基于ABAQUS的双箱自卸半挂车车架有限元分析

1、 装备制造技术 2011年第 1期传统的自卸半挂车, 主要有后卸和侧卸两种结构形式 。 后 卸式优点为结构紧凑 、 举升效率高, 油压特性好; 侧卸式优点 为可双侧 (左侧或右侧 卸货, 而不受场地限制 。 但这两种结构 也存在卸货稳定性差 、 需多次卸货等缺点 。 又由于国内绝大多 数的半挂自卸场地, 没有形成专业化作业, 不像国外有专门的 卸货平台及货场, 经常导致卸货后货物堆积掩埋轮胎, 使半挂 车无法驶离, 降低了运输效率 。由此,专用车技术人员研发出一种活动底板式自卸半挂 车, 可实现卸货时车箱不动, 底板升起, 两侧同时卸货, 具有卸 货稳定 、 速度快 、 可一次完成卸货等优点

2、1, 但依然无法解决卸 货时的埋胎问题 。针对以上问题, 经过总结经验, 某厂工程技术人员开发出 一种双箱自卸式半挂车, 三维模型见图 1。 该车长 12.6m , 其结 构主要包括前后两个自卸车箱, 前箱为双缸腹置式侧卸, 后箱 为单缸前推连杆组合式后卸 。 此车型不仅同时继承了侧卸式 、 后卸式和活动底板式结构的优良特性,卸货时还具有车架扭 曲变形小等优点 。卸货后, 牵引车后驱动轮与半挂车车轮埋胎 量较少, 且牵引车轴距短 、 机动性强, 在很大程度上解决了埋 胎问题 。 车架是整车最重要的承载部件 。 在多种工况下, 承受着复 杂的空间力系 。 由于该车型采用双箱结构, 包含多组液压举

3、升 装置, 车架在多工况下的受力情况较复杂, 仅通过经验公式计 算出的结果难以令设计人员满意 。 因此为确保新开发车型的 安全性和稳定性,有必要利用有限元法对该车型车架进行强 度 、 刚度分析, 以验证其可靠性, 并为结构优化设计提供有效 参考 。1基于 ABAQUS 软件建模ABAQUS/CAE具有前后处理和任务管理的人机交互环境, 提供了基于特征的参数化建模方法, 使建模灵活 、 高效 2。 基于有限元法,建立能够精确反应系统物理特征的有限元模 型, 以便于研究和改进车架的强度 、 刚度特性 。 1.1材料的力学性能该车架采用 T700L 高强度合金钢, 其力学参数:弹性模量为 2.1&#

4、215;105M Pa ; 泊松比为 0.3;密度为 7.85×10-9t/mm3; 屈服强度不小于 625M Pa ; 抗拉强度不小于 700M Pa 。 1.2模型的建立和简化该车架为空间薄壁梁结构, 为了计算方便, 从实际车架到 有限元模型可作适当简化处理 。如忽略某些非承载构件, 取约 束 、 载荷作用点处为单元节点等 。 为了较好地描述复杂车架结 构和反映各关注区域的应力分布,文中分析模型采用以壳单 元为基本单元的有限元模型, 结合该车架的结构特点, 并经过 适当简化处理后, 建立相应的有限元模型 。 1.3网格的划分模型中单元网格的划分及所采用单元尺寸的大小,直接 影响计

5、算结果的精度 。 本模型大部分单元采用 30mm ×30mm 左右的矩形壳单元 (粗单元 。 对于特殊结构, 如各构件连接部 位, 变截面区域和可能出现应力集中的地方, 采用 10mm ×10mm 左右的矩形壳单元 (细单元 。 粗单元与细单元之间, 采用 三角形壳单元连接 。 由以上原则进行单元划分, 整个车架被离 散为 179218个壳单元, 183201个节点 。 1.4边界条件的确定对车架进行静态分析时, 为了使数值解存在且唯一, 系统 要求在不影响车架自由变形的情况下, 消除结构的刚体位移, 以保证结构总刚度矩阵非奇异 。 由于车架在正常工作时是由 车轮通过板簧与

6、悬架支撑的, 因此在悬架与车架纵梁连接处,基于 ABAQUS 的双箱自卸半挂车车架有限元分析王 伟 1, 王 铁 1, 申晋宪 2(1. 太原理工大学 车辆工程系, 山西 太原 030024; 2. 太原长安重型汽车有限公司, 山西 太原 030032摘 要:利用有限元软件 ABAQUS6.9对新开发的某双箱自卸式半挂车车架进行建模 、 网格划分及应力分析, 得到了该车架在多种工况下 的应力分布和位移变形图, 通过对计算结果进行分析, 校核该车架强度满足设计使用要求, 并为其结构改进与优化设计提供有效参考 。 关键词:自卸半挂车; 车架; 有限元; 双节车箱 中图分类号:U469.5+3文献标

7、识码:A文章编号:1672-545X (2011 01-0053-02收稿日期:2010-10-26作者简介:王 伟 (1985 , 男, 山西翼城人, 硕士研究生, 研究方向为车辆工程专业 。图 1双箱自卸式半挂车模型53Equipment Manufactring Technology No.1, 2011施加垂直于 z 方向的刚性约束, 用弹性约束定义 z 方向的平移 自由度, 牵引销板处施加全位移约束 。1.5载荷加载 、 工况的确定汽车载荷是通过车箱传递给车架的,而以往的车架有限 元分析中, 通常不考虑车箱刚度对车架刚度与强度的贡献, 一 概将车箱上的载荷以集中载荷或均布载荷的形式,

8、全部加载 到车架上, 这种简化, 使得应力的计算值一般比实际值要大, 特别是在与车箱相连的车架中后部应力计算值,往往比试验 值大数倍 。 若车箱与车架是钢 钢结构连接 (车箱纵梁为钢质 材料 , 考虑到车箱刚度对车架刚度的贡献, 则总载荷应由车 箱与车架共同承担, 其承受载荷的比例约为 3:73。 因此该车架 所承受的载荷按总载质量的 7/10计算 。 车架自重由系统根据 材料密度自动处理为分布载荷加载到结构上 。由我国车辆电测相关标准和车辆运行时的实际受力情况 可知, 车架的静应力分析一般仅考虑纯弯曲工况 (工况一 和 弯扭工况 (工况二 。 纯弯曲工况是指车辆的 4个车轮在同一 水 平 面

9、 时 的 静 力 工 况 ; 弯 扭 工 况 是 指 车 辆 的 右 前 轮 抬 起 332mm , 左后轮抬起 172mm 时的静力工况 4。 由于半挂车有 别于普通车辆, 其弯扭工况的试验方法可定为:在车架左侧第 一后悬架前板簧支架与车架纵梁连接处不作约束,相当于该 轮悬空, 其余约束不变 。车箱在举升过程中, 举升质量的阻力矩不断减小, 而在启 动时举升机构各铰支点的静摩擦阻力矩和惯性阻力矩最大 。 由于要考虑多部液压举升装置同时工作对车架的影响,故可 分析当两个车箱纵梁在液压缸举升的作用下刚刚离开车架上 翼面时车架的强度 、 刚度变化 (工况三 。 此时两个车箱与车架通过翻转铰支座和液

10、压举升缸连接,因此将其有效载荷加载 到车架的相应部位 。在实际使用过程中, 当车箱已被举升至最大高度时, 可能 出现因车箱侧门 (或后门 的锁钩机构失效不能开启, 或由于 天气寒冷使车箱内货物冻结所导致的无法完成卸货情况, 此 时车架处在最大举升总质量及质心高度的状态下,是一种极 限工况 (工况四 。 通过举升角度和车箱 (含货物 质心变化, 计 算出翻转铰支座和液压举升缸的受力情况,并将载荷加载到 其相应位置 。2有限元计算结果分析通过后处理对计算结果的分析,得出各工况下的应力与 位移云图, 见图 2图 9。分析车架变形云图可知, 4种工况下,车架最大变形部位 在鹅颈处附近, 而车架两端变形

11、较小, 符合实际 。 车架中部较 大变形, 有利于改善车架整体的应力状况, 并起到一定的缓冲 作用 5。 分析车架应力云图可知, 工况一 、 工况二和工况三的最 大应力部位,在牵引销板与纵梁连接处和悬架支架与纵梁连 接处; 工况四的最大应力部位, 出现在后车箱翻转铰支座和尾 横梁附近, 且在工况三与工况四时, 纵梁鹅颈处下翼面的应力 较大 。 各工况计算结果见表 1。从 表 1可 知 , 车 架 在 这 4种 工 况 下 , 应 力 最 大 值 为 431.7M Pa 。 车架所用材料的屈服强度为 625M Pa , 取安全系数 n =1.41, 则材料许用应力=s /n =625/1.41=

12、443.3>431.7M Pa ,说明该车架强度满足设计使用要求 。3结束语通过对某厂新开发的双箱自卸半挂车车架,进行有限元 建模和多工况静力学分析,得出各工况下车架的最大应力与 变形值, 经强度校核得出该车架符合设计使用要求, 并为将来 的动态仿真分析和结构优化设计奠定基础 。通常半挂车车架纵梁截面, 采用工字型结构, 纵梁上下翼 面等宽 。 针对工况三和工况四时车架鹅颈处纵梁下翼面应力 较大问题提出设想,若在鹅颈处对纵梁下翼面做渐宽变截面 处理, 使下翼面逐渐变宽, 直到纵梁变截面区域截止处, 且其 后的纵梁下翼面比上翼面略宽,此改进能否改善该处应力较 大的问题, 仍有待作进一步的研

13、究 。参考文献:1张养训, 刘元磊 . 活动底板式自卸半挂车的结构设计 J.专用汽车, 2009(12:56-57.2刘 展 . ABAQUS6.6基础教程与实例详解 M.北京:中国水利水电 图 8工况四应力图 图 9工况四变形图图 2工况一应力图 图 3工况一变形图图 4工况二应力图 图 5工况二变形图图 6工况三应力图 图 7工况三变形图表 13种工况下的计算结果工况 工况一 工况二 工况三 工况四 最大位移值 (mm 最大位移节点最大应力值 (M Pa 最大应力节点1.5028753263.31574294.2198926322.31593361.9198614378.11574292.

14、776 8821 431.7 83682(下转第 63页 54 装备制造技术 2011年第 1期号为 100JB10G15。6结束语自行研制的教学型自动化立体仓库,在学校的机电一体化及物流工程专业的教学中发挥着重要的作用 。 从教学型自 动化立体仓库的设计制造过程及使用情况来看,GXU-1型堆 垛机运行机构电动机的正确选型,为整个教学型自动化立体 仓库的性能奠定了一个良好的基础 。 在经过电机的功率计算 后, 选择确定了三相交流精密齿轮减速电机作为 GXU-1堆垛机运行机构的电动机, 减小了堆垛机运行机构的自身总质量, 使堆垛机可以实现快速运行 、 低速对准, 刹车停准的控制性能 要求 。参考

15、文献:1起重机设计手册编写组 . 起重机设计手册 K.北京:机械工业出版 社, 1980.2王霄,段志敏 . 自动化立体仓库的设计 J.沈阳工业学院学报, 2004, 23(2 :89-91.3姜幼卿, 叶惠军 . 桥式堆垛机大车运行机构的技术改造 J.起重运 输机械, 2002, (6 :32-37.Motor Power Calculation and Choosing of Stacker Travelling MechanismZHANG Tie-yi , LI Yu-peng, CAO Xiao-zhong(Mechenical Engneering College, Guangxi

16、 University,Nanning 530004,ChinaAbstract :This paper introduces calculation and choosing methods of motor power, for teaching model automated warehouse stacker travel-ling mechanism .Besides considering the static motors power of stable operation outside, acceleration power must be considered to ove

17、rcome mobile quality and rotating quality to cause inertial load.Key words:stacking machine ; travelling mechanism ; motor power出版社, 2008.3李德信,吕江涛, 应锦春 . SX360自卸车车架异常断裂原因分析 J.汽车工程, 2002, 24(4:348-352.4余志生 . 汽车理论 M.北京:机械工业出版社, 2006.5钟佩思,孙雪颜, 赵 丹, 等 . 基于 ANSYS 的货车车架的有限元静态 分析 J.拖拉机与农用运输车, 2008, 35(2:89

18、-93.Finite Element Method of Double Box Dump Semi-trailer's Frame based on ABAQUSWANG Wei 1, WANG Tie 1, SHEN Jin-xian 2(1.Department of Vehicle Engineering, Taiyuan University of Technology , Taiyuan 030024, China ;2. Taiyuan Changan Heavy-duty Truck Co. , Ltd., , Taiyuan 030032, China Abstract :A finite element model for frame of the brand new double box dump semi-trailer was build by using ABAQUS6.9,and the stiffness