張毅杰，孔令瓊，施杰，鄒歡

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)a.工程技術(shù)學(xué)院，b.水利水電與建筑學(xué)院;云南昆明 650201）

0 引言

隨著我國(guó)鐵道線路結(jié)構(gòu)朝著高速、重型化方向迅猛發(fā)展，對(duì)大型養(yǎng)路機(jī)械的技術(shù)要求越來越高。本文研究的散料自動(dòng)裝卸運(yùn)輸車是某大型養(yǎng)路機(jī)械廠在引進(jìn)國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過自主創(chuàng)新研發(fā)的新型養(yǎng)路機(jī)械，該車底架是承受物料的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求是設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。如何運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)底架進(jìn)行工程分析，以期在底架投入使用之前，預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計(jì)問題從而進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，無疑是一個(gè)值得研究的重要課題。本文運(yùn)用有限元方法，基于ANSYS分析軟件對(duì)底架進(jìn)行了靜態(tài)和模態(tài)分析，分析結(jié)果為底架的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了有益的參考和依據(jù)。

1 有限元分析基本原理［1］

有限元分析可應(yīng)用于多種類型的物理問題，它是將彈性連續(xù)體劃分成有限個(gè)小單元，單元在節(jié)點(diǎn)處相互連接，單元組稱為網(wǎng)格。運(yùn)用相對(duì)簡(jiǎn)單的方程來描述每個(gè)單元行為，用各個(gè)小單元力學(xué)特性的總和來體現(xiàn)整個(gè)連續(xù)體的力學(xué)特征。

有限元分析求解的三個(gè)基本方程:

表示單元應(yīng)變?chǔ)舉與節(jié)點(diǎn)位移δe的關(guān)系矩陣，B稱應(yīng)變矩陣。

表示單元應(yīng)力以節(jié)點(diǎn)位移來表示的方程，其中D[]為單元彈性矩陣。

表示由虛功原理導(dǎo)出的節(jié)點(diǎn)力以節(jié)點(diǎn)位移表示的方程，其中單元?jiǎng)偠染仃嚒?/p>

2 底架結(jié)構(gòu)綜述

2.1 散料自動(dòng)裝卸運(yùn)輸車結(jié)構(gòu)概述

該散料車承載主體結(jié)構(gòu)為物料儲(chǔ)運(yùn)箱及其下面支撐的集裝箱平板車，車體模型圖如圖1所示。

由于平板車直接選用鐵路標(biāo)準(zhǔn)件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度易于保證。而位于物料儲(chǔ)運(yùn)箱最下端的底架由橫梁和縱梁交錯(cuò)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)和受力較為復(fù)雜，其靜力特性和動(dòng)態(tài)特性成為結(jié)構(gòu)分析中的關(guān)鍵問題。

圖1 散料車立體模型

2.2 底架受力分析

底架主體結(jié)構(gòu)由九根橫梁和一根縱梁組成，橫梁和縱梁分別采用16Mn方形和矩形鋼管，底架局部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 底架局部示意圖

各橫梁兩端焊接在儲(chǔ)運(yùn)箱側(cè)架上，側(cè)架又焊接在車體機(jī)架上，兩側(cè)受到的力基本上由側(cè)架和機(jī)架承受，而來自鏈條式傳送帶的物料載荷主要集中在底架中部，即中間的縱梁上，因此，中間縱梁與各橫梁銜接處是結(jié)構(gòu)分析的重點(diǎn)。底架受力示意見圖3。

圖3 受力示意圖

圖中FA、FB、FC分別為滿載物料的均布載荷按每240mm等分處理后施加在兩端和中間的力，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 各支點(diǎn)承載

3 底架靜態(tài)分析

3.1 創(chuàng)建底架有限元模型

3.1.1 創(chuàng)建底架幾何模型

由于底架模型相對(duì)簡(jiǎn)單，再者為了避免異構(gòu)CAD模型轉(zhuǎn)換中存在的幾何信息容易丟失、無法參數(shù)化修改等一系列問題，因此在ANSYS中直接建立底架的幾何模型。

3.1.2 單元選擇

選用殼單元Shell181，該單元能很細(xì)致的描述面與面之間的連接，從而詳細(xì)分析縱、橫梁銜接處的應(yīng)力和應(yīng)變情況。

3.1.3 約束方式

由圖3所示的底架與平車結(jié)構(gòu)聯(lián)接特點(diǎn)可知，1、3、5、7、9處不僅位于儲(chǔ)運(yùn)箱與平車相聯(lián)的支架處，而且下端還有若干加強(qiáng)筋加強(qiáng)，因此其所對(duì)應(yīng)的橫梁強(qiáng)度和剛度遠(yuǎn)大于 2、4、6、8 處的強(qiáng)度和剛度。

圖3 底架與平車聯(lián)接處結(jié)構(gòu)

由以上分析，位移約束處理為:1、3、5、7、9 處橫梁兩端全約束;2、4、6、8處橫梁兩端y向約束。

最終創(chuàng)建的添加約束后底架的有限元模型如圖4所示。

圖4 添加約束后有限元模型

3.2 靜強(qiáng)度分析

在散料車滿載靜止?fàn)顟B(tài)下，將底架自重和計(jì)算得到的面載荷施加到縱梁上后，得到應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 滿載靜止下的局部應(yīng)力云圖

由圖可知應(yīng)力峰值出現(xiàn)在縱橫梁交錯(cuò)中心處，最大值為143MPa，而當(dāng)安全系數(shù)為2時(shí)的16Mn材料的許用應(yīng)力在175MPa左右。因此，底架在靜止?jié)M載時(shí)強(qiáng)度符合要求。

3.3 動(dòng)強(qiáng)度分析

散料車實(shí)際工作中，底架受載較靜強(qiáng)度分析復(fù)雜得多?，F(xiàn)針對(duì)三種典型工況，在靜強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析底架的動(dòng)強(qiáng)度。

3.3.1 滿載快速傳料輸送工況

當(dāng)散料車以最大加速度滿載快速傳料時(shí)，是底架所處的危險(xiǎn)工況之一。由總體設(shè)計(jì)計(jì)算可知，快速傳料時(shí)的最大加速度為0.15m/s2，底架此時(shí)除受物料載荷和自重外，還承受滿載物料快速啟動(dòng)時(shí)的慣性力，慣性沖擊力為0.001N/mm2，將各部分載荷施加在底架后的應(yīng)力云圖如圖6所示。應(yīng)力幅值為157MPa。

圖6 滿載快速傳料工況應(yīng)力云圖

3.3.2 滿載最大聯(lián)掛速度行駛工況

散料車以最大聯(lián)掛速度120km/h行駛時(shí)，由于高速行駛是沖擊和振動(dòng)的主要發(fā)生源，因此，必須考慮動(dòng)載荷因素對(duì)強(qiáng)度的影響。圖7為考慮動(dòng)載荷因素后的底架應(yīng)力云圖，應(yīng)力幅值為178MPa。

圖7 最大聯(lián)掛速度行駛工況應(yīng)力云圖

3.3.3 緊急制動(dòng)工況

當(dāng)滿載運(yùn)行的散料車緊急制動(dòng)時(shí)，較大的沖擊載荷會(huì)施加在底架上?，F(xiàn)以最高時(shí)速120km/h滿載運(yùn)行的散料車在20s內(nèi)緊急制動(dòng)這一最危險(xiǎn)情況，對(duì)底架進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果如圖8所示。應(yīng)力幅值為189MPa。

圖8 滿載緊急制動(dòng)工況應(yīng)力云圖

3.4 靜態(tài)分析結(jié)論

散料車底架的有限元靜力分析結(jié)果如表2所示:

表2 各工況下的強(qiáng)度分析結(jié)果

有限元分析表明，最大應(yīng)力出現(xiàn)在圖3所示的2、4、6、8處橫梁和縱梁的交錯(cuò)中心處。該底架靜強(qiáng)度滿足要求;但動(dòng)強(qiáng)度分析表明，在滿載最大聯(lián)掛速度運(yùn)行工況和滿載緊急制動(dòng)工況下強(qiáng)度不足，由于養(yǎng)路機(jī)械產(chǎn)品的特殊性，必須提高底架動(dòng)強(qiáng)度以確保散料自動(dòng)裝卸運(yùn)輸車較高的可靠性。

4 底架模態(tài)分析

4.1 模態(tài)計(jì)算結(jié)果

由于低階振動(dòng)對(duì)一般的工程結(jié)構(gòu)影響最為顯著［2，3］，因此在ANSYS中僅提取前10階的固有頻率和振型進(jìn)行模態(tài)分析。其中各階振型圖如圖9所示，計(jì)算結(jié)果見表3。

圖9 底架各階振型圖

4.2 模態(tài)結(jié)果分析

據(jù)相關(guān)資料和數(shù)據(jù)，散料車發(fā)動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行下的爆發(fā)頻率為33.3～50Hz，鐵路軌道激振頻率多在11Hz附近［4］。由模態(tài)計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，低階頻率一階彎曲和一階扭轉(zhuǎn)頻率值均低于發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)頻率，避免了底架的整體共振;但第4、5階固有頻率十分接近軌道激振頻率11Hz，易引起局部結(jié)構(gòu)共振;另外，一階彎曲模態(tài)和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)的固有頻率間隔較小，兩種模態(tài)頻率應(yīng)該至少錯(cuò)開3Hz以上，以免發(fā)生耦合效應(yīng)［5］。

5 結(jié)論

1）通過基于ANSYS的有限元靜力分析可知底架在滿載最大聯(lián)掛速度行駛工況和滿載緊急制動(dòng)工況下的動(dòng)強(qiáng)度略有不足，且最大應(yīng)力出現(xiàn)在縱梁與橫梁的銜接處，因此，需要針對(duì)縱橫梁銜接處進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)以提高底架強(qiáng)度。

2）通過基于ANSYS的自由模態(tài)分析可知，整體上底架動(dòng)態(tài)特性基本符合底架設(shè)計(jì)要求，但由于第4、5階固有頻率與鐵軌外部激振頻率十分接近，易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)共振。分析結(jié)果為后續(xù)結(jié)構(gòu)改進(jìn)剔除有害振型及響應(yīng)分析提供了重要依據(jù)。

表3 模態(tài)計(jì)算結(jié)果及振型特征

［1］薛守義.有限單元法［M］.北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，2005.2.

［2］尹輝俊，韋志林，沈光烈.貨車車架的有限元分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2005，22（11）:26-28.

［3］張潤(rùn)生，侯煒.車架剛度及強(qiáng)度的有限元分析［J］.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2007，34（4）:29-33.

［4］中華人民共和國(guó)鐵道部TB/Tl335-1996.鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范［s］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.

［5］李傳博.客車車身有限元建模與靜動(dòng)態(tài)特性分析［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

［6］張毅杰.散料自動(dòng)裝卸運(yùn)輸車底架的有限元分析及試驗(yàn)研究［D］.昆明:昆明理工大學(xué)，2008.