劉麗娟, 王占英, 梁建明, 劉春東, 王少雷，耿明超

(河北建筑工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河北張家口，075000)

ZL30裝載機(jī)前車架靜力學(xué)有限元分析

劉麗娟, 王占英, 梁建明, 劉春東, 王少雷，耿明超

(河北建筑工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河北張家口，075000)

以車裝載機(jī)前車架為研究對(duì)象，利用ANSYS軟件對(duì)裝載機(jī)前車架模型進(jìn)行參數(shù)定義，對(duì)裝載機(jī)前車架進(jìn)行了滿載工況、滿載偏斜工況的靜態(tài)分析，為裝載機(jī)安全與節(jié)能設(shè)計(jì)提供了理論支持。

有限元；ANSYS；靜態(tài)分析

0 前言

輪式裝載機(jī)是一種用途較廣的工程機(jī)械，主要對(duì)散料進(jìn)行鏟裝，通常是在露天礦山或工程建設(shè)工地作業(yè)，工作環(huán)境惡劣、復(fù)雜，在作業(yè)過程中結(jié)構(gòu)件容易發(fā)生破壞失效。前車架作為裝載機(jī)支撐工作裝置的基礎(chǔ)件，其鉸接點(diǎn)的布局是否合理，會(huì)影響到工作裝置的工作性能。在作業(yè)過程中前車架會(huì)承受工作裝置傳來的載荷，在顛簸的路面行駛或者作業(yè)時(shí)，還會(huì)受到劇烈的沖擊載荷,容易發(fā)生破壞失效。所以前車架進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析、詳細(xì)了解前車架在主要工況條件下的強(qiáng)度及變形顯得尤為重要。

1 裝載機(jī)前車架幾何模型及網(wǎng)格劃分

在Solidworks中建立前裝載機(jī)前車架幾何模型，忽略裝載機(jī)前車架結(jié)構(gòu)中得一些配件安裝的輔助結(jié)構(gòu)，例如吊耳等，既有利于簡(jiǎn)化幾何建模，也有利于對(duì)幾何模型劃分網(wǎng)格，建立能夠求解的有限元模型。在建立幾何模型時(shí)，忽略對(duì)整體結(jié)構(gòu)分析產(chǎn)生較小影響的局部特征，將一些過渡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為原來的結(jié)構(gòu)形狀，同時(shí)將小孔以及倒角等特征簡(jiǎn)化為原實(shí)體，避免分析時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。前車架模型如圖1所示。

裝載機(jī)前車架的建模工作完成以后，將模型保存為ANSYS軟件可以識(shí)別的Model格式文件。選擇分析類型與單元類型，因?yàn)閷?duì)裝載機(jī)前車架進(jìn)行靜態(tài)與動(dòng)態(tài)分析，所以選擇結(jié)構(gòu)分析，同時(shí)選擇Solid中的20node 186，即SOLID186單元類型。確定材料參數(shù)，輸入彈性模量為2.05e5，泊松比為0.3，密度為7.85e-6。

采用智能分網(wǎng)，在對(duì)話框中，選擇Global，選擇Smart Size并調(diào)為5，選擇Volumes，其他選用默認(rèn)選項(xiàng)，單擊Mesh，選擇所有實(shí)體結(jié)構(gòu)，劃分網(wǎng)格自動(dòng)開始，待網(wǎng)格劃分完成，得到裝載機(jī)前車架的有限元模型，共劃分網(wǎng)格單元336784個(gè)，節(jié)點(diǎn)690967個(gè)，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 前車架幾何模型

圖2 前車架網(wǎng)格劃分

2 裝載機(jī)前車架有限元分析

2.1 滿載工況

利用ANSYS軟件對(duì)裝載機(jī)前車架施加作用力以及重力加速度，計(jì)算時(shí)約束右前輪UY、UZ，約束右后輪UY，約束左前輪UX、UY、UZ，約束左后輪UX、UY；釋放其他自由度（橫向：X，垂直：Y，縱向：Z）。進(jìn)行求解，有限元模型求解完畢后，進(jìn)行后處理查看模型求解結(jié)果，查看滿載應(yīng)力如圖3所示。

由圖3可以看出裝載機(jī)前車架所受的應(yīng)力比較均勻且比較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足材料的強(qiáng)度要求，雖然在約束位置處產(chǎn)生最大應(yīng)力，但也滿足材料的許用強(qiáng)度，所以裝載機(jī)前車架滿足在滿載工況下的要求，同時(shí)根據(jù)應(yīng)力與位移圖綜合考慮，可以減少非薄弱位置的材料，減輕自重，減少能耗。

2.2 滿載偏斜工況

扭轉(zhuǎn)工況分析與滿載工況類似，只需添加自由度約束即可，利用ANSYS軟件計(jì)算得出滿載偏斜應(yīng)力如圖4所示。由圖4可以看出，裝載機(jī)前車架整體應(yīng)力變化較小，總體受力較均勻，但發(fā)動(dòng)機(jī)的支撐點(diǎn)處，應(yīng)力最大，但仍小于裝載機(jī)前車架的屈服強(qiáng)度，所以裝載機(jī)前車架在扭轉(zhuǎn)工況下滿足使用要求。

圖3 滿載工況應(yīng)力圖

圖4 滿載偏斜工況應(yīng)力圖

3 總結(jié)

本文對(duì)裝載機(jī)前車架進(jìn)行了靜力學(xué)分析，根據(jù)分析結(jié)構(gòu)找到了前車架在不同工況下的變形和應(yīng)力分布情況，得到了其結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)了工作過程中通常認(rèn)為的危險(xiǎn)區(qū)域卻不是最危險(xiǎn)點(diǎn)，而容易被忽略的位置卻是需要在強(qiáng)度上加強(qiáng)的部位，為該類型裝載機(jī)前車架性能的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考資料。

[1]張明.輪式裝載機(jī)前車架的有限元分析. 陜西：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2013.

[2]牟昊.典型貨車車架結(jié)構(gòu)有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究. 湖北：武漢理工大學(xué)，2011.

[3]張紅松，胡仁喜等. ANSYS13.0有限元分析從入門到精通.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

Analysis about the Front Frame of Carrier ZL30 with Finite Element Method

Liu Lijuan，Wang Zhanying，Liang Jianming，Liu Chundong，Wang Shaolei，Geng Mingchao
( School of Mechanical Engineering , Hebei Univercity of Architecture,Zhangjiakou Hebei, 075000)

The frame of a fuel tanker is studied. The parameter of the frame is defined by ANSYS. The static analysis of the frame includes the situation of bending, torsion, barking and swerve provide theoretical support for the automobile design of security and energy saving.

Finite element；ANSYS；Static analysis

張家口市科技計(jì)劃自籌經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（1521007B，1621009B），河北建筑工程學(xué)院博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（B-201603）。

劉麗娟，女，1984年出生，河北張家口人，碩士，從事機(jī)械結(jié)構(gòu)教學(xué)和研究工作。