修井機車架有限元分析范文

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《機械雜志》2014年第六期

1車架有限元模型的建立

1.1建立車架有限元模型的原則（l）盡可能地還原車架的真實結構形態，特別不規則的形狀或者可能會導致幾何特性與力學特性沖突的結構可以適當簡化。（2）對于橫縱梁上的一些不影響力學分析的構件在建立有限元模型時適當忽略。（3）網格劃分時，著重細化車架主要受力部分的網格，提高網格精度，對于某些由于網格劃分精度導致退化的三角型單元，可以允許其存在[2]。（4）在建模時將橫梁與縱梁作為兩個零件分別存儲，在SolidWorks裝配體中采用焊接將兩個零件組合。

1.2車架的結構車架采用邊梁式，即兩根主縱梁、兩根梁和若干根橫梁，皆為不同型號的工字鋼，縱梁和橫梁的連接方式采取焊接的方式，可以使車輛在惡劣路面下能夠承受較大的彎曲和扭轉工況，車架前部可以通過牽引銷連接牽引車，車架的中前部用來放修井機，左右側分別裝有工具箱和備胎等附件，下部通過左右各3個平衡懸架連接車橋，車架為對稱結構。工字梁標準和車架模型如圖2、圖3所示。

1.3材料的力學特性車架材料采用Q345，力學參數為：彈性模量E＝2.06E+11N/m2；泊松比L＝0.280；密度Q＝7850kg/m3；屈服強度σs＝3.45E+08N/m2。1.4模型的網格劃分網格劃分遵循“均勻應力區粗化，應力梯度大的區域細化”的原則。一般來說，網格劃分越細，質量越高，計算精度就越高。但是網格劃分越細，計算量越大，要求電腦的配置就越高[3]。本模型在變形可能大的地方設置單元參數為0.02m，對于不是很重要的部分設置單元參數為0.1m，網格劃分采用ANSYS軟件自帶的Meshtool工具，采用自由體劃分。車架主縱梁模型共化為78185個單元、181768個節點。

2約束和邊界條件

車架后部通過懸架、車輪支承在路面上，車架前部由牽引銷鏈接牽引車。為更好地符合實際使用工況，將懸架與車架組合起來進行計算。修井機為三軸車輛，常采用平衡懸架。車架前部牽引銷與掛車相連，所以施加固定約束。后軸將車輪的中心取為支點，由于修井機采用平衡懸架所以有三個節點，并在相應點處加位移約束，施加X、Z兩個方向的約束，Y方向自由[4]。修井機懸架為平衡懸架。為便于模擬，采用桿單元模擬平衡懸架，并將桿與車架以及桿與桿的連接點創建為關鍵點，如圖4所示。約束的原則是將有限元模型完全約束，而不產生過定位[5]。懸架與車架相連處采用彈性約束來模擬鋼板彈簧鏈接，最大彈性距離為0.08m。

3加載及求解結果

3.1加載工況分析修井機的整體圖如圖1所示，作用在車架上每部分載荷都不同。修井機車體載荷為60t，并考慮自重，其中額定載荷以均布載荷方式加載。根據實際情況不同分為以下兩種工況。工況一：由圖1可以看出大部分重量集中在車架的后部，所以在車架的后部直接加載60t，加載后如圖5所示。工況二：從圖1中可以看出，前部鵝頸處和車架前部也有一部分重量，所以在鵝頸處添加5t，在車架后部添加50t，加載后車架圖如圖6所示。

3.2求解結果（1）工況一仿真結果分析①工況一的等效應力分析云圖如圖7所示。從圖中可以看出最大等效應力為232.53MPa，應力集中部位在鵝頸處、車架中間處前懸架處。車架鵝頸處受力情況如圖8所示，其受力范圍在77.519～232.53MPa之間。車架前懸架處受力情況如圖9所示，其受力范圍在77.519～206.69MPa之間。②工況一的等效應變分析云圖如圖10所示。從圖中可以看出最大等效應變為0.0018987m，應變集中部位在鵝頸處及前懸架處。車架鵝頸處等效應變情況如圖11所示，其應變范圍在0.0006331～0.0018987m之間。車架前懸架處等效應變情況如圖12所示，其應變范圍在0.0006331～0.0016878m之間。（2）工況二仿真結果分析①工況二的等效應力分析云圖如圖13所示。從圖中可以看出最大等效應力為194.16MPa，應力集中部位在鵝頸處、車架中間處及前懸架處。車架鵝頸處受力情況如圖14所示，其受力范圍在64.732～194.16MPa之間。車架前懸架處受力情況如圖15所示，其受力范圍在64.732～172.59MPa之間。②工況二的等效應變分析云圖如圖16所示。從圖中可以看出最大等效應變為0.0015016m，應變集中部位在鵝頸處及前懸架處。車架鵝頸處等效應變情況如圖17所示，其應變范圍在0.00050058～0.0013347m之間。車架前懸架處等效應變情況如圖18所示，其應變范圍在0.00050058～0.0011679m之間。

4應力分析結果

4.1分析結果通過后處理對計算結果的分析得到各工況下的位移和應力云圖。在工況一時最大應力為232.53MPa，等效應變量為0.0018987m。在工況二時最大應力為194.16MPa，最大變形量為0.0015016m。

4.2強度校核標準金屬材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力稱為強度。根據材料力學的第四強度理論選擇應力強度評價。當σ≤σs時，說明材料的強度符合要求[6]。材料的屈服強度極限σs＝345MPa，校核后材料的最大應力為σmax＝232.53MPa。σmax＜σs，所以完全符合應力要求。

4.3結論由計算得到在工況一下的等效應力分布圖7，可以看到最大應力處在鵝頸處和第4根橫梁的中間部分即平衡懸架前部。車架的鵝頸處如圖8所示，該處的工字梁沒有車架主體部分尺寸大，承載的重量也沒有主體部分大，這一部分的應力在77.519～232.53MPa之間，完全符合第四強度理論。平衡懸架前部如圖9所示，該部分應力在77.519～206.69MPa之間，符合第四強度理論。相比工況一而言，工況二更能準確模擬車架真實的受力情況，由應力分布圖13可以看出主要受力部位仍然是鵝頸部位與第四根橫梁，鵝頸部位的應力在64.732～194.16MPa之間，第四根橫梁處的應力在64.732～172.59MPa之間，完全符合第四強度理論。通過計算結果發現，車架在兩種工況下都能滿足強度要求安全行駛。

作者：金嘉琦周麗王顯榮單位：沈陽工業大學機械學院