修井机车架有限元分析范文

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《机械杂志》2014年第六期

1车架有限元模型的建立

1.1建立车架有限元模型的原则（l）尽可能地还原车架的真实结构形态，特别不规则的形状或者可能会导致几何特性与力学特性冲突的结构可以适当简化。（2）对于横纵梁上的一些不影响力学分析的构件在建立有限元模型时适当忽略。（3）网格划分时，着重细化车架主要受力部分的网格，提高网格精度，对于某些由于网格划分精度导致退化的三角型单元，可以允许其存在[2]。（4）在建模时将横梁与纵梁作为两个零件分别存储，在SolidWorks装配体中采用焊接将两个零件组合。

1.2车架的结构车架采用边梁式，即两根主纵梁、两根梁和若干根横梁，皆为不同型号的工字钢，纵梁和横梁的连接方式采取焊接的方式，可以使车辆在恶劣路面下能够承受较大的弯曲和扭转工况，车架前部可以通过牵引销连接牵引车，车架的中前部用来放修井机，左右侧分别装有工具箱和备胎等附件，下部通过左右各3个平衡悬架连接车桥，车架为对称结构。工字梁标准和车架模型如图2、图3所示。

1.3材料的力学特性车架材料采用Q345，力学参数为：弹性模量E＝2.06E+11N/m2；泊松比L＝0.280；密度Q＝7850kg/m3；屈服强度σs＝3.45E+08N/m2。1.4模型的网格划分网格划分遵循“均匀应力区粗化，应力梯度大的区域细化”的原则。一般来说，网格划分越细，质量越高，计算精度就越高。但是网格划分越细，计算量越大，要求电脑的配置就越高[3]。本模型在变形可能大的地方设置单元参数为0.02m，对于不是很重要的部分设置单元参数为0.1m，网格划分采用ANSYS软件自带的Meshtool工具，采用自由体划分。车架主纵梁模型共化为78185个单元、181768个节点。

2约束和边界条件

车架后部通过悬架、车轮支承在路面上，车架前部由牵引销链接牵引车。为更好地符合实际使用工况，将悬架与车架组合起来进行计算。修井机为三轴车辆，常采用平衡悬架。车架前部牵引销与挂车相连，所以施加固定约束。后轴将车轮的中心取为支点，由于修井机采用平衡悬架所以有三个节点，并在相应点处加位移约束，施加X、Z两个方向的约束，Y方向自由[4]。修井机悬架为平衡悬架。为便于模拟，采用杆单元模拟平衡悬架，并将杆与车架以及杆与杆的连接点创建为关键点，如图4所示。约束的原则是将有限元模型完全约束，而不产生过定位[5]。悬架与车架相连处采用弹性约束来模拟钢板弹簧链接，最大弹性距离为0.08m。

3加载及求解结果

3.1加载工况分析修井机的整体图如图1所示，作用在车架上每部分载荷都不同。修井机车体载荷为60t，并考虑自重，其中额定载荷以均布载荷方式加载。根据实际情况不同分为以下两种工况。工况一：由图1可以看出大部分重量集中在车架的后部，所以在车架的后部直接加载60t，加载后如图5所示。工况二：从图1中可以看出，前部鹅颈处和车架前部也有一部分重量，所以在鹅颈处添加5t，在车架后部添加50t，加载后车架图如图6所示。

3.2求解结果（1）工况一仿真结果分析①工况一的等效应力分析云图如图7所示。从图中可以看出最大等效应力为232.53MPa，应力集中部位在鹅颈处、车架中间处前悬架处。车架鹅颈处受力情况如图8所示，其受力范围在77.519～232.53MPa之间。车架前悬架处受力情况如图9所示，其受力范围在77.519～206.69MPa之间。②工况一的等效应变分析云图如图10所示。从图中可以看出最大等效应变为0.0018987m，应变集中部位在鹅颈处及前悬架处。车架鹅颈处等效应变情况如图11所示，其应变范围在0.0006331～0.0018987m之间。车架前悬架处等效应变情况如图12所示，其应变范围在0.0006331～0.0016878m之间。（2）工况二仿真结果分析①工况二的等效应力分析云图如图13所示。从图中可以看出最大等效应力为194.16MPa，应力集中部位在鹅颈处、车架中间处及前悬架处。车架鹅颈处受力情况如图14所示，其受力范围在64.732～194.16MPa之间。车架前悬架处受力情况如图15所示，其受力范围在64.732～172.59MPa之间。②工况二的等效应变分析云图如图16所示。从图中可以看出最大等效应变为0.0015016m，应变集中部位在鹅颈处及前悬架处。车架鹅颈处等效应变情况如图17所示，其应变范围在0.00050058～0.0013347m之间。车架前悬架处等效应变情况如图18所示，其应变范围在0.00050058～0.0011679m之间。

4应力分析结果

4.1分析结果通过后处理对计算结果的分析得到各工况下的位移和应力云图。在工况一时最大应力为232.53MPa，等效应变量为0.0018987m。在工况二时最大应力为194.16MPa，最大变形量为0.0015016m。

4.2强度校核标准金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。根据材料力学的第四强度理论选择应力强度评价。当σ≤σs时，说明材料的强度符合要求[6]。材料的屈服强度极限σs＝345MPa，校核后材料的最大应力为σmax＝232.53MPa。σmax＜σs，所以完全符合应力要求。

4.3结论由计算得到在工况一下的等效应力分布图7，可以看到最大应力处在鹅颈处和第4根横梁的中间部分即平衡悬架前部。车架的鹅颈处如图8所示，该处的工字梁没有车架主体部分尺寸大，承载的重量也没有主体部分大，这一部分的应力在77.519～232.53MPa之间，完全符合第四强度理论。平衡悬架前部如图9所示，该部分应力在77.519～206.69MPa之间，符合第四强度理论。相比工况一而言，工况二更能准确模拟车架真实的受力情况，由应力分布图13可以看出主要受力部位仍然是鹅颈部位与第四根横梁，鹅颈部位的应力在64.732～194.16MPa之间，第四根横梁处的应力在64.732～172.59MPa之间，完全符合第四强度理论。通过计算结果发现，车架在两种工况下都能满足强度要求安全行驶。

作者：金嘉琦周丽王显荣单位：沈阳工业大学机械学院