高耀東 李 帥 孔祥剛

(1.內(nèi)蒙古科技大學機械工程學院，內(nèi)蒙古 014010;2.內(nèi)蒙古北方巴里巴工程專用車有限公司，內(nèi)蒙古 014033)

目前我國生產(chǎn)的混凝土攪拌車多數(shù)是由上裝部分和通用底盤組裝而成的［1］。其中，上裝部分由攪拌筒、前后支撐、副車架、液壓系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)等主要部件組成。副車架起著連接底盤和整個上裝部分的重要作用?；炷翑嚢柢囋谛旭傔^程中，副車架不僅要承受拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲的復(fù)合應(yīng)力，而且還要受動載荷作用產(chǎn)生沖擊、振動。當達到一定的工作次數(shù)后，副車架會產(chǎn)生疲勞失效，這也是副車架結(jié)構(gòu)的常見失效形式。

針對上述的實際情況，本文以某廠生產(chǎn)的14 m3混凝土攪拌車為研究對象，用ANSYS 有限元分析軟件對該車型的副車架結(jié)構(gòu)進行靜力學分析和模態(tài)分析［4］，驗證該結(jié)構(gòu)是否具有足夠的強度和剛度。

1 有限元模型的建立

1.1 副車架結(jié)構(gòu)

該副車架為鋼板焊接的縱截面為U 型槽鋼的箱型結(jié)構(gòu)，主要由2 根縱梁、2 根橫梁、8 根X型斜梁組成，長6 830 mm、寬90 mm、高140 mm。其幾何模型的主要尺寸如圖1 所示。材料為Q345-B，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，質(zhì)量密度ρ=7 850 kg/m3，抗拉強度極限σb的范圍為470 MPa～630 MPa，屈服強度極限σs=345 MPa。該材料為塑性材料，故選取極限屈服強度作為極限應(yīng)力，取強度安全系數(shù)n=1.4，則有許用應(yīng)力值［σ］=σs/n=247 MPa。

圖1 副車架的主要尺寸Figure 1 Main sizes of sub frame

1.2 模型建立

通過CATIA 軟件的三維建模功能，對副車架的幾何模型進行實體建模。為方便計算可對副車架作以下簡化處理:忽略非承載受力部件的影響;忽略部件上不需特別關(guān)注的小圓弧過渡等細節(jié);結(jié)構(gòu)中的焊接部分按理想焊接處理;去除副車架上非用于裝配的小孔結(jié)構(gòu)等［3］。

副車架的三維實體模型如圖2 所示。

圖2 副車架的三維實體模型Figure 2 Three dimensional solid model of sub frame

1.3 網(wǎng)格劃分

該副車架是由兩側(cè)縱梁與U 型鋼板焊接而成的，接觸部分是按理想焊接處理的，因此基于該結(jié)構(gòu)靜態(tài)特性分析的特點，選取SOLID45 號三維實體單元。劃分網(wǎng)格時，對于可能存在的應(yīng)力集中的位置處，網(wǎng)格可細密些，而對于非應(yīng)力集中處則可粗糙些，這會減輕對該結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變計算處理的工作量，提高效率。最終計算得出，副車架的有限元模型共有節(jié)點57 848 個，單元38 878個。副車架的有限元模型如圖3 所示。

圖3 副車架的有限元模型Figure 3 Finite element model of sub frame

2 靜力分析

2.1 基本載荷的確定

在分析副車架應(yīng)力時，主要施加載荷為混凝土的重量以及上裝部分空載的重量之和、各動力總成、駕駛室及成員總成。攪拌車滿載時，14 m3的混凝土的重量為3.36×105N，其上裝部分的空載重量取1.4×104N，故上裝部分總重量為3.5×105N，動力總成為0.4×104N，駕駛室及成員總成0.6×104N。經(jīng)計算，前支撐對副車架的載荷為289 862 N，后支撐對副車架的載荷為226 251 N。

2.2 典型工況的確定

攪拌車在行駛過程中常會遇到多種復(fù)雜工況，如平穩(wěn)運行、緊急制動、崎嶇不平路面上某一車輪被抬高而懸空等，針對這幾種實際情況進行以下工況分類，選擇動載系數(shù)。

(1)彎曲工況:攪拌車滿載時在路面上四輪著地平穩(wěn)運行，副車架主要承受彎曲載荷，產(chǎn)生彎曲變形，取動載系數(shù)1.5;

(2)制動工況:攪拌車滿載行駛時，緊急剎車制動，取制動加速度4 m/s2;

(3)扭轉(zhuǎn)工況:攪拌車滿載行駛時，右后輪駛上100 mm 的凸臺而懸空，其余車輪處于同一水平面上;

(4)彎扭聯(lián)合工況1:攪拌車滿載行駛在崎嶇不平路面上時，既受動載荷產(chǎn)生彎曲變形，同時右后輪產(chǎn)生100 mm 的懸空，其余車輪處于同一水平面上，取動載系數(shù)1.5;

(5)彎扭聯(lián)合工況2:攪拌車滿載行駛在崎嶇不平路面上時，既受動載荷產(chǎn)生彎曲變形，左前輪、右后輪同時產(chǎn)生100 mm 的懸空，其余車輪處于同一水平面，取動載系數(shù)1.5。

2.3 各工況下的應(yīng)力分析

副車架在各工況下的應(yīng)力如圖4 至圖8 所示。

副車架在各工況下的最大應(yīng)力的計算結(jié)果如表1 所示。

圖4 彎曲工況下副車架的應(yīng)力分布Figure 4 Stress distribution of sub frame under bending working condition

圖5 制動工況下副車架的應(yīng)力分布Figure 5 Stress distribution of sub frame under braking working condition

圖6 扭轉(zhuǎn)工況下副車架的應(yīng)力分布Figure 6 Stress distribution of sub frame under torsional working condition

圖7 彎扭工況1 下副車架的應(yīng)力分布Figure 7 Stress distribution of sub frame under bending and torsional working condition 1

圖8 彎扭工況2 下副車架的應(yīng)力分布Figure 8 Stress distribution of sub frame under bending and torsional working condition 2

表1 副車架在各工況下的最大應(yīng)力計算結(jié)果Table 1 Maximum stress calculated result of sub frame under various working conditions

從表1 計算結(jié)果可知，副車架在勻速行駛時的純彎曲工況、緊急剎車的制動工況和某輪駛上凸臺的純扭轉(zhuǎn)工況下，所受最大應(yīng)力值均遠小于許用應(yīng)力值247 MPa，說明在這三種工況下副車架是安全可靠的。最大應(yīng)力出現(xiàn)在副車架兩縱梁與主車架的連接處，這說明攪拌車在行駛過程中因為路面不平等原因引起的微小振動使得主副車架相互擠壓而產(chǎn)生應(yīng)力。對于在動載荷作用下某一輪被抬高的扭轉(zhuǎn)工況1，副車架受到扭轉(zhuǎn)力矩而產(chǎn)生較大的應(yīng)力，其最大應(yīng)力值已經(jīng)略微超過許用應(yīng)力。對于兩輪同時被抬高的極限扭轉(zhuǎn)工況2，其最大應(yīng)力值為301 MPa，仍然小于屈服極限345 MPa。

綜上所述，副車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計因為注重安全因素，遠遠超出剛度和強度的需求。為了使該副車架結(jié)構(gòu)更加合理、材料利用率更高，在后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計中適當降低安全系數(shù)，減輕車架質(zhì)量，以降低成本。

3 模態(tài)分析

模態(tài)分析就是確定結(jié)構(gòu)的振動特性，得到其固有頻率和振型的一個過程。固有頻率和振型特點是動載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要依據(jù)。對副車架結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，目的就是確定副車架的動態(tài)特性參數(shù)，提高結(jié)構(gòu)的可靠性和避免共振的產(chǎn)生。

本文模態(tài)提取方法采用Block Lanczos 法，該法適用于大型結(jié)構(gòu)對稱的質(zhì)量剛度矩陣，具有收斂快、處理大自由度、允許有質(zhì)量較差的實體單元等優(yōu)點。提取6 階頻率，各階頻率值如表2 所示。由于路面不平引起的激振頻率一般可取(1～20)Hz，該型號的攪拌車的發(fā)動機怠速工況激振頻率為(27.5～32)Hz，最大扭矩轉(zhuǎn)速激振頻率為(60～80)Hz［2］。

由表2 結(jié)果可知:1 階模態(tài)頻率為34.748 Hz，避開了路面的激振頻率;2 階模態(tài)頻率為39.025 Hz，在發(fā)動機怠速工況頻率范圍之外;4至6 階頻率均高于發(fā)動機最大頻率值80 Hz，并且各階振型平穩(wěn)未有突變發(fā)生。充分證明該副車架不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。各階振型如圖9 至圖14 所示。

4 結(jié)束語

本文運用CATIA 軟件對14 m3混凝土攪拌車副車架結(jié)構(gòu)進行了三維實體建模，并導(dǎo)入ANSYSY 進行有限元靜力分析，驗證得出副車架結(jié)構(gòu)的強度、剛度均滿足設(shè)計要求。并且還對該結(jié)構(gòu)進行了模態(tài)分析，從分析結(jié)果可知副車架沒有共振現(xiàn)象產(chǎn)生，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。為后續(xù)的拓撲優(yōu)化設(shè)計，改進副車架結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。

表2 副車架的各階頻率Table 2 Various phases frequencies of sub frame

圖9 副車架第1 階振型Figure 9 1st phase vibration model of sub frame

圖10 副車架第2 階振型Figure 10 2nd phase vibration model of sub frame

圖11 副車架第3 階振型Figure 11 Third phase vibration model of sub frame

圖12 副車架第4 階振型Figure 12 Fourth phase vibration model of sub frame

圖13 副車架第5 階振型Figure 13 Fifth phase vibration model of sub frame

圖14 副車架第6 階振型Figure 14 Sixth phase vibration model of sub frame

［1］董志明，潘艷君.混凝土攪拌運輸車副架的受力 分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.專用汽車，2008(05):47-49.

［2］夏宇輝.基于有限元法的攪拌車主副車架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計［D］.武漢理工大學，2011.

［3］汪偉，辛勇.車架有限元建模及模態(tài)分析［J］.機械設(shè)計與制造，2009(11):53-54.

［4］高耀東，劉學杰，周可璋.機械工程應(yīng)用精華30 例［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010.