龍泉，崔龍，任玉曉，譚明敏

(湖南汽車制造有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410100)

攪拌車主副車架聯(lián)接仿真研究

龍泉，崔龍，任玉曉，譚明敏

(湖南汽車制造有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410100)

由于工程機(jī)械整車模型龐大，螺栓一般處理為無預(yù)緊力的1d或3d單元。這樣處理模型能夠在一定程度上減少計(jì)算規(guī)模，但設(shè)計(jì)者無法較好地關(guān)注螺栓及連接板處的真實(shí)應(yīng)力。建立了3種不同的螺栓及連接板CAE模型，模擬3種典型工況，對比研究其應(yīng)力及分布情況，對螺栓的仿真分析有重要的參考價(jià)值。

攪拌車；車架；聯(lián)接；螺栓；預(yù)緊力；仿真

0 引言

螺栓被稱為工業(yè)之米，在工業(yè)上負(fù)有重要任務(wù)，廣泛用于日常生活和工業(yè)生產(chǎn)制造中。在螺栓的故障中，擰緊不良占43%，松動(dòng)占20%，疲勞破壞占12%。擰緊力矩和預(yù)緊力對螺栓的正確使用有重要意義。但是在仿真分析中，螺栓及預(yù)緊力經(jīng)常被忽略，尤其是在重工業(yè)的整車模型中，由于系統(tǒng)復(fù)雜，螺栓繁多，經(jīng)常將螺栓簡化處理。通過建立不同的螺栓模型，對比施加預(yù)緊力前后的螺栓及連接板應(yīng)力，研究不同模型在各種工況下的應(yīng)力分布。

1 螺栓、連接板3D及CAE模型

主副車架是工程機(jī)械的重要組成部分，起著承載整車的作用。上、下連接板分別固定于主、副車架上，兩者依賴于高強(qiáng)度螺栓連接成整體。其主要結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 3D模型

文中建立了3種螺栓模型，主、副車架及橫梁均為2d殼單元，僅螺栓與連接板建模方式不同，如圖2-圖4所示，分別為：

模型1—螺栓1d單元(rigid+bar)+連接板2d單元[1]；

模型2—螺栓及連接板均為3d單元，在接觸區(qū)域建立接觸單元，無螺栓預(yù)緊力；

模型3—螺栓及連接板均為3d單元，在接觸區(qū)域建立接觸單元。螺栓施加預(yù)緊力方式：螺桿和螺帽通過耦合方程等方法使螺桿和螺帽上的節(jié)點(diǎn)在沿螺桿軸線上的位移自由度相互獨(dú)立，并在螺桿和螺帽上分別施加大小相等、方向相反的集中力[2]。

圖2 模型1CAE模型

圖3 模型3CAE模型(預(yù)緊)

圖4 螺栓1d單元

圖5 螺栓3d單元(預(yù)緊)

2 理論模型

a) 螺栓的預(yù)緊力

模型使用的是8.8級M14的粗牙螺栓。國標(biāo)(汽車用螺栓緊固件緊固扭矩)中推薦擰緊力矩為122N·m～149N·m[3]，取140N·m。計(jì)算螺栓預(yù)緊力：

T=K·F·d[4]

其中：K為扭矩系數(shù)，對于不加潤滑劑的滾壓鍍鋅外螺紋，取0.25；F為預(yù)緊力；T為螺栓擰緊力矩；d為螺栓直徑，此處為0.014m。

在模型2、3中(3d單元)，無潤滑劑條件下鋼-鋼摩擦系數(shù)μ=0.15[5]。因此螺栓與連接板之間的接觸單元中摩擦系數(shù)為0.15。

b) 約束與載荷(表1)

表1 各工況約束與載荷明細(xì)表

注：Q表示攪拌筒及混凝土總質(zhì)量

3 仿真結(jié)果分析

3.1 螺栓、連接板及主副車架應(yīng)力對比如圖6、圖7和圖8所示。

對模型中15個(gè)關(guān)注區(qū)域進(jìn)行取值對比，見表2。

表2 螺栓、連接板及主副車架VonMises應(yīng)力對比表 MPa

圖6 模型1、2、3的垂直動(dòng)載應(yīng)力對比云圖

圖7 模型1、2、3的轉(zhuǎn)向應(yīng)力對比云圖

圖8 模型1、2、3的制動(dòng)應(yīng)力對比云圖

分析：1)模型1與模型2均未施加預(yù)緊力，雖然應(yīng)力分布較為相似，但是關(guān)注區(qū)域的最大值有一定的差別。例如，在重載時(shí)，因?yàn)檩d荷垂直向下壓，螺栓在上、下連接板中基本無拉應(yīng)力，因此連接板及主副車架應(yīng)力應(yīng)較小。而模型1中的模擬螺栓的rigid+bar單元的限制，剛性連接使得模型產(chǎn)生較大的應(yīng)力；2)模型3中的螺栓施加了預(yù)緊力，關(guān)注區(qū)域應(yīng)力均大于模型1、2。實(shí)際上，單個(gè)螺栓在受40000N的拉力的情況下，應(yīng)力約為260MPa。而模型1、2中螺栓應(yīng)力基本未超過260MPa，計(jì)算出的應(yīng)力值整體偏小。相比之下，模型3的計(jì)算結(jié)果更符合工程實(shí)際應(yīng)用。

3.2 螺栓剪切應(yīng)力分析(表2)

按模型從左到右順序，比較模型2、3中單邊5根螺栓的剪切應(yīng)力，如圖9、圖10和圖11所示。

表2 模型2與模型3中螺栓剪切應(yīng)力對比表 MPa

圖9 模型2、3垂直重載螺栓剪切應(yīng)力云圖

分析：1) 在加載的過程中，主、副車架在水平方向上發(fā)生一定程度的竄動(dòng)。所有工況中，螺栓均承受剪切力；2) 施加預(yù)緊力的螺栓會產(chǎn)生一定程度的傾斜，因此施加了預(yù)緊力的螺栓的剪切應(yīng)力大于未施加預(yù)緊力的螺栓的剪切應(yīng)力。

圖10 模型2、3轉(zhuǎn)向螺栓剪切應(yīng)力云圖

圖11 模型2、3制動(dòng)螺栓剪切應(yīng)力云圖

4 結(jié)語

通過螺栓及連接板在各工況下的應(yīng)力對比，得出以下結(jié)論：

1)1d模型與未施加預(yù)緊力的3d模型在部分工況中應(yīng)力結(jié)果失真，施加預(yù)緊力的3d模型中螺栓與連接板應(yīng)力水平較高，同時(shí)也驗(yàn)證了實(shí)際工程中螺栓及連接板的故障模式，該方法可輔助螺栓及連接板的設(shè)計(jì)。

2) 通過仿真分析，模型中連接架的形式，使得螺栓在承拉的同時(shí)，也承受著較大的剪切力，直接影響著螺栓的可靠性。

5 展望

1)可以建立更多的螺栓模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)中測出的各工況下的應(yīng)力，與仿真應(yīng)力進(jìn)行對比，找出與真實(shí)應(yīng)力最接近的模型。

2)研究不同連接架的結(jié)構(gòu)形式對螺栓可靠性的影響。

[1] 于開平,周傳月,譚惠豐，等. hypermesh從入門到精通[M]. 北京：科學(xué)出版社,2005.

[2] 王春寒. 在ANSYS軟件中高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力的施加方法[J]. 四川建筑，2006，26(1)：140-142.

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[5] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M]. 第四版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

Simulation Research on Connection of Frame and Sub-frame for Truck Mixer

LONG Quan, CUI Long, REN Yuxiao, TAN Mingmin

(R&D Institute of SANY Hunan Automobile Manufacturing Co., Ltd., Changsha 410100,China)

Because of huge CAE model in simulation of engineering machine, 1d or 3d elements are used for bolts without preload in order to reduce the calculation scale in certain extent. Consequently, it is difficult to get the real stress of bolts and connecting plates comprehensively. This paper builds 3 types of CAE model for the bolts and connecting plates, simulates 3 kinds of typical conditions and compares the stress and distribution. It is of important reference value for the bolts simulation.

truck mixer; fram; connection; bolt; preload ;simulation

龍泉(1985-)，女，湖北鄂州人，工程師，碩士，研究方向：攪拌車副車架及連接設(shè)計(jì)。

TH131; TP391.9

A

1671-5276(2015)05-0119-03

2014-02-24