靳凱 郭文天 鄧克軍 寧厚于 曹寓

摘 要：某重型特種車(chē)在試驗(yàn)過(guò)程中，縱梁外部轉(zhuǎn)向立軸支座存在肉眼可見(jiàn)位移?，F(xiàn)有狀態(tài)下，與支座相連的縱梁、墊板以及螺栓等均有較大變形，車(chē)架結(jié)構(gòu)存在安全隱患。針對(duì)此現(xiàn)象，選取轉(zhuǎn)向立軸支座處局部模型，利用有限元進(jìn)行靜力計(jì)算，并分析了該狀態(tài)成因，并基于分析結(jié)果提出了改進(jìn)方案;將改進(jìn)方案結(jié)果與原狀態(tài)作比較，驗(yàn)證了改進(jìn)方案的有效性，為后續(xù)車(chē)架結(jié)構(gòu)分析提供了參考。

關(guān)鍵詞：重型特種車(chē);局部結(jié)構(gòu);有限元計(jì)算;方案改進(jìn)

中圖分類(lèi)號(hào)：U462.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）10-81-03

Researchon the optimization of the local structure of the vertical shaft ofthe vehicle based on optistruct

Jin Kai，?Guo Wentian^*，?Deng Kejun，?Ning Houyu，?Cao Yu

（Beijing Institute of Space Launch Technology，?Beijing 100071）

Abstract：?During the test process of a heavy special vehicle， there is a visible displacement of the steering vertical shaft support outside the longitudinal beam. In this situation， the longitudinal beam， base plate and bolt connected with the support are deformed， and the frame structure has potential safety hazards. For this phenomenon， the local model of the steering vertical shaft support are selected and the static calculation is carried out by the finite element method. Then reasons are analyzed and the two improvement measures are introduced based on the analysis results.?It shows that the measrues are effective with the comparison between the calculation results and provide a reference for the subsequent structure analysis.

Keywords：?Heavy special vehicle; local structure; Finite element calculation;?Scheme improvement

CLC NO.： U462.1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）10-81-03

前言

轉(zhuǎn)向立軸支座位于車(chē)架縱梁外側(cè)，轉(zhuǎn)向油缸、轉(zhuǎn)向拉桿和輪胎施加的力通過(guò)立軸支座向縱梁傳遞。縱梁上轉(zhuǎn)向過(guò)孔的存在使得縱梁局部的強(qiáng)度較弱，在極限工況下，轉(zhuǎn)向加強(qiáng)梁不足以對(duì)縱梁的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行補(bǔ)足，因而需要對(duì)縱梁進(jìn)行加強(qiáng)。下圖為轉(zhuǎn)向立軸支座處局部結(jié)構(gòu)的三維模型。

目前的研究，多是基于有限元方法對(duì)車(chē)架整體和橫梁型式開(kāi)展，而對(duì)車(chē)架局部的結(jié)構(gòu)研究較少。張克鵬、劉剛^[1-2]等分別采用有限元法對(duì)不同型式的橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算研究，得到了較優(yōu)的橫梁結(jié)構(gòu);鄧?yán)蚱健⑼跛?、楊先鋒、周文^[3-6]等人采用有限元法，分別對(duì)商用車(chē)、重型越野車(chē)及重型貨車(chē)的車(chē)架進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，得到了實(shí)用的車(chē)架結(jié)構(gòu)方案。由于車(chē)型及結(jié)構(gòu)的特殊性，目前針對(duì)轉(zhuǎn)向立軸支座及相鄰結(jié)構(gòu)開(kāi)展的相關(guān)研究較少，本文針對(duì)實(shí)車(chē)出現(xiàn)的問(wèn)題，采用有限元方法對(duì)該局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)車(chē)輛的后續(xù)改進(jìn)有重大的指導(dǎo)意義。

1 有限元模型建立

基于Hypermesh軟件建立局部結(jié)構(gòu)的有限元模型。為降低邊界條件對(duì)目標(biāo)區(qū)域結(jié)構(gòu)的影響，模型截取時(shí)，橫向和垂向方向包含車(chē)架全部結(jié)構(gòu)，縱向在立軸支座前、后擴(kuò)展1m的車(chē)架縱梁;同時(shí)為方便計(jì)算，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，刪去縱梁內(nèi)對(duì)目標(biāo)區(qū)域影響較小的支座類(lèi)結(jié)構(gòu)。由于模型范圍不大，可適當(dāng)減小單元尺寸，增加計(jì)算精確程度，有限元模型網(wǎng)格尺寸約5mm，采用三角形與四邊形相結(jié)合的方式。局部結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

車(chē)架材料選用HG785D焊接高強(qiáng)鋼，其屈服極限685MPa，強(qiáng)度極限785MPa。車(chē)架選用材料如表1所示。

2 模型靜強(qiáng)度分析

2.1 載荷及邊界條件

車(chē)輛行駛過(guò)程中工況多變，受力復(fù)雜，進(jìn)行靜強(qiáng)度分析時(shí)，選擇對(duì)轉(zhuǎn)向立軸結(jié)構(gòu)影響最大的工況進(jìn)行分析，即左輪中位卡死工況。施加載荷如表2所示：

載荷施加位置為左右立軸支座與轉(zhuǎn)向橫臂連接點(diǎn)，設(shè)置模型約束時(shí)，模型縱梁前端面上節(jié)點(diǎn)限制X、Y、Z方向位移，縱梁后端面限制Y、Z方向位移，模型受力及邊界情況如圖3所示：

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)載荷及邊界條件，利用Hypermesh軟件進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4中可知，應(yīng)力最大位置出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向加強(qiáng)梁與縱梁連接的角隅處，最大應(yīng)力為291Mpa;整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小，縱梁及立軸支座上最大應(yīng)力為156Mpa，均滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。根據(jù)應(yīng)力結(jié)果，各處位置均未超過(guò)材料屈服極限，因而不會(huì)對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。

縱梁上為安裝轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而存在的大開(kāi)口使縱梁連續(xù)性受到了破壞。同時(shí)，承擔(dān)轉(zhuǎn)向力的立軸支座與轉(zhuǎn)向開(kāi)孔位置接近，當(dāng)立軸支座受到較大外力時(shí)，縱梁開(kāi)孔位置無(wú)法提供足夠支撐力，因而在支座上方、開(kāi)孔邊緣處，縱梁產(chǎn)生了較大位移，最大位移為1.9mm，這對(duì)板材螺接位置及其他構(gòu)件安全極為不利。位移結(jié)果如圖5所示。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方案

基于上述計(jì)算結(jié)果，分別從分擔(dān)外力和結(jié)構(gòu)加強(qiáng)兩方面各提出一種補(bǔ)強(qiáng)方案。

1）分擔(dān)外力優(yōu)化方案

由圖5可知，最大位移出現(xiàn)的地方為縱梁中部，縱梁上半部分位移較小，縱梁上部無(wú)法為立軸支座提供一定支反力，考慮將轉(zhuǎn)向立軸的部分受力向縱梁上部轉(zhuǎn)移，本文在原有立軸支座基礎(chǔ)上，在上方增加一個(gè)支座，兩個(gè)立軸支座共同支撐轉(zhuǎn)向銷(xiāo)軸，從而使縱梁上部能夠提供更多支撐力。同時(shí)，為減輕重量及節(jié)省空間，將兩個(gè)立軸支座高度降低30mm。有限元計(jì)算時(shí)，模型受力位置及大小不變。方案有限元模型如圖7所示：

2）結(jié)構(gòu)加強(qiáng)優(yōu)化方案

位移偏大的另一重要原因是縱梁大開(kāi)口削弱了縱梁抗彎能力，使其提供支反力的能力下降，因而對(duì)縱梁開(kāi)孔附近的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，以提高縱梁強(qiáng)度，因此，提出第二種優(yōu)化方案。

該方案在縱梁內(nèi)部分別延長(zhǎng)垂向筋板高度，以增強(qiáng)縱梁局部抗彎強(qiáng)度。同時(shí)，在原有筋板基礎(chǔ)上增開(kāi)圓形減輕孔，不僅使結(jié)構(gòu)減輕，也為管路提供走線(xiàn)空間，起到固定作用。圖6～圖8分別為原始方案和兩種優(yōu)化方案的有限元模型。

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

表3中，圖9～圖14所示為同一工況下不同方案的應(yīng)力與位移的有限元計(jì)算結(jié)果云圖，圖中位移為等比例縮放尺寸，由圖可知，兩種改進(jìn)方案在應(yīng)力和位移結(jié)果上均有較大改善。表4為各方案計(jì)算結(jié)果數(shù)值對(duì)比情況。

由表可知，兩種方案都能有效改善結(jié)構(gòu)應(yīng)力，且應(yīng)力極值均在材料屈服極限范圍內(nèi)，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)安全系數(shù)要求（>2.5）;對(duì)比上述三種方案可知，分擔(dān)外力方案和結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案都能有效降低最大位移;對(duì)比兩種優(yōu)化方案，在增加同等重量條件下，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案使最大位移降幅達(dá)到38%，明顯優(yōu)于分擔(dān)外力方案，因此，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案改善效果更加顯著。

4 結(jié)論

本文針對(duì)實(shí)車(chē)試驗(yàn)中立軸支座出現(xiàn)的問(wèn)題，基于Hyper?-works平臺(tái)的Optistruct模塊對(duì)轉(zhuǎn)向立軸支座處的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元計(jì)算，結(jié)合計(jì)算結(jié)果分析了問(wèn)題出現(xiàn)的原因?；诖颂岢隽藘煞N改進(jìn)的結(jié)構(gòu)方案。仿真結(jié)果表明，兩種改進(jìn)方案的應(yīng)力和位移較初始設(shè)計(jì)方案有明顯改善，但采用結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案對(duì)結(jié)構(gòu)位移的改善效果更顯著，因此，對(duì)重型特種車(chē)的車(chē)架設(shè)計(jì)具有巨大指導(dǎo)意義。

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