矿用自卸车车架有限元点质量分析方法

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矿用自卸车车架是承受各种力和力矩的关键部件，其强度对矿用自卸车的安全 决定 作用。因此，国内外汽车行业已经将有限元分析方法应用于车架的分析计算。在现有文献中，用于车架有限元分析的软件主要有HYPERWORKSt 、ANSYS[3-、NASTRANf、ABAQUSr 。在这类文献中，对于车架所受载荷都采用传统的处理方法，即将发动机、变速器、油箱、驾驶室、货物及货箱等各总成的质量人工换算成集中力或者分布力施加在车架相应的位置。

车架的有限元分析有不同的工况，例如弯曲、扭转 、紧急制动和急转弯等，对于不同的工况，每个总成施加给车架的力值和方向可能不同，车架所受载荷如果采用上述传统的处理方法 ，在每-个工况都需要人工计算和施加每个总成作用在车架上的力值。

因此 ，车架所受载荷的传统处理方法虽然容易理解 ，但是有人工计算量大 、繁琐和容易出错的缺点。针对车架所受载荷传统处理方法的缺点 ，利用 ANSYS WORKBENCH软件中点质量(Pointmass)的概念和方法处理矿用自卸车各总成施加给车架的载荷，对某矿用 自卸车的车架进行应力和变形分析，以阐明应用点质量和加速度确定载荷的车架有限分析方法。

点质量载荷处理方法只需要确定各总成点质量的位置、作用面和质量值等属性，不需要将各总成质量人工转换成力 ，极大地简化了载荷的处理过程。

2点质量的概念和处理方法点质量的概念是将刚度很大的物体等效成其质心处的集中质量，忽略物体的刚度。点质量具有：位置、作用面、质量值和质量惯性矩等特性，没有方向。点质量和加速度配合使用，产生和加速度方向相反的魄性力。

分析的矿用自卸车载重量为 32 t，作用在车架上各总成质量主要考虑：发动机、变速器、油箱 、驾驶室及钣金件、货物及货箱，各总成的质量及坐标，如表1所示。参考点为保险杠上表面与车架对称面交线的最前端，向上为 轴正向，向后为 轴正向，向左为Y轴正向。油箱包括燃油箱和液压油箱，其质心也近似在车架对称面上。

来稿日期：2012-lo-l4基金项目：河北势学技术研究与发展计划项目(10215602D)作者简介：甄龙信，(1971-)，男，河北石家庄人，博士后，副教授，主要研究方向：车辆振动与噪声，车辆节能128 甄龙信等：矿用自卸车车架有限元点质量分析方法 第 8期表 1各总成质量和坐标Tab.1 The Mass and Coordinates of Each Assembly利用 ANSYS WORKBENCH软件建立车架的三围模型并添加点质量，如图 1所示。

1.发动机 2驾驶室及钣金件 3.变速器 4油箱 5.货物及货箱I.货物及货箱的作用面 Ⅱ.右前悬架安装面 Ⅲ.左前悬架安装面Ⅳ.左后悬架安装孔 V.右后悬架安装孔图 1车架的三维模型和各总成点质量Fig.1 The 3D Model of Frame and Point Mass of Each Assembly下面以将货物和货箱等效成点质量作用在车架上的过程说明点质量的具体处理方法。首先，在车架的三维模型中，根据表 1中货物及货箱的质心坐标添加点质量，如图 1中的 5所示 ，然后在点质量的属性中设置货物及货箱的质量为 39000 kg，最后设置货物及货箱点质量的作用面，如图 1中的 l所示(该点质量的作用面还包括另-根纵粱上相应位置的平面)。按照以上方法添加发动机 、变速器、油箱、驾驶室及钣金件的点质量，如图 1所示。并设置其质量参数和作用面。分析中忽略各点质量的质量惯性矩。

3约束、载荷和网格此矿用 自卸车有两个车桥，后桥驱动，前后桥都使用油气悬架，前桥为烛式独立悬架，后桥为非独立悬架，悬架的安装位置如图 1中Ⅱ-V所示。根据不同的工况，在所有悬架或者部分悬架安装面上施加约束。后悬架和车架之间装有关节轴承，所以在后悬架安装面上施加球铰约束。前后悬架安装面之间沿 向的距离随着牟架的弯曲变形而变化，因此约束前悬架安装面Y和 z向的位移，放开 向的位移。车架所受载荷由发动机等各总成等效成的点质量和车架自身的质量提供。由于质量本身没有方向，要由质量产生力，必须对整个模型施加加速度。在任何工况下，模型的自重都是必然存在的载荷，因此对模型施加沿 z轴负向的重力加速度。对于紧急制动工况要对模型施加制动时的最大制动加速度以产生制动惯性力，对于急转弯工况要对模型施加转向时最大侧向加速度以产生离心力。各T况下的约束和载荷，如表2所示。采用ANSYS WORKBENCH软件的自动网格划分程序划分单元网格 ，自动网格划分程序采用四面体单元划分网格，能够根据模型组成特征的特点自动调整所划分网格的疏密，可以满足-般有限元分析的需要。

表2各工况的约束和载荷Tab.2 Constrains and Loads of Each Operating Condition工况 约束 载荷左右后悬架安装面上施加球铰约弯曲 束，约束左右前悬架安装面Y和向的位移，放开 向的位移左右后悬架安装面上施加球铰约扭转 束，约束左前悬架安装面Y和向的位移，放开 向的位移。 左右后悬架安装面上施加球铰约束，约束左右前悬架安装面Y和向的位移，放开 向的位移左右后悬架安装面上施加球铰约急转弯 束，约束左右前悬架安装面Y和向的位移，放开 向的位移沿。轴负向施加重力加速度沿 轴负向施加重力加速度沿 轴负向施加重力加速度，沿 轴负向施加加速度 0.6g沿。轴负向施加重力加速度。

沿Y轴负向施加加速度0.5g4有限元分析及结果对车架在弯曲、扭转、紧急制动和急转弯 4种典型工况下的强度和刚度进行有限元分析，以阐明点质量和加速度在车架有限元分析方法中的应用。本节应力图中的应力为 Von Mises应力，单位为 MPa，变形图中的单位为mm。车架的材料为 DB590，机械性能，如表3所示。

表3材料的机械性能Tab.3 Mechanical Properties of the Material4.1弯曲工况弯曲工况模拟四轮均接触路面，车架产生z向弯曲变形的情况，约束和载荷，如表 2所示。弯曲T况下车架的应力和变形，如图2、图3所示。

图 2弯曲工况下的应力图Fig.2 The Stress Diagram Under Bend Condition图3弯曲工况下的变形图Fig.3 The Deformation Diagram Under Bend Condition如图2中的椭圆位置所示，弯曲T况下车架的最大应力在中横梁和后横梁之间，此处为危险截面，最大应力为 71MPa，计算得安全系数为 6.3。如图 3中椭圆位置所示，弯曲工况下车架的中横梁处沿 轴负向变形，最大变形为.9mm，保险杠处沿 z轴正向变形 ，最大变形为 lmm。弯曲工况下车架的应力和变形分布左右对称。根据汽车设计的数据，车架强度安全系数为(2.5～4)，因此，该车架在弯曲工况下是非常安全的。

l32 机械设计与制造No.8Aug.20134结论ANSYS是-款功能强大的有限元计算软件，静态磁场的分析准确性很高。即以ANSYS模拟仿真结果来检验基于磁力线长度的磁场汁算法”的准确性。在相同条件下在 ANSYS中仿真分析得到磁极 J 方 上磁场如图3中粗实线所示。从图中可以看出，计算结果与仿真结果基本-致，尤其是在10mm磁感主要分布区域，计算误差小于 8%，因而基于磁力线长度的磁称算方法具有较高的计算精度，且该方法形象直观，易于理解，计算简便，可作为磁场 1 程设计中快速有效的计算手段。

从皋3中也可以看到，磁感强度的By分量在离开磁场中心域较远时计算结果偏差较大，分析其主要原因是假设的磁力线形状误差造成 ，首先在磁极上 xcv2(-13mm)拐角处，由于磁场的连续性 、磁力线的线间斥性和最小阻径性 等特性，实际磁力线分布在环形Ⅸ、新月形区和半环形区 个区域是连续变化的，并不会像几何形状分区那样有严格的分界线，上述的假设与简化会造成实际磁力线长度会比计算时该区域的半圆弧长度短，所以计算结果会偏小；另外不同磁力线在铁磁性材料中穿过的长度不同，远离磁场中心处磁力线在铁磁性材料中穿过的长度较小，而且实际上铁磁生材料中各段磁感强度也不同，其等效磁力线长度也是变化的，为简化计算取定值也会给计算结果带来偏差，这也是造成计算结果偏小的原因之-。上述基于磁力线长度的磁称算结果对于磁场的工程设计计算精度已经足够，为了追求更高的计算精度可在计算中根据模型特征，在模型几何形状变化较大处引入适当的修正系数，可使计算结果更接近实际值。