孫小軍 仇曉明 王艷輝 趙得智

1 徐州徐工隨車起重機有限公司 江蘇徐州 221000；2 燕山大學機械工程學院 河北秦皇島 066000

1 引言

道路清障車是一款用于道路清障的專用汽車[1]。道路清障車能將事故車輛以及違規(guī)?？康能囕v迅速拖走，在保持道路通暢方面具有非常重要的作用。托舉裝置是道路清障車中最主要的工作機構(gòu)之一，主要是對事故或違規(guī)車輛進行托舉和牽引[2]。

目前國內(nèi)很多清障車的設計研發(fā)人員還是采用傳統(tǒng)的方法對清障車的各部件進行設計，也有一部分設計人員在清障車設計過程中使用了有限元方法[3]。但是，對于一些復雜結(jié)構(gòu)的設計大多是先對模型進行簡化，然后進行粗略計算，計算出的結(jié)果一般不能反映結(jié)構(gòu)真實的應力情況，這就給設計的產(chǎn)品帶來一定的安全隱患。有限元方法[4]可以準確地展示復雜結(jié)構(gòu)整體的應力狀態(tài)，借助有限元分析還可以對結(jié)構(gòu)進行合理的改進和優(yōu)化[5]。因此，運用有限元方法對清障車進行深入研究十分必要。

本文利用ANSYS中的APDL語言建立某重型道路清障車托臂結(jié)構(gòu)的參數(shù)化有限元模型，選取Solid實體單元建立臂體有限元模型，采用面面接觸單元模擬各節(jié)臂體與滑塊之間的滑動副，利用Link單元模擬液壓缸的伸縮，使用Beam單元模擬銷軸的轉(zhuǎn)動。選取托臂的典型工況進行應力試驗，驗證有限元計算結(jié)果的準確性。

2 托臂結(jié)構(gòu)簡介

托臂結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由圖可見，托臂由托臂變幅油缸、垂直伸縮油缸、雙胞胎油缸、小變幅油缸、垂直基本臂、垂直一伸臂、水平基本臂、水平一伸臂、水平二伸臂、擺臂、托舉輔具和其他各附件組成。垂直基本臂上鉸點通過變幅油缸與車架連接；垂直基本臂下鉸點通過銷軸與車架托臂安裝座鉸接；垂直基本臂與垂直一節(jié)臂通過垂直伸縮油缸連接；水平基本臂與垂直一伸臂通過銷軸鉸接，利用小變幅油缸控制水平臂的變幅；三節(jié)水平臂之間的連接是通過雙胞胎伸縮油缸來實現(xiàn)。以豎直平面為基準，托臂垂直臂可實現(xiàn)-10°～10°的變幅角度。以水平面為基準，托臂水平臂可實現(xiàn)-10°～90°的變幅角度。

圖1 托臂結(jié)構(gòu)示意圖

托臂結(jié)構(gòu)所用材料主要為鋼板和尼龍，其中鋼板共采用了5種類型。托臂結(jié)構(gòu)所采用材料的特性參數(shù)如表1所示。

表1 材料特性參數(shù)

3 有限元模型

3.1 建立有限元模型

托臂為復雜的焊接結(jié)構(gòu)，若按實際結(jié)構(gòu)建立參數(shù)化模型，將會導致有限元局部網(wǎng)格質(zhì)量較差，影響計算精度甚至無法計算，所以在建立有限元模型時需要對結(jié)構(gòu)進行簡化。結(jié)構(gòu)簡化主要包括以下幾個方面：第一，省略尺寸較小且不影響結(jié)構(gòu)受力的零件及特征；第二，省略螺母、螺栓、螺釘?shù)冗B接件；第三，某些板材是折彎板，省略折彎圓角。

建立有限元模型時，選擇的單元類型是否恰當決定著模型是否能夠進行求解，也決定著求解結(jié)果的精度。通常，在保證計算精度的前提下，應盡量選擇維數(shù)低的單元去獲取預期的結(jié)果，減少求解所用時間。本模型中主要采用了Targe170、Conta173、Link180、Solid185、Beam188、Mesh200 單元，通過 ANSYS 內(nèi)部的APDL參數(shù)化建模語言，采用自底向上的建模方法建立托臂有限元模型。

3.2 約束及加載

約束：在托臂與車架連接的油缸端部施加UX、UY、UZ 3個方向的平動約束；在托臂下鉸點銷軸的兩端施加UX、UY、UZ 3個方向的平動約束。

加載：在托載輔具上加載對稱的托舉載荷并考慮托臂自重。托臂約束及加載模型如圖2所示。

3.3 工況分析

選取垂直臂變幅-10°、0°和10°，托臂全伸及全縮共計6種典型工況進行計算，各工況詳細參數(shù)如表2所示。

表2 托臂工作典型工作狀態(tài)列表

3.4 各節(jié)臂體強度分析

根據(jù)6種典型工況的計算結(jié)果，找出各節(jié)臂體的最大受力工況，對受力最大時的各節(jié)臂體進行分析，確定其強度是否滿足設計要求。各節(jié)臂體受力最大時的等效應力云圖如圖3所示。

圖3 各臂體最大等效應力云圖

根據(jù)圖3各臂體最大等效應力云圖可知，垂直一伸臂、水平基本臂、水平一伸臂、水平二伸臂的最大等效應力均小于材料的許用應力460MPa；垂直基本臂及擺臂的最大等效應力超出了許用應力，但并未超出屈服強度極限690MPa，且超出許用應力的區(qū)域較小。所以托臂結(jié)構(gòu)滿足6種典型工況的強度要求。

4 應力試驗

應力試驗采用DH3815N應變測試系統(tǒng)，如圖4所示。根據(jù)托臂有限元計算結(jié)果選取應力較大的位置，進行數(shù)據(jù)采集，計算測試位置的等效應力值；然后與有限元計算結(jié)果進行對比，驗證有限元計算結(jié)果的準確性。測試點位置及編號如圖5所示，結(jié)合現(xiàn)場實際情況選取工況二進行試驗。

圖4 DH3815N應變測試系統(tǒng)

圖5 測試點位置及編號示意圖

如圖6所示，選用45°直角型應變花進行試驗。用下列公式來計算測試點的主應變、主應力及等效應力。

主應變 ξ1，2為

主應力 σ1，2為

等效應力σ為

式中：ξ0、ξ45、ξ90分別表示 0°、45°、90°方向應變。

圖6 45°直角型應變花示意圖

試驗后對試驗數(shù)據(jù)按上述方法計算各測試點的等效應力，并與有限元計算結(jié)果進行對比，如表3所示。

表3 試驗應力值與計算應力值對比

由表可見，測試點的測試值和有限元分析值相比的絕對誤差都很小，試驗應力值與有限元計算應力值的符合度較好，相對誤差均在10%以內(nèi)，證明該托臂有限元分析的結(jié)果是正確的。因此，可以將有限元計算結(jié)果作為結(jié)構(gòu)設計的理論參考。

5 結(jié)論

本文對托臂結(jié)構(gòu)進行有限元分析，首先選取正確的單元建立參數(shù)化有限元模型，并運用恰當?shù)姆绞綄⒏鞑考M行裝配；然后通過施加合理的邊界條件和載荷對托臂模型進行了靜力學分析。根據(jù)計算結(jié)果確定了托臂在6種典型工況下的強度滿足設計要求，并通過應力試驗驗證了有限元計算結(jié)果的準確性，為結(jié)構(gòu)設計提供理論依據(jù)。