李樹珉，焦宇飛，王　虎，白云川，趙　磊

(軍事交通學(xué)院　a.外訓(xùn)系; b.研究生管理大隊(duì); c.軍用車輛系, 天津　300161)

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汽車安全性能檢測艙吊裝工況下的有限元分析

李樹珉a，焦宇飛b，王虎c，白云川c，趙磊b

(軍事交通學(xué)院a.外訓(xùn)系;b.研究生管理大隊(duì);c.軍用車輛系, 天津300161)

摘要：為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)研發(fā)中汽車安全性能檢測艙在該工況下的強(qiáng)度與剛度是否滿足要求，利用ANSYS Workbench對檢測艙進(jìn)行有限元計(jì)算，建立了檢測艙有限元模型，確定檢測艙材料屬性與網(wǎng)格劃分方法，通過受力分析得到施加載荷，進(jìn)而計(jì)算出檢測艙的應(yīng)力與應(yīng)變變化量；通過對有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證所建立的有限元模型的正確性。

關(guān)鍵詞：汽車安全性能檢測艙；有限元分析；試驗(yàn)驗(yàn)證

本文引用格式：李樹珉，焦宇飛，王虎，等.汽車安全性能檢測艙吊裝工況下的有限元分析[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(6):110-113.

Citationformat:LIShu-min,JIAOYu-fei,WANGHu,etal.StaticFiniteElementAnalysisofVehicleSafetyPerformanceTestShelterUnderLiftingConditionandExperimentVerification[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(6):110-113.

隨著汽車檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，移動(dòng)檢測在汽車檢測中發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。汽車安全性能檢測艙，是將檢測設(shè)備與移動(dòng)方艙有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多軸、重型車輛的移動(dòng)檢測,對我國車輛移動(dòng)檢測行業(yè)的發(fā)展有著重要作用。以往對于檢測艙結(jié)構(gòu)的研究，僅限于帶有支腿結(jié)構(gòu)的第一代檢測艙，陳成法[2]利用靜應(yīng)力試驗(yàn)測出該檢測艙支腿結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化，夏均忠[3]利用SolidWorks對其進(jìn)行建模并進(jìn)行了有限元分析，這些研究都沒有將有限元與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)對比分析凸顯有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，并且這些研究都不涉及吊裝工況。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，檢測艙在吊裝工況下，由于自身重力與吊裝設(shè)備的影響，危險(xiǎn)系數(shù)最高，容易發(fā)生應(yīng)力集中與結(jié)構(gòu)變形，因此很有必要對該工況下檢測艙結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度進(jìn)行分析，檢驗(yàn)檢測艙自身的安全性。

1　汽車安全性能檢測艙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

汽車安全性能檢測艙結(jié)構(gòu)主要由箱體、檢測平臺(tái)、附屬設(shè)備和控制系統(tǒng)四部分構(gòu)成，如圖1所示。

箱體結(jié)構(gòu)通過20英尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱改裝而成，由前端、后端、頂端、底端與側(cè)壁等部件組成，尺寸為6 058mm(長)×2 438mm(寬)×2 438mm(高)，可滿足自裝卸、叉裝、吊裝等多種裝卸方式。檢測平臺(tái)是檢測艙的主體部分，主要承擔(dān)著車輛的檢測任務(wù)，由復(fù)合檢測臺(tái)、舉升機(jī)構(gòu)、側(cè)滑臺(tái)、上下車引橋及翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等部件組成。

圖1　汽車安全性能檢測艙結(jié)構(gòu)

2　有限元分析

2.1模型的建立

在進(jìn)行有限元分析前，必須建立檢測艙的有限元模型。有限元模型是進(jìn)行限元分析的基礎(chǔ)，對有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大的決定性作用[4]。在汽車安全性能檢測艙建模過程中，首先對檢測艙進(jìn)行簡化，去除艙門以及門窗玻璃這樣的輔助結(jié)構(gòu)，省略非承載件，略去不重要部位的小孔與輪廓尺寸。針對箱體結(jié)構(gòu)采用板殼單元結(jié)構(gòu)，針對檢測平臺(tái)結(jié)構(gòu)采用實(shí)體建模方法，并用耦合法模擬焊接，最終建立檢測艙結(jié)構(gòu)有限元模型，如圖2所示。

圖2　檢測艙有限元模型

2.2定義材料屬性

檢測艙在制造加工過程中，不同部位采用不同材料制成。箱體由Q235梁焊接成箱體基本骨架，再在骨架基礎(chǔ)上增加由鋁合金材料焊接的內(nèi)外蒙皮，并在骨架與蒙皮之間填充聚氨酯泡沫材料，起到保溫堅(jiān)固的目的，最后組裝附件，打砂噴漆。檢測平臺(tái)則是由碳素鋼的長短梁組焊而成檢測平臺(tái)框架，同時(shí)用20號(hào)鋼作軸頭45號(hào)鋼作筒體焊接滾筒，并用45號(hào)鋼焊接引板翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，最后進(jìn)行噴漆組裝。檢測艙材料參數(shù)具體特性如表1所示。

表1　檢測艙材料特性

2.3網(wǎng)格劃分

在ANSYSWorkbench網(wǎng)格劃分中，由于六面體網(wǎng)格，品質(zhì)較好，但劃分難度較大，四面體精度較低但比較容易劃分[5]，因此在劃分過程中采用以六面體為主導(dǎo)，四面體輔助的劃分方法，將檢測艙劃分為263 881自由度、84 627節(jié)、60 654 單元格。劃分后模型如圖3所示。

圖3　網(wǎng)格劃分

2.4載荷施加

在吊裝工況中，起吊設(shè)備(自裝卸車、龍門吊)將檢測艙從運(yùn)載車上吊裝至指定位置。吊裝過程一般由4個(gè)鐵鉤或起吊塊分別緊扣4個(gè)角件，通過兩根鏈條連接起吊設(shè)備，勻速將檢測艙吊起，其過程如圖4所示。

圖4　檢測艙吊裝過程示意圖

選取檢測艙空中時(shí)刻作為受力狀態(tài)進(jìn)行分析，得到受力示意圖如圖5所示。

圖5　吊裝過程受力示意圖

由力的平衡方程得：

(1)

其中F1、F2、F3、F4分別為4掛鉤上的力，a、b、c分別為箱體寬度、高度與鏈條長度。檢測艙整體質(zhì)量為10 755.71kg，取g=9.8m/s2得G=105 406N。根據(jù)設(shè)計(jì)方案與相關(guān)數(shù)據(jù)知a=2 438mm, c=3 000mm，代入數(shù)據(jù)得F1=27 652N,F2=27 225N,F3=30 015N,F4=30 312N。將計(jì)算載荷代入ANSYSWorkbench中，可得到其載荷施加圖6所示。

圖6　載荷施加示意圖

2.5結(jié)果求解

通過添加材料，劃分網(wǎng)格，施加載荷，求解后得出箱體主應(yīng)力應(yīng)變與各方向應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D7～圖9所示。

圖7　吊裝工況總的應(yīng)變與應(yīng)力

圖8　x方向上應(yīng)變與應(yīng)力

圖9　z方向應(yīng)變與應(yīng)力

3　試驗(yàn)安排及結(jié)果分析

3.1試驗(yàn)方法及裝置

為了準(zhǔn)確獲得檢測艙應(yīng)變變化情況，檢驗(yàn)檢測艙自身的剛度與強(qiáng)度，必須進(jìn)行靜應(yīng)力試驗(yàn)[6]。同時(shí)，可以將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證有限元分析的準(zhǔn)確性。

采用應(yīng)變電測法對檢測艙進(jìn)行靜應(yīng)力試驗(yàn)，通過粘貼在不同部位的應(yīng)變片將結(jié)構(gòu)變形應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電流的變化，傳遞至應(yīng)變測量系統(tǒng)DAQ上，DAQ讀取采集數(shù)據(jù)并通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化接口轉(zhuǎn)換成微應(yīng)變的變化還在計(jì)算機(jī)終端顯示[7]。試驗(yàn)布置如圖10所示。

圖10　試驗(yàn)布置圖

試驗(yàn)過程主要包括，應(yīng)變片的粘貼、測試系統(tǒng)的布置、測點(diǎn)的選擇、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與分析。其中，測點(diǎn)的選擇是試驗(yàn)的關(guān)鍵，關(guān)乎試驗(yàn)成敗。因此，在測點(diǎn)選取過程中不僅需要顧慮到有限元分析過程中比較有代表性的位置，還必須考慮檢測艙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，實(shí)際試驗(yàn)成本代價(jià)及試驗(yàn)儀器特性，全方位反映檢測艙實(shí)際應(yīng)變變化。結(jié)合以上因素，選取11個(gè)點(diǎn)作為測試點(diǎn)，測點(diǎn)布置如圖11所示。

圖11　艙體測點(diǎn)布置圖

3.2試驗(yàn)結(jié)果對比分析

布置好測點(diǎn)后，經(jīng)過測量得到起吊工況下不同測點(diǎn)數(shù)據(jù)連線圖如圖12～圖14所示。

由圖12～圖14可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)起吊工況過程大致是：起吊，等待，放下。測點(diǎn)在起吊工況中，計(jì)算值與試驗(yàn)值對比如表1所示。由圖12和表1知，檢測平臺(tái)上的測點(diǎn)1，2，3在檢測艙起吊過程中，由于箱體的變形導(dǎo)致檢測平臺(tái)受力，產(chǎn)生微小變形，其形變均在5με以下，與計(jì)算值最大誤差在9.36%，測點(diǎn)4與5處于箱體底部，應(yīng)變變化較小，這也與有限元分析結(jié)果相一致。測點(diǎn)6在起吊過程最大應(yīng)變?yōu)?8.596με，位于檢測艙寬度方向與有限元分析值33.402με相差31.26%。在測點(diǎn)7位于長度方向靠近起吊塊測點(diǎn)，最大測試值為5.707με與分析值很接近，測點(diǎn)8位于箱體長度中部，最大應(yīng)變?yōu)?5με，與有限元分析值18.563με相差23.7%。在長度方向上靠近中間比兩邊變形更大一些。測點(diǎn)6的變形比長度方向變形更大，說明檢測箱體在寬度方向應(yīng)變比長度方向變化大，這與有限元分析結(jié)果相一致。測點(diǎn)9～11計(jì)算值與測試值均在合理誤差范圍內(nèi)。

圖12　起吊工況1～5點(diǎn)應(yīng)變變化

圖13　起吊工況6～9點(diǎn)應(yīng)變變化

圖14　起吊工況10～11應(yīng)變變化

測點(diǎn)應(yīng)變值計(jì)算最大值/με測試最大值/με差值/%11.9962.2029.3624.5834.5031.7831.6571.8158.7043.5283.2967.0455.6726.37711.06633.40248.59631.2675.3925.7075.52818.56315.02123.7097.2558.14810.96105.0395.5158.63111.9202.19212.41

由試驗(yàn)分析可知，試驗(yàn)值與分析值最大相差31.26%。出現(xiàn)偏差的原因在于一方面建模過程中簡化忽略了部分邊界結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在有限元分析過程中，結(jié)構(gòu)承受應(yīng)變與實(shí)際有所不同，另一方面在試驗(yàn)中，由于起吊機(jī)起吊過程中有一定加速度。但由于應(yīng)變單位屬于微應(yīng)變值，這些誤差對于檢測艙實(shí)際長度微乎其微，因此檢測艙有限元模型是準(zhǔn)確的，結(jié)果分析值也是可信的。

4　結(jié)論

本文借助于有限元分析與試驗(yàn)研究兩種手段，分析了檢測艙在吊裝工況下的應(yīng)變變化情況，通過分析得出如下結(jié)論：

1) 本文考慮了檢測艙的結(jié)構(gòu)特征，針對不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了檢測艙結(jié)構(gòu)的有限元模型，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，表明本文建立的模型能夠有效反映實(shí)際結(jié)構(gòu)。

2) 通過對比有限元分析結(jié)果與檢測艙應(yīng)力極限，得出檢測艙結(jié)構(gòu)在吊裝工況下，實(shí)際值并未超過極限值，但在靠近起吊點(diǎn)位置應(yīng)力相對較為集中，應(yīng)該在該位置附近進(jìn)行加固。

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(責(zé)任編輯唐定國)

doi:【機(jī)械制造與檢測技術(shù)】10.11809/scbgxb2016.06.026

收稿日期：2015-10-23；修回日期：2016-12-25

作者簡介：李樹珉(1962—)，男，高級工程師，主要從事軍用車輛檢測研究。

中圖分類號(hào)：U169.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-2304(2016)06-0110-05

StaticFiniteElementAnalysisofVehicleSafetyPerformanceTestShelterUnderLiftingConditionandExperimentVerification

LIShu-mina,JIAOYu-feib,WANGHuc,BAIYun-chuanc,ZHAOLeib

(a.ForeignTrainingDepartment;b.PostfraduateTrainingBridge;c.MilitaryVehicleDepartment,MilitaryTransportationUniversity,Tianjin300161,China)

Abstract:In order to examine if the strength and stiffness of vehicle safety performance test shelter which is designing under the lifting condition satisfies requirement, using ANSYS Workbench analysis safety performance test shelter, finite element model was established, and the test shelter’s material properties were defined, and through analyzing stress the load was obtain, and then the stress and strain changing were got. The accuracy of modal was verified by comparing the result with static stress test results.

Key words:vehicle safety performance test shelter; finite element analysis; experimental verification