束后整個(gè)車架的有限元模型如圖3.7所示. 3.6本章小結(jié)圈3.7約束后整個(gè)車架的有限元模型(1介紹了前排料攪拌車車架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立了車架的幾何模型。 (2建立了前捧料攪拌車的車架及懸架機(jī)構(gòu)有限元模型,討論了前捧料攪拌車車架有限元分析模型建立的過(guò)程,包括單元的選取、網(wǎng)格的劃分、網(wǎng)格的檢查、裝配關(guān)系的正確模擬和平衡懸架機(jī)構(gòu)建模過(guò)程。為前排料攪拌車車架有限元強(qiáng)度分析和有限元模態(tài)分析做準(zhǔn)備。 青島大學(xué)碩士學(xué)位論文 4.4計(jì)算工況的確定圖4.1車架載荷示意圖前排料攪拌車車架所處工況比較復(fù)

16、雜,根據(jù)車架實(shí)際使用情況,確定了5種計(jì)算工況。 (1車輛滿載彎曲.此工況可以用來(lái)計(jì)算車輛滿載行駛時(shí)車架的應(yīng)力分布情況,動(dòng)載系數(shù)取為1.5。 (2車輛滿載扭轉(zhuǎn)。計(jì)算時(shí),假設(shè)前橋一個(gè)車輪駛上120ram凸臺(tái),或后橋一個(gè)車輪駛上120ram凸臺(tái),其余車輪處于同一水平路面上。(3車輛滿載爬坡。用來(lái)模擬車輛滿載通過(guò)一段坡度為300的道路,動(dòng)載系數(shù)取1.5。(4車輛滿載制動(dòng)。用來(lái)模擬車輛在滿載情況下制動(dòng)的工況,制動(dòng)加速度假設(shè)為2.(hn/s2,制動(dòng)動(dòng)載系數(shù)取1.5。(5車輛滿載轉(zhuǎn)彎。用來(lái)模擬車輛在滿載情況下轉(zhuǎn)彎的工況,轉(zhuǎn)彎條件假設(shè)為橫向加速度2.0m￥2,動(dòng)載系數(shù)取1.5。4.5車架靜態(tài)強(qiáng)度有限元計(jì)算結(jié)果

17、及分析圖4.2所示為車架滿載彎曲工況下的應(yīng)力分布圖。由圖4.3可知,滿載彎曲工況下,最大應(yīng)力發(fā)生在平衡懸架支座與大梁連接處,應(yīng)力數(shù)值為308MPa。第四章前排料攪拌車車架有限元靜態(tài)強(qiáng)度分析 圖4.2車架彎曲工況下的應(yīng)力分布圖 圖4.3車架彎曲工況下最大應(yīng)力位置圖一25青島大學(xué)碩士學(xué)位論文圖4.4所示為車架扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力分布圖。由圖4.4可知,車架有兩個(gè)較大應(yīng)力位置:一個(gè)在平衡懸架支座與大粱連接處,應(yīng)力數(shù)值為342MPa;另一個(gè)位置位于前橋鋼板彈簧支座與大梁連接處,應(yīng)力數(shù)值為226MPa。 圖4.4車架扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力分布圖圖4.5所示為車架爬坡工況下的應(yīng)力分布圖。由圖4.5可知,在爬坡工況下

18、,除車架大梁與平衡懸架支座連接位置應(yīng)力較大外,后臺(tái)下端與副車架大梁連接處應(yīng)力也明顯較前兩個(gè)工況大,達(dá)到237MPa。這是因?yàn)樵谂榔聲r(shí)車架除承受水平載荷之外,還要承受車重力沿坡面分力作用。圖4.6所示為車架爬坡工況下的位移圖,由圖4.6可知,在爬坡工況下,車架后部位移比較大,這主要是由于爬坡時(shí)載荷后移而產(chǎn)生的。第四章前排科攪拌車車架有限元靜態(tài)強(qiáng)度分析 圖毛5車架爬坡工況下應(yīng)力分布圖 圖4.6車架爬坡工況下位移圖一27青島大學(xué)碩士學(xué)位論文圖4.7所示為車架制動(dòng)工況下的應(yīng)力分布圖。由圖4.7可知,在制動(dòng)工況下,其較大應(yīng)力出現(xiàn)的位置與滿載彎曲工況基本一致,仍然在平衡懸架與車架連接處的縱梁上,其最大應(yīng)力數(shù)值為452MPa。 圖4.