基于ANSYS的液压平板车车架结构和模态分析

1、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,

2、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-perMesh与ANSYS软件的数据交换接口,把经过前处理工作的有限元

3、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有限元模型的建立1.1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。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

4、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具备弯曲收稿日期:2007-08-23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

5、识码:A文章编号:1005-2550(200803-0046-04基于ANSYS 的液压平板车车架结构和模态分析46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。图3车架有限元模型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。图4

6、边界条件施加处悬架的位置说明曲线1:后后左曲线2:后后右曲线3:后前左曲线4:后前右曲线5:前后左曲线6:前后右曲线7:前前左曲线8:前前右图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,前前左悬架跟车架的连接处节点约束z 自由度;(3在前后左、前后右、后前左、后前右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悬架支撑点受力分析

7、-105N表2提取的约束反力数值校对各支撑垂向力:F=21.0634×105N 。由簧上质量计算重力为21.243×105N 。F G 。从以上曲线可以看出,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=0.3,屈服极限s =345MPa ,密度=7.85×103kg/m 3。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

8、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有限元计算结果与分析节点最大位移值和最大Von Mises 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6车架有限元分析位移云图前后左前前左前前右后前右前后右后后右后前左后后左-2.0E+005-2.5E+005-3.0E+005-3.5E+005时间/s曲线1曲线2曲线4曲线6曲线8曲线7曲线5力/N后后左后后右后前左后前右前后右前前左前前右最大值2.55162.6180部位载荷值/kN前后左悬架261.80前后右悬架3

9、00.98后前左悬架222.72后前右悬架266.1847图7车架有限元分析VonMises应力云图图8车架有限元分析应力最大处应力云图从以上计算结果可知,在工作工况时,最大位移值约13mm,出现在承载物重的左、右边梁处,这样的变形是允许的,与该车满载下实际测量结果相符。最大VonMises应力值=334376MPa,接近屈服极限s=345MPa,但是最大应力值的位置只是出现在车架与后后_右悬架的接触处的约束位置点。出现这一情况的主要原因是由于在有限元分析时,边界条件的模拟对实际情况的简化造成的。其余地方的应力分布如图5所示,还是比较均匀的,均在170MPa以下,整个车架的受力是安全的。3车架

10、模态分析模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术,是所有动力学分析类型的最基础的内容。模态分析可以使结构设计避免共振或以特定频率进行振动;可以使工程师认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响应的;有助于在其他动力分析中估算求解控制参数(如时间步长等。车架结构作为一个弹性承载体,本来是一个无限多自由度的振动系统,在汽车高速行驶过程中会受到显著的动载荷作用,车架的弯曲、扭转振动会造成车架的疲劳,在其内部产生很大的动应力,影响舒适和行驶平顺性。当外界的激振频率与系统的固有频率接近时,将产生共振。共振不仅使成员感到不舒服,带来噪声和部件的早期疲劳损坏,还会破坏车架表面的保护层和密封性,从而削弱抗腐蚀

11、性能。因此,合理的车架模态分布对提高整车的可靠性和NVH性能等有着十分重要的意义3。在ANSYS中有以下几种提取模态的方法: Block Lanczos法、子空间法、缩减法、PowerDynamics 法、不对称法和阻尼法。使用何种模态提取方法主要取决于模型大小(相对于计算机的计算能力而言和具体的应用场合8。本文利用ANSYS软件中的BlockLanc-zons算法计算自由边界条件下车架的主要低阶模态。计算时提取模态数为10阶,各阶模态振形及频率如表3所示。其中,前5阶的振型描述见图9至图13和表4。评价车架动态性能的好坏主要看车架低阶频率,车架低阶频率应该高于车架其他附件结构的固有频率、发动

12、机的固有频率、减速器及其后续的传动系统和行驶系统的转动部件的最高工作频率。以上外部激励所产生频率一般都在17Hz以下,所以该车车架的低阶模态频率分布是合理的。表3车架模态列表表4车架各阶模态振型描述图9一阶振型图10二阶振型模态阶数频率/Hz120.67223.94324.73425.97534.50642.00742.38850.54953.131057.18模态阶数振型描述1车架整体一阶纵向弯曲模态2车架整体二阶纵向弯曲模态3车架整体一阶纵向弯曲扭转模态4车架整体一阶扭转模态5车架整体二阶扭转模态48图11三阶振型图12四阶振型图13五阶振型4结论应用有限元方法对某重型液压平板车车架进行了

13、整体刚度和强度分析,其中弯曲刚度用车架在铅垂载荷作用下产生的挠度大小来描述,满载下约为13mm,与该车满载下实际测量结果相符。从应力云图可以看出,最大应力值远远低于材料的屈服极限,整个车架强度比较安全。从满足车架强度条件方面来考虑,车架材料比较富余,但是提高车架强度,使得车架在满载下的垂向挠度降低,有利于减少该车在工作过程中由于车架振动对铁水晃动的影响。采用有限元法对车架进行强度、刚度分析,其结果比常规的解析法更准确、可靠,且可获得局部危险区域的应力分布,从而为实际设计提供有价值的参考。模态分析得出了该重型车车架的固有频率和振型,结果表明,车架在自然约束条件下低阶频率范围在2060Hz,车架振

14、型表现为垂直弯曲、弯扭组合和扭转等。参考文献:1刘鹏,冯国胜.某重型钢水罐车车架结构的有限元分析及优化J.石家庄铁道学院学报,2006,(2:68-71.2黄华,茹丽妙.重型运输车车架的动力学分析J.车辆与动力技术,2001,(2:40-44.3高云凯.汽车车身结构分析M.北京:北京理工大学出版社,2006.4林程,陈思钟,吴至成.重型半挂车车架有限元分析J.车辆与动力技术,2004,(4:23-27.5Jiang C,Han X,Guan F J.An uncertain structural optimiza-tion method based on interval descriptio

15、n of uncertaintyC.The Fourth China-Japan-Korea Joint Symposium on Opti-mization of Structural and Mechanical Systems.Kunming: The Chinese Association of Computational Mechanics,2006: 347-352.6Liu G R,Han X.Computational inverse techniques in non-destructive evaluationM.Florida:CRC Press,2003.7王勖成,邵敏

16、.有限单元法基本原理和数值方法(第二版M.北京:清华大学出版社,2001.8龚曙光,谢桂兰.ANSYS操作命令与参数化编程M.北京:机械工业出版社,2004.9刘国庆,杨庆东.ANSYS工程应用教程机械篇M.北京:中国铁道出版社,2003.Simulation about Hydraulic ConveyanceVehicle Frame Structure and ModalAnalysis Based on ANSYSZHANG Wei-dong1,MO Xu-hui2,PENG Jin-song3 (1.School of Mechanical and Electrical Engine

17、ering,CentralSouth University,Changsha410083,China;2.School of Machinery and Automobile Engineering,Hunan University, Changsha410082,China;3.Changsha Kairui Heavy Industry Machinery Co.,Ltd,Changsha410013,China Abstract:Using finite element method,stress and strain of the heavy hydraulic conveyance vehicle framework is analyzed when the vehicle is moving at the uniform velocity with full load.Then the relations between framework