董世鋼

(長(zhǎng)春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校，長(zhǎng)春 130013)

0 引言

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度的不斷提高，糧食的運(yùn)輸量越來越大，糧運(yùn)市場(chǎng)上對(duì)重型掛車的需求也越來越高，而目前我國(guó)使用的掛車制動(dòng)系統(tǒng)還較為落后，嚴(yán)重制約了農(nóng)用掛車的發(fā)展，因此對(duì)農(nóng)用掛車氣動(dòng)系統(tǒng)的研究具有重要意義。當(dāng)前，我國(guó)采用的掛車系統(tǒng)大部分是進(jìn)口的，很少對(duì)其局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析或者改進(jìn)，因此對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)部件具體特性的分析對(duì)整套制動(dòng)系統(tǒng)性能的研究有著極為重要的作用。彈簧是農(nóng)用掛車剎車系統(tǒng)四路保護(hù)閥使用的核心器件之一，而四路保護(hù)閥是保證農(nóng)業(yè)掛車剎車系統(tǒng)可以正常作用的重要因素。本研究采用了ANSYS仿真分析軟件對(duì)其展開分析，對(duì)于整個(gè)農(nóng)業(yè)掛車剎車系統(tǒng)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 農(nóng)用掛車氣壓制動(dòng)系統(tǒng)分析

農(nóng)用掛車屬于重型汽車，其剎車系統(tǒng)和普通轎車的剎車系統(tǒng)有所不同。在掛車系統(tǒng)上除了有駐車制動(dòng)外，還有單獨(dú)的牽引掛車制動(dòng)手柄，這樣才能保證車頭和牽引掛車剎車的同時(shí)制動(dòng)性能。

圖1為全車制動(dòng)系統(tǒng)原理圖。為了保證剎車的獨(dú)立性，氣動(dòng)制動(dòng)分為4個(gè)回路，包括前橋系統(tǒng)、中橋系統(tǒng)和停車與輔助制動(dòng)系統(tǒng)。4個(gè)回路采用四回路保護(hù)閥的方法，防止單獨(dú)一路發(fā)生故障對(duì)其他回路造成影響。

圖1 全車制動(dòng)系統(tǒng)原理圖

圖2為農(nóng)用掛車制動(dòng)的過程原理圖。在制動(dòng)踏板的作用下，制動(dòng)氣進(jìn)入剎車系統(tǒng)，使剎車系統(tǒng)瞬間獲得較大的制動(dòng)力；抬起制動(dòng)踏板后，外界大氣壓和制動(dòng)系統(tǒng)大氣壓相通，制動(dòng)結(jié)束。

為了保證剎車系統(tǒng)的正常工作，剎車系統(tǒng)安裝有4路保護(hù)閥，4個(gè)回路以并聯(lián)或者串聯(lián)的方式彼此可以反饋信息，閥門的開啟主要是由腔體傳過來的壓力 彈簧的預(yù)緊力決定的。彈簧是農(nóng)用掛車剎車系統(tǒng)四路保護(hù)閥使用的核心器件之一，其性能的好壞直接關(guān)系到四路保護(hù)閥(見圖3)的作業(yè)性能，因此對(duì)其力學(xué)和變形等性能的分析非常重要。本研究采用了ANSYS仿真分析軟件對(duì)其展開研究，得到了較好的效果。

圖2 制動(dòng)過程原理圖

圖3 四路保護(hù)閥結(jié)構(gòu)

2 氣壓制動(dòng)預(yù)緊彈簧應(yīng)力應(yīng)變分析模型和流程

UT=[U1U2…U(2i-1)U2i…U2n]

(1)

對(duì)于每個(gè)三角形單元，都有3個(gè)節(jié)點(diǎn)和其關(guān)聯(lián)，假設(shè)節(jié)點(diǎn)的序號(hào)為i、j、k，則三角形單元沿著x和y軸方向的位移變形示意圖如圖4所示。

圖4 三角形單元節(jié)點(diǎn)位移示意圖

圖4中，其位移和3個(gè)節(jié)點(diǎn)相關(guān)。位移表達(dá)式為

(2)

(3)

從幾何意義來說，利用這種近似方法具有一定的誤差。這就是因?yàn)閷?shí)際的單元是一系列復(fù)雜的曲面，用平面來代替必然存在一定的誤差；但是，如果將平面單元?jiǎng)澐譃楹芏嘈〉钠矫?，便可以近似的代替曲面。因此，將?jié)點(diǎn)位移可以寫成矩陣的形式

(4)

如公式(4)所示，利用矩陣表達(dá)式可以將待定系數(shù)用位移來表示，于是公式(3)可以寫成

u(x,y)=N1u1+N2u2+N3u3

(5)

(6)

a1、b1、c1分別為

a1=x2y3-x3y2,b1=y2-y3,c1=-x2+x3

(1→2→3→1)(7)

A表示單元的面積，其表達(dá)式為

(8)

其他N2、N3的式子也用類似的方法可以得到。(1→2→3→1)表示循環(huán)交換，同理可得

v(x,y)=N1v1+N2v2+N3v3

(9)

綜合起來可得

(10)

其中

(11)

通過上述方法，可以將連續(xù)體上的位移用很多有限單元的位移來表示，將一個(gè)未知求解問題轉(zhuǎn)換成很多個(gè)未知求解問題，從而完成有限單元的離散化，具體流程如圖5所示。

圖5 ANSYS仿真優(yōu)化計(jì)算流程

采用ANSYS軟件對(duì)農(nóng)用掛車氣壓制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，主要包括前處理和后處理兩部分。前處理首先是采用Pro/E軟件建立仿真模型，然后對(duì)模型進(jìn)行有限單元網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分完成后需要根據(jù)氣動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際作業(yè)情況施加邊界約束和實(shí)際作業(yè)載荷。前處理完成后便可以采用ANSYS軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算完成后開始后處理操作，通過后處理可以得到應(yīng)力、應(yīng)變和實(shí)際變形等設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)。

3 農(nóng)用掛車氣壓制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)軟件，可以使用在流體、電磁、結(jié)構(gòu)及傳熱等仿真分析領(lǐng)域，歷年在FEA軟件評(píng)選中都是第一，其功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單，是目前最流行的仿真分析軟件之一。為了驗(yàn)證ANSYS分析軟件在農(nóng)用掛車制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化中使用的可行性，以制動(dòng)系統(tǒng)預(yù)緊彈簧的分析為例，通過應(yīng)力和變形云圖的分析，將農(nóng)用發(fā)動(dòng)機(jī)氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的預(yù)緊彈簧工作過程生動(dòng)直觀地表達(dá)出來。

如圖6所示，本分析以農(nóng)用掛車氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的預(yù)緊彈簧分析為例，利用Pro/E 軟件建立了彈簧的分析模型，并對(duì)模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，最終得到了如圖7所示的模型效果圖。

圖6 農(nóng)用掛車實(shí)際車型圖

圖7 預(yù)緊彈簧模型效果圖

在劃分好網(wǎng)格的彈簧模型上可以施加約束和載荷，為了使仿真和實(shí)際效果相吻合，將底部彈簧固定，頂部彈簧施加氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際預(yù)緊載荷，通過分析得到了如圖8所示的分析結(jié)果。

圖8 預(yù)緊彈簧應(yīng)力云圖及結(jié)構(gòu)變形圖

由圖8可知：利用ANSYS計(jì)算得到的氣壓制動(dòng)系統(tǒng)預(yù)緊彈簧的最大變形量為28.06mm，與實(shí)際計(jì)算得到的27.82相差不大，從而驗(yàn)證了仿真的可靠性。為了使仿真結(jié)果更加直觀，輸出了彈簧的實(shí)際變形，如圖9所示。

圖9 預(yù)緊彈簧實(shí)際變形

ANSYS還具有輸出模型實(shí)際變形的功能。通過圖7得到的最大位移和應(yīng)力位置，在圖9中可以重點(diǎn)來考察其實(shí)際變形情況，結(jié)果更加生動(dòng)形象，便于農(nóng)用掛車氣動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)人員參考設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

彈簧是農(nóng)用掛車剎車系統(tǒng)四路保護(hù)閥使用的重要器件，其性能直接關(guān)系到整個(gè)掛車氣制動(dòng)系統(tǒng)的性能，本次研究采用ANSYS有限元仿真的方法對(duì)其動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了仿真研究。首先采用Pro/E軟件建立了剎車氣動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的預(yù)緊彈簧三維模型，然后利用四面體網(wǎng)格形式劃分了彈簧的網(wǎng)格，最后根據(jù)掛車制動(dòng)時(shí)的實(shí)際作業(yè)狀態(tài)，施加了彈簧約束和力學(xué)載荷，得到了彈簧動(dòng)作的仿真結(jié)果。由仿真結(jié)果可以得到彈簧在實(shí)際動(dòng)作時(shí)的應(yīng)力和變形云圖，并且還可以將彈簧的實(shí)際變形直觀地表達(dá)出來，從而驗(yàn)證了方案的可行性。

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