搜索通過有限元分析對牽引車車架進(jìn)行優(yōu)化
2013-06-07 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
運(yùn)用參數(shù)化特征建模技術(shù)建立了牽引車車架改進(jìn)前后的三維幾何模型。以ANSYS 為有限元分析平臺,建立了牽引車車架有限元模型,確定了計(jì)算工況并進(jìn)行了多工況下的有限元靜力學(xué)計(jì)算,在對比分析計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上,提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案并對進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算,結(jié)果表明有限元技術(shù)是牽引車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效工具。
來源:CAD世界網(wǎng)
關(guān)鍵字:ansys 牽引車 分析 優(yōu)化
1.1 有限元模型的建立
早期的車架結(jié)構(gòu)計(jì)算受CAD 技術(shù)和計(jì)算規(guī)模的限制,多采用梁單元手工建立有限元模型,文獻(xiàn)[1]綜述了基于梁桿單元的車架靜態(tài)計(jì)算方法?；诖祟惸Ｐ偷挠邢拊?jì)算具有建模簡便、計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn),模態(tài)計(jì)算結(jié)果同試驗(yàn)結(jié)果比較,具有較好的精度[2],同時(shí)靜態(tài)強(qiáng)度、剛度計(jì)算結(jié)果也為車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)[3]。由于受梁單元本身特點(diǎn)的局限,如無法準(zhǔn)確反映縱橫梁接頭區(qū)域的應(yīng)力分布,且忽略扭轉(zhuǎn)時(shí)截面的翹曲變形,隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展,目前普遍采用板殼單元建立車架有限元模型,例如文獻(xiàn)[4~5]是較早以板單元為基本單元,同時(shí)兼顧規(guī)模大小,采用不同尺寸網(wǎng)格對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散。牽引車車架主要結(jié)構(gòu)由Q235A 鋼板焊接而成,本文在ProeTM 實(shí)體參數(shù)化模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)中面位置提取中面模型,在ANSYS 中采用板殼單元shell63 對主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,一些起聯(lián)接作用的槽鋼結(jié)構(gòu),采用了相同截面的梁單元beam188 進(jìn)行模擬,前橋按照等剛度原則,采用梁單元連接鋼板彈簧支撐中節(jié)點(diǎn),車架的板殼梁混合網(wǎng)格模型如圖1 所示。
圖1 車架結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型
懸架系統(tǒng)將車架與車橋、輪胎等連接,其模擬方式是車架有限元模型建立的關(guān)鍵之一。最常見的建模方法如圖2(a)所示,其中鋼板彈簧由一個(gè)剛性單元聯(lián)接的兩根垂直彈簧組成,文獻(xiàn)[6]采用此模型,對不同工況下的約束處理方法進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[7]針對副簧非線性特性,提出三種建模方法,并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比分析,從計(jì)算精度和效率兩方面綜合考慮提出了板簧建模方法。文獻(xiàn)[8]研究了不同支撐方式對計(jì)算結(jié)果的影響,并指出力學(xué)等效模擬在車架計(jì)算中的必要性。文獻(xiàn)[9]采用結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法提出了串聯(lián)多軸油氣彈簧懸架車輛車架分析方法。牽引車車架懸架建模方法如圖2(b)所示,將鋼板彈簧等效一根水平放置的矩形截面梁[10],等效梁截面高H 通過下式計(jì)算求得:
其中K 為鋼板彈簧垂直剛度,B 為簧片截面寬度,E 為材料彈性模量;L 為鋼板彈簧兩吊耳間的水平距離。采用上述方法模擬鋼板彈簧,無論從幾何外形和力學(xué)剛度等效上均較為真實(shí)地反映了懸掛對車架結(jié)構(gòu)的影響,將懸架梁單元節(jié)點(diǎn)與車架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自由度耦合,模擬了懸掛與車架聯(lián)接的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系。
圖2 不同懸掛處理方式示意圖
1.2 計(jì)算工況及邊界條件確定
該牽引車主要用于牽引飛機(jī),車輛在機(jī)場以低速前進(jìn),路面狀況良好,宜采用有限元靜力學(xué)分析以考察其在最大載荷作用下的變形與應(yīng)力狀況。根據(jù)工作環(huán)境特點(diǎn),計(jì)算包括直線牽引、45 度牽引、直線頂推和45 度頂推4 個(gè)工況。車架承載重量和牽引、頂推載荷以集中力形式施加在網(wǎng)格模型相應(yīng)位置的節(jié)點(diǎn)上,以形成不同工況下的載荷集。將前懸等效梁后端節(jié)點(diǎn)與車架上相應(yīng)安裝位置節(jié)點(diǎn)、前端節(jié)點(diǎn)與吊耳下端節(jié)點(diǎn)以及吊耳上端節(jié)點(diǎn)與車架上相應(yīng)安裝位置節(jié)點(diǎn)皆進(jìn)行自由度耦合,僅釋放繞橫梁方向的旋轉(zhuǎn)自由度;該車后橋與車架之間采用的是剛性連接的方式。在本模型中,后橋及支撐部分采用剛度很大的等效梁進(jìn)行模擬,與車架上與之相連的區(qū)域——后橋連接區(qū)進(jìn)行了剛化處理。由于輪胎剛度較大,故而忽略輪胎剛度對車架結(jié)構(gòu)的影響,約束懸架與輪胎連接處節(jié)點(diǎn)以消除整個(gè)模型的剛體位移。
1.3 計(jì)算結(jié)果及分析
直線牽引工況下的車架等效應(yīng)力分布與變形結(jié)果如圖3 所示。
由計(jì)算結(jié)果可知,車架后部所開∩形孔由于靠近支撐車架的后橋連接區(qū),所受內(nèi)力較大,該處結(jié)構(gòu)又被∩形孔削弱了,因此最大應(yīng)力發(fā)生在該∩形孔前端的圓角部位,最大位移發(fā)生在車架前端,主要是由于前端剛度較小,作用的垂直載荷較大,因而引起了較大的垂直位移。四個(gè)工況下的車架最大變形和最大等效應(yīng)力結(jié)果如表1 所示:
表1 不同工況下的車架最大變形與最大等效應(yīng)力值
由表1 結(jié)果可得,45 度頂推工況下車架的最大等效應(yīng)力值較其它工況高,其原因在于45 度頂推產(chǎn)生的水平彎矩與垂直彎矩疊加,綜合兩方向作用力大小與危險(xiǎn)點(diǎn)距離,使得該工況為最危險(xiǎn)工況,而頂推力的作用點(diǎn)低于車橋支撐點(diǎn)也使得車架前部的垂直位移值較牽引工況有較大增長。
2 牽引車車架改進(jìn)設(shè)計(jì)
為保證該牽引車具有足夠的地面附著力,車架的結(jié)構(gòu)改進(jìn)以提高其剛強(qiáng)度性能為目標(biāo),輕量化目標(biāo)處于其次的地位[11]。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果,在兩∩形孔下部增加局部加強(qiáng)板,初始與改進(jìn)車架結(jié)構(gòu)對比如示意圖4 所示,經(jīng)過改進(jìn)后的車架結(jié)構(gòu)分析結(jié)果如表2 所示。
圖4 初始與改進(jìn)車架結(jié)構(gòu)對比示意圖
表2 不同工況下的改進(jìn)車架最大變形與最大等效應(yīng)力值
表2 結(jié)果表明,優(yōu)化結(jié)構(gòu)在各工況下的最大變形值有較大降低,結(jié)構(gòu)剛度改善明顯。除45 度頂推工況外,其余工況下的最大應(yīng)力值也有一定程度的降低,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱處需進(jìn)行進(jìn)一步加強(qiáng)。
3 結(jié)論
基于有限元法的結(jié)構(gòu)分析能有效地在牽引車車架設(shè)計(jì)階段了解產(chǎn)品的力學(xué)性能,采用“設(shè)計(jì)-虛擬分析-修改”的虛擬設(shè)計(jì)流程減少了產(chǎn)品開發(fā)的試驗(yàn)次數(shù),從而大大降低了開發(fā)設(shè)計(jì)的時(shí)間,有限元技術(shù)為牽引車車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù),ANSYS 軟件是牽引車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)的良好平臺。
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