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無動力平板拖車的建模與有限元分析

發布于:2022-04-17 19:53
有限元分析

      平板拖車是對貨物進行水平運輸的搬運工具,由牽引車、叉車、拖拉機等提供牽引動力。為了滿足拖車結構設計輕量化的要求,拖車車架承載了使用過程中的所有載荷,是重要的受力元件,因此,要求車架具有很高的剛強度。為了確保結構的可靠性及系統的安全性,必須對車架進行剛強度分析有限元分析,為進一步完善和優化結構設計奠定基礎。因此,拖車車架的剛強度特性分析具有舉足輕重的作用。
      有限元模型的建模精度對分析結果的影響很大,模型的好壞甚至決定了分析結果的應用價值。建模的方法有兩種:一種是將車身骨架簡化為由梁單元組成的框架結構,其優點是模型處理速度快,缺點是復雜結構處的真實情況不能詳細的反映,計算結果比較粗略;另外一種方法是將車身簡化為板殼,其優點是能相對真實的反映連接部件的情況,缺點是前期處理工作量大,計算時間長。本文主要采用板殼分析和梁單元分析相結合的方式建立有限元模型并進行分析,在ANSYS中通過梁單元分析來確定方案,再在HyperWork中通過板殼模型進行校核,以確保結果的可靠性。   
      板殼模型的建立采取抽取中面的方法,將U形槽鋼、矩形方管等視為無厚度的板殼,沿著厚度的一半抽殼。該拖車主要由三組主梁與橫梁焊接而成,還包括回轉支撐、回轉架與一定數量的桿件和鋼板件。其中主梁兩端高度不同,中間由梯形過渡部分連接,如圖所示;剞D支撐和回轉架安裝在主梁高度較低的一端,此處為應力集中區域,輕量化時應保證其強度與剛度。在UG中構建拖車的三維結構模型,需要對模型作以下適當的簡化處理:a.忽略拖車上的平板(忽略平板后,均布載荷施加在梁上),由于忽略車身上的平板對車身總體結構強度的加強作用。這將使結果偏于安全。b.忽略某些對車身結構變形和應力分布影響較小的非承載構件,如插桿、小墊塊等。c.對小弧度的圓角做適當的簡化處理。d.對懸架系統,忽略其具體的結構,僅用剛性梁和柔性梁代替。根據上述簡化原則,首先建立完整的拖車結構模型。再將模型生成的.igs文件導人Hyperwork軟件中進行幾何清理,保證模型各部分正確的耦合和連接。   
      在建立有限元模型的過程中,由于支架上的安裝吊環、橫梁與縱梁上用于墊平的小墊塊、車架上橫梁與縱梁垂直相交處的小撐角板等車身上的非承載力的小零部件的自重較輕,且它們的安裝位置和功用決定了它們對整體車身結構變形的作用很小,因此不必完全按照車身的實際結構來建,在此忽略不計。對于拖車梁模型分析,在建立有限元模型時可采用自底向上的建模方法,即先生成關鍵點,再生成線。在ANSYS中畫出拖車的線框模型,建模時注意梁的節點的連接,以確保單元的連續性。在構建有限元模型時應注意:a.保證各部分的共點共線共面,以確保網格的連續性。b.主車架和回轉車架之間采用mpc 184單元進行連接,模擬焊接的效果,這與點對點剛性連接的方式相比,可以降低結果誤差。幾何模型與最終建立的有限元模型如圖所示。模型的板殼分析有75343個單元,其中she1163單元為65730個,beam188單元為60個,solid95單元為9019個,combine14單元為20個,mpc184單元為514個;梁單元分析有36145個單元,其中beam188單元為5001個,solid187單元為30522個,combine14單元為20個,mpc184單元為602個。
      根據企業提供的資料,該型五軸平板拖車的材料為Q235鋼,屈服強度為235MPa,其許用應力為屈服極限與安全因數之比。為使結構在使用過程中不發生破壞,也不會產生損害其性能的變形,載荷在各部件上產生的應力必須限制在其許用應力之下。鑒于拖車主要行駛于廠區和港口等地,一般為低速行駛,故暫不考慮加速和制動工況,僅考慮靜態工況。將拖車載重60 t及上面板2.5 t的重量視為均布載荷,主要考慮以下三種工況:a.工況一,將62.5 t的載荷均勻加載于前后車軸中心之間。此工況主要模擬拖車在正常行駛時的應力分布和變形情況。主要是對拖車滿載狀態下,所有輪著地時的結構靜強度及剛度進行校核。b.工況二,考慮相對集中的均布載荷情況,將62.5 t的載荷均勻加載于前后輪內側。此工況主要模擬拖車加載時可能遇到的載荷集中的情況,對其在集中載荷情況下的結構靜強度及剛度進行校核。c.工況三,鑒于拖車在運行過程中,遇凹凸路面致使輪胎托空,在工況一的載荷下,隨機懸空三個車輪的約束。此工況模擬的是拖車行駛時,由于車輪遇到路面上的突出物或凹坑,使左右車輪接地點出現高度差時,拖車承受的非對稱載荷,是對拖車車架扭轉工況的校核。



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