支架有限元分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2013-06-19 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線(xiàn)

應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)自卸車(chē)新型特種支架進(jìn)行建模和分析,主要分析了支架在靜力作用下的強(qiáng)度和剛度,并針對(duì)不足進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。分析結(jié)果表明新支架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度滿(mǎn)足使用要求,并且應(yīng)力分布均勻,提高了使用壽命,為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)和參考。

0 前言

SGA3723型礦用汽車(chē)是北京首鋼重型汽車(chē)制造廠(chǎng)與北京科技大學(xué)合作,在SGA3722的基礎(chǔ)上共同研制開(kāi)發(fā)的重型礦用運(yùn)輸汽車(chē),適用于露天礦山、煤碳、水利、電力以及建筑工地運(yùn)送散裝物料。已經(jīng)生產(chǎn)多年的SGA3722礦用汽車(chē)目前所用的駕駛室支架與水箱支座、水箱罩支撐分別獨(dú)立布置;結(jié)構(gòu)復(fù)雜。各種不同厚度、形狀各異的鋼板和鋼梁組焊而成的復(fù)雜箱形構(gòu)件,存在著質(zhì)量大、成本高、焊接工藝性差、生產(chǎn)周期長(zhǎng)等諸多缺陷。為了降低原料消耗、提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝性、縮短生產(chǎn)周期和提高生產(chǎn)效益,廠(chǎng)家擬對(duì)原車(chē)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 新支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)上述問(wèn)題,在新車(chē)設(shè)計(jì)中作以下改進(jìn):

(1)將駕駛室支撐、水箱支撐、水箱罩及走臺(tái)支撐合為一體。在滿(mǎn)足使用要求的情況下,簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,減輕總成的重量、節(jié)省布置空間。

(2)合理布置肋板位置。在設(shè)計(jì)中由于此支架右側(cè)與水箱出水管干涉,考慮到管路的拆裝方便,在前面板上開(kāi)出缺口。因此,背面肋板也要相應(yīng)移位。

(3)留出車(chē)燈安裝位置。在不過(guò)分削弱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下,與照明設(shè)計(jì)師共同確定前照燈的安裝孔以達(dá)到美觀(guān)協(xié)調(diào)。

各板材均選用Q235組焊而成。

改進(jìn)結(jié)構(gòu)由面板、肋板、側(cè)面裝飾板、底板以及梯子總成焊接而成,此結(jié)構(gòu)由經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)完成,還必須對(duì)其進(jìn)行定量分析,以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的可行性并確定最終的設(shè)計(jì)參數(shù)。

2 有限元建模

2.1 模型簡(jiǎn)化

在汽車(chē)CAD/CAE技術(shù)中,有限元分析方法和軟件技術(shù)占據(jù)了一個(gè)極其重要的位置。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu),進(jìn)行力學(xué)性能的研究及優(yōu)化設(shè)計(jì),有限元方法被證明是一種最為成功,應(yīng)用最廣泛的近似分析方法。ANSYS常用的建模方法有2種:(1)在通用CAD軟件中建模,并以IGES、STEP等格式導(dǎo)入或者用專(zhuān)為UG、proe、CATIA配置的專(zhuān)用接口程序?qū)⑵渌Ｐ椭苯愚D(zhuǎn)換過(guò)來(lái);(2)用ANSYS前處理模塊直接進(jìn)行建模。

利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行新支架實(shí)體建模,假設(shè)焊接的強(qiáng)度足夠大,將支架的有限元模型看成剛性連接的整件,不考慮零件焊縫裝配搭接情況以及螺栓孔及倒角對(duì)結(jié)構(gòu)的影響,不計(jì)梯子總成的影響。這樣簡(jiǎn)化處理有利于進(jìn)行有限元分析計(jì)算。

2.2 單元選擇

由于此結(jié)構(gòu)件都是由板壁類(lèi)零件組成,這類(lèi)板件厚度方向尺寸與長(zhǎng)寬方向尺寸相比要小得多。承載時(shí)除在其平面內(nèi)受拉壓外,還承受彎扭作用,所以采用殼單元shell63來(lái)模擬,它是四節(jié)點(diǎn)三維彈性殼單元,每節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度。該類(lèi)型單元適用于薄壁或薄殼結(jié)構(gòu)的純薄膜應(yīng)力,純彎曲應(yīng)力以及2種應(yīng)力綜合分析,另外,還可用于復(fù)合層分析。

2.3 劃分網(wǎng)格

對(duì)于不同的板材,需要定義不同的實(shí)常數(shù)。劃分網(wǎng)格前手動(dòng)定義單元大小,對(duì)要求精度高的地方,單獨(dú)劃分。

2.4 施加載荷

根據(jù)載荷施加的實(shí)際情況建立有限元模型過(guò)程中,分別在面板頂端相應(yīng)位置定義加載平面,通過(guò)搭接命令將加載面與模型連接成整體。

2.5 約束與邊界條件

在設(shè)計(jì)中,支架自身采用焊接組裝,然后通過(guò)螺栓聯(lián)接將底板與車(chē)架固連,其頂端面與各支座總成采用螺栓聯(lián)接。所以需要約束底板的全部自由度。根據(jù)上述有限原則,建立支架結(jié)構(gòu)有限元模型。

3 計(jì)算結(jié)果

建立上述有限元模型后,通過(guò)有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行分析計(jì)算。

由于礦用汽車(chē)作業(yè)條件非常惡劣,其支架要承受上部駕駛室和水箱自重、走臺(tái)自重、慣性沖擊力、轉(zhuǎn)彎側(cè)傾力等不同工況下載荷?？紤]到礦用汽車(chē)的實(shí)際作業(yè)環(huán)境,在進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)。動(dòng)載荷系數(shù)取2.0,安全系數(shù)取1.5.所以材料實(shí)際應(yīng)力應(yīng)滿(mǎn)足

從應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn),為了使肋板避開(kāi)水箱管路,水箱支座下的肋板進(jìn)行偏置引起局部位置應(yīng)力嚴(yán)重,達(dá)到94.4MPa,超出了許用應(yīng)力范圍,必須予以改進(jìn)。

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

(1) 為提高支架強(qiáng)度,在水箱支座下部增加適當(dāng)長(zhǎng)度的加強(qiáng)肋,以不干涉水管為宜。

(2)為提高剛度,在新加肋的對(duì)面增加通長(zhǎng)的肋板。

修正模型后重新進(jìn)行有限元分析,由分析結(jié)果可見(jiàn):板件最大應(yīng)力降低到31.2MPa,這是由于新加入的肋板承擔(dān)了水箱座傳遞的載荷,肋板位于水箱支座正下方,有效地減少了偏置帶來(lái)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。表1列出了支架結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后強(qiáng)度和剛度對(duì)比,可見(jiàn)改進(jìn)結(jié)構(gòu)不但降低了結(jié)構(gòu)應(yīng)力,使各部件受力均勻,而且提高了結(jié)構(gòu)的剛度,各方向的變形減小。

支架有限元分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)ansys仿真分析圖片4

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 本文采用殼單元對(duì)SGA3723礦用汽車(chē)專(zhuān)用支架進(jìn)行有限元強(qiáng)度和剛度分析,根據(jù)分析結(jié)果對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),使整個(gè)車(chē)架焊接工藝和應(yīng)力分布更趨于合理;

(2)應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件快速計(jì)算功能,隨時(shí)對(duì)改型后車(chē)架進(jìn)行強(qiáng)度分析,縮短了SGA3723礦用汽車(chē)車(chē)架改型設(shè)計(jì)周期;

(3)礦用汽車(chē)改型前后支架有限元對(duì)比分析結(jié)果為新型支架設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。目前新型車(chē)架正在生產(chǎn)加工,待加工完成后,仍需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)走合驗(yàn)證。

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