重型半掛车架有限元静态分析.docxVIP

重型半挂车架有限元静态分析2007-12-18?[ 字体：大 中 小 ]?1　概述?　重型半挂车的车架为边梁式结构，中间有两根主承载梁纵梁，纵梁为优质成型工字钢或焊接工字钢，其结构做成阶梯形，以降低重心。两纵梁间采用焊接横梁，横梁采用优质钢板冲压成型或成型槽钢，两纵梁外侧采用翼梁焊接，翼梁为变截面优质钢板，横梁、翼梁与纵梁连接采用交叉结构，增加了车架抗弯强度和抗扭刚度。整个车架是全金属结构焊接而成，车架前部可通过牵引销连接牵引车，中前部可停放重型履带式车辆，左右侧分别装有工具箱、防护网和备胎等附件，表面铺有压花钢板和若干防滑条，下部可通过钢板弹簧连接三个车桥，车架为对称结构，如图1所示。 　有限元法是一种求解数理方程的数值计算方法，是解决实际工程问题的强有力的分析手段，它的基本思想是将结构进行有限元离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的工程结构，各单元之间通过有限元节点相互连接，根据有限元理论建立有限元总体方程，然后求解。其计算结果的可靠性在科学方面已经得到广泛的认可。?　ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学和耦合场于一体的大型CAE有限元处理工具。?　有限元静态分析为复杂重型车架结构受力分析提供了有效的手段。在载荷作用点恒定、加载速度缓慢或者为零、加载量值缓慢变化或保持恒定情况下，计算结构的应力、应变、位移的过程，能够在车架设计初期全面了解该半挂车车架在不同工况下的强度和刚度状况，确定应力、应变危险点，同时也能对车架结构优化设计进行分析指导。?　在重型半挂车开发设计阶段，由于缺乏必要的动态试验设备和完善的实验方法，对车架在各种载荷工况和路面条件下的可靠性不能进行准确的有效分析和计算。采用有限元分析，通过建立适当的有限元模型，可在车架的开发设计阶段，对其进行强度分析，以提高车架的开发速度和质量。?2　有限元分析?　车架静态有限元分析是计算在固定不变的载荷作用下的结构响应，它不考虑惯性和阻尼的影响，如结构随时间变化载荷的情况，静态分析主要是结合有限元理论，从静力学、几何学、物理学三方面对结构进行分析。?2.1　车架有限元模型?　建立车架研究对象有限元模型的目的是要建立能够精确反映车架系统的物理特性的数学模型。从最广泛的意义来讲，有限元模型包括节点、单元、材料特性、实常数、边界条件以及其它一些反映车架系统物理结构的特性参数。?　根据车架的结构与工作特点，尽量在不影响分析精度的前提下对实际模型进行简化和假设：忽略刚性较差的4 mm压花钢板（平板）和细长的防滑条；去除对车架整体结构应力分布不产生太大影响的工具箱和防护网等零部件；对结构中细小的结构（如细小的折弯、圆角等）进行简化和忽略；各部件之间的焊接结构假设为等强度焊接，其强度等于部件本身的强度；整个车架部件材料一致且各向材质同性。?　车架结构和形状都比较复杂，而在ANSYS中建模比较单调，建模效率比较低。本文在此研究的课题采用先进的三维软件UG建立车架实体模型，再通过ANSYS与CAD软件的接口导入到ANSYS环境中。?　根据以上导入的实体模型，在有限元分析计算前须对其划分实体单元，因此要充分考虑划分单元的密度和质量。?　材料特性的施加：车架为Q235A钢板焊接件，在工作时其变形可认为是弹性变形且各向材料同性：材料弹性模量E=(1.96～2.06)×105 MPa，本文取2.00×105 MPa：泊松比μ=(0.24～0.32)，本文取μ=0.30；密度ρ=7.8×106 kg/mm3。?　单元类型的选择取决于结构的几何形状、载荷类型、计算精度的要求以及描述该问题所必须的独立空间坐标数目。重型车架的形状复杂，各部件的外型尺寸变化较大，本文采用了能较好适应不规则形状且能满足一定精度要求的曲棱四面体等参数单元，该单元是十节点二阶单元，每个节点具有x，y，z三个方向的自由度。?　单元网格划分应用ANSYS软件自带的Mesh tool工具，采用单元边长为50 mm为参考划分单元，可以方便快捷的将模型划分成网格。根据以上分析，车架模型共划分108869个单元，224982个节点，如图2所示： 　该有限元模型基本上准确地反映了结构的实际情况。?2.2　边界条件和模拟载荷工况?　根据本文所研究的车架特点，边界约束条件和载荷的施加。在此讨论两种工况：静态弯曲工况和静态扭转工况。?2.2.1　静态弯曲工况?　约束条件：约束的施加，主要是以车架在使用过程中的状态进行，同时也要参考分析的需要，就是既要保证消除车架结构的刚体位移，又不影响车架本身的自由变形。按此要求，在车架前端牵引板处实施全位移约束，在车架后部钢板弹簧吊耳处实施垂直Y方向的位移约束，如图3所示。 　载荷施加：车架在使用过程中，后台面均布全部额定承载量。货物重量W=30×9.8 kN，安全系数为1.2，疲劳系数为1.5。?　所以