基于ANSYS的液压平板车车架结构和模态分析

CAE在叉车牵引车的应用

计算机应用

汽车科技第３期２００８年５月

基于ＡＮＳＹＳ的液压平板车车架结构和模态分析

张卫东１，莫旭辉２，彭劲松３

（１．中南大学机电工程学院，长沙４１００８３；２．湖南大学机械与汽车工程学院，长沙４１００８２；

３．长沙凯瑞重工机械有限公司，长沙４１００１３）

摘要：基于有限元法对冶金用重型液压平板车车架进行了满载匀速直线行驶工况下的应力和应变计算，同时对车架进行了模态分析，研究了车架结构与其固有频率及其振型的关系，为车架结构改进提供了一定的参考依据。关键词：液压平板车；车架；有限元法；模态分析中图分类号：Ｕ４４１．３

文献标识码：Ａ

文章编号：１００５－２５５０（２００８）０３－００４６－０４

冶金用液压平板车是一种特殊的重型运输机械，主要用于钢铁、冶炼等生产过程中的液态铁水运输。由于它的特殊用途和工作环境，其车架和一般用途平板车架结构有明显区别和要求。

我国对此类重型车车架设计及强度校核多依靠经典的材料力学、弹性力学等传统的经验和方法。它具有简单易行的优点，但带有相当的盲目性，每次车架的设计改进都不会有重大突破；而且设计周期长。该方法也不能对车架结构的应力分布及刚度分布进行定量分析。因此，设计中不可避免地造成车架各部分强度分配不合理。这样使得整个车架设计的成本提高，而且容易造成某些部位强度不足，容易引起事故；而某些部位强度又过于富余，造成浪费，从而使车架达不到优化设计的目的［１］。

同时，车辆是运输机械，其工作过程总是受到随时间变化的载荷作用。当动载荷很小时，可忽略不计，只需进行静态分析。若所受动载荷较大，或者虽然不大但作用力的频率与结构的某一固有频率接近时，都可能引起结构共振，从而引起很高的动应力，造成强度破坏或产生不允许的变形，破坏车辆的性能。因此，必须对车辆的结构进行动态分析［２］。

本文基于有限元法对某公司的液压平板车架进行仿真分析，主要流程为：根据ＣＡＤ图纸，在ＵＧ软件中建立如图１所示的车架实体模型；通过功能强大的前处理软件ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ对实体模型进行网格划分，建立车架的有限元计算模型；然后利用Ｈｙ－

载荷对有限元模型设定载荷和约束条件；进而计算车架的刚度、强度、振动模态等关键性能指标；最后分析计算结果。

图１车架实体模型

图２多刚体动力学整车模型

１

１．１

有限元模型的建立

液压平板车车架结构特点

液压平板车车架包括两根纵梁和若干根横梁，

皆为厚板和型材组焊而成。车架前部有驾驶室、发动机、油箱、水箱等大质量部件，中部放置装有铁水且附有耐火层的载物桶，整个车架上面的横梁组之间铺有钢板。

ｐｅｒＭｅｓｈ与ＡＮＳＹＳ软件的数据交换接口，把经过前处理工作的有限元模型直接导入ＡＮＳＹＳ；基于ＡＤＡＭＳ软件建立液压平板车的多刚体动力学整车

模型，如图２所示，对该模型进行静平衡下的匀速直线行驶分析，得到车架与悬架连接处的载荷，依据该

收稿日期：２００７－０８－２３

１．２网格划分

根据有限元分析的基本理论，单元类型选择的

恰当与否，对计算的精度和速度有着直接的影响。

综合考虑车架的结构和受力特点，选取４节点四边形单元———ＳＨＥＬＬ６３单元。ＳＨＥＬＬ６３具备弯曲

CAE在叉车牵引车的应用

基于ＡＮＳＹＳ的液压平板车车架结构和模态分析／张卫东，莫旭辉，彭劲松

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和膜的特性，能承受平面内和法线方向的荷载。这个单元在节点上有６个自由度：节点ｘ、ｙ、ｚ方向的平动和绕节点ｘ、ｙ、ｚ方向的旋转。它也具备了应力硬化和大变形能力。

由于整个车架的结构复杂，在建立模型时，在不影响强度分析的前提下，根据具体情况进行适当简化，有限元模型如图３所示。

前后—右、后前—左、后前—右（３）在前后—左、

悬架与车架的连接处节点施加垂直方向的向上的反作用力，如表１所示（由ＡＤＡＭＳ整车动力学分析中提取反力数据最大值见图５。从各悬架的受力分析曲线得以下数据见表１、表２。

表１

最大值最小值平衡值

悬架支撑点受力分析

后后—右

后前—左

－１０５Ｎ

后前—右

后后—左

２．０８１８２．１９５２２．０８７９前后—左

２．４３１３２．５６９４２．４８７５前后—右

２．２２１０２．３１７３２．２２７２前前—左

２．６５８５２．７１３６２．６６１８前前—右

最大值

图３车架有限元模型

最小值平衡值

１．３边界条件处理及材料特性参数

由于针对车架的整体应力和应变分析，需要把

２．５５１６

２．６１９２２．６１８０２．９３８３３．０１２１３．００９８２．７１５０２．８２５５２．８０９８３．０７０３３．１７１８３．１６１４

表２

部位前后—左悬架前后—右悬架后前—左悬架后前—右悬架

提取的约束反力数值

载荷值／ｋＮ

车架从整车模型中分离出来，因此在满载匀速直线行驶分析工况下，对边界条件作以下简化处理（位置说明见图４、图５。

后后—右后前—右

前后—右

前前—右

后后—左

后前—左

前后—左前前—左

２６１．８０３００．９８２２２．７２２６６．１８

校对各支撑垂向力：Ｆ＝２１．０６３４×１０５Ｎ。由簧上从以上曲线可质量计算重力为２１．２４３×１０５Ｎ。Ｆ≈Ｇ。以看出，在满载直线匀速行驶时，悬架受力最大值仍然是出现在最前右侧支撑处。同轴上左右支撑相差约为０．４×１０５Ｎ，满载等速转弯行驶的差值要小，主要是由于质量有偏心所导致，整车质心不在车辆纵向中心面内。

车架材料为Ｑ３４５钢，弹性模量Ｅ＝２．１×１０５ＭＰａ，泊松比μ＝０．３，屈服极限σ＝７．８５×ｓ＝３４５ＭＰａ，密度ρ

图４

－２．０Ｅ＋００５

边界条件施加处悬架的位置说明

曲线１

１０３ｋｇ／ｍ３。

曲线３曲线５

曲线２

在进行强度分析计算时，考虑了以下工作工况：满载时，载物桶加铁水的总质量Ｐ＝１８０ｔ，采用均布载荷加在左右梁对应节点上；驾驶室、发动机、油箱、水箱等的质量均布载荷加在右梁和前纵梁对应的节点上，考虑自重。

－２．５Ｅ＋００５力／Ｎ

曲线４曲线６

曲线７

－３．０Ｅ＋００５

－３．５Ｅ＋００５

曲线８

０１０２０３０４０５０６０７０８０９０１００

时间／ｓ

曲线１：后后—左

曲线３：后前—左曲线５：前后—左曲线７：前前—左

曲线２：后后—右曲线４：后前—右曲线６：前后—右曲线８：前前—右

２有限元计算结果与分析

节点最大位移值和最大ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力值及其

位置如图６和图７所示，工作工况的局部最大应力云图如图８所示。

图５各悬架支撑点受力分析

（１）在后后—右悬架跟车架的连接处节点约束

ｘ、ｙ、ｚ自由度，后后—左悬架跟车架的连接处节点约束ｘ、ｚ自由度；

（２）在前前—右悬架跟车架的连接处节点约束

ｙ、ｚ自由度 …… 此处隐藏：3718字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……