大件运输车承载结构的优化设计

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Optimization design of big carrier bearing structureZHU An-ding， W ANG Ci-an， LI(School of Machinery and Automobile Engineering，Qiu-shi， GONG Jing， QIAN Li-j unHefei University of Technology，Hefei 230009，China)AbstractThe finite element analysis of the load-bearing structure of a big carrier of 500 t is intro-duced，the simulation results of the stress of key structure under different loading conditions are ob-tained.In the strength test，different levels of load are applied to the carrier.The correspondingstress and strain situation of the key structure under different loading conditions iS determined.Thecorrectness of the results of the finite element analysis iS validated.The design of the weak parts ofthe key load-bearing structure is optimized based on the finite element analysis and test results SO as toimprove the reliability of the structure。

Key words：big carrier；finite element analysis；strain gauge；strength test；structural optimization随着我国国民经济的迅速发展，-些大型设备在运输中运量不断增长，这些设备外型复杂、体积庞大，质量达几百吨 1]，所以设备运输较困难。

为解决这-问题，专门的运输设备应运而生，主要用于装运电力、冶金等行业的超限、超重大货物，如变压器等[2]。然而路况的复杂性以及设备巨型、超重的特点决定了运输车结构的复杂性，其车架结构设计也较复杂，在设计这种大件运输车时，-般设计为桥架式平板运输车。设计时要考虑到路面的承载能力、车架整体结构应力分布及车架材料承载能力等，其中任意-个环节的失误都有可能导致大件运输车车架的损坏。

大件运输车结构设计好坏是影响大型设备安全、可靠运输的-大难题，解决这-难题有重要的实际意义，既可以解决大件设备运输困难的问题，也可为后续大件运输车设计提供参考依据。本文主要对某型 500 t大件运输车桥式承载结构进行分析，并对结构提出相应的改进意见。

1 桥式结构有限元分析1.1 参数化模型的建立大件运输车整车如图 1所示，其支撑平台为前后 2个 14轴的平板车，承载结构是运输车的主要承载件，其 自重 占整车 自重较大部分，因此车收稿日期：2012-09-11基金项目：合肥工业大学博士学位人员专项基金资助项 目(102-035038)作者简介：祝安定(1974-)，男，安徽舒城人，博士，合肥工业大学讲师；钱立军(1962-)，男 ，安徽桐城人 ，博士，合肥工业大学教授，博士生导师第 5期 祝安定，等：大件运输车承载结构的优化设计 531体设计的优劣直接影响运输车的设计性能嘲。本文利用有限元法，对该车的承载体进行了强度与刚度分析计算。

桥式承载结构为两平板支撑车中间部分，本文主要对该部分进行分析及优化。

图1 大件运输车整车图首先根据二维 CAD图纸建立桥式承载结构部分立体模型，三维模型建立是否精确直接影响到有限元分析结果的精确性。运输车桥式承载结构的三维模型如图 2所示。

图 2 大件运输车承载结构三维图中间段与斜叉梁下端通过销将 2个位置处的单耳板、双耳板连接，上端通过球头、球碗进行连接，当结构承载时，下端主要承受拉力，上端承受压力。

为了准确模拟这 2处实际力传递情况，建立有限元模型时，将耳板、销、球头、球碗以PSOLID单元形式进行建模，然后设置接触面的属性，并建立接触 CoNTACT，通过 SLIDE CONTACT可以更准确地模拟力传递方式。

在有限元模型的建立过程中，根据板壳理论，承载结构各主要腹板及翼板均采用板壳单元进行建模 ，焊接位置通过 Seam焊缝处理，螺栓连接的位置通过 bolt单元模拟，各个斜支撑通过定义Beam Section的CBEAM梁单元进行模拟4]。对于耳板位置、上顶点球销位置处的网格单元，应采用渐进式网格划分方式进行划分，使主要传力位置的网格质量较好，以防止奇异点的出现，进而导致计算结果不准确。

桥式结构的主要材料为 Q690和 Q785高强度合金钢，根据材料定义有限元模型的属性，如材料属性、厚度等。

1.2 桥式结构载荷及约束形式根据实际使用情况，因大件运输车设计时速小于 10 km/h，所以在较长距离的运输过程中耗费时间较长，这就需要考虑到运输车的耐久性能。

因此，为了更接近实际使用工况，在试验前，先使大件运输车承载 24 h之后再进行试验。

本文主要考虑 400、460、473、500 t载荷工况，为了考虑承载重物力矩的作用，在质心位置处以质量单元的形式模拟承载质量。

其他载荷还包括承载结构 自重产生的重力载荷，即在竖直方向上施加-个大小为 9.8 m/s。的重力加速度。

考虑实际行驶工况，大件运输车在承载重物行驶的过程中承载结构受到牵引力的作用，牵引力通过塔台横梁与液压油缸连接位置作用到承载结构上，而塔台横梁与液压油缸连接位置在有限元分析中是施加约束的位置，所以无法在连接位置处既施加牵引力又添加约束，故需要进行等效处理 。

因为运输车近似为匀速直线行驶，所以该工况下承载结构承受的牵引力等于运输车后半部分受到的滚动摩擦力，-般 良好的沥青路面或混凝土路面的滚动阻力系数为 0.0200.018，本文考虑大件运输车行驶路面工况比较好，故取滚动阻力系数为 0.013。此时牵引力等于运输车后半部分支撑车受到的滚动阻力，后半部分支撑车部分总质量为 44.8 t，取 45 t，桥式承载结构总质量为100 t，考虑到其质量由前后 2个 14轴的支撑车支撑，故取 1/2质量等效到后半部分支撑车上，则最后计算可得牵引力 F为 12 103 N～ F直接施加到结构前端塔台横梁与液压油缸的连接处，约束后端连接处。

F方向定义为前进方向，则计算可得结构前端最大位移值为 0.218 mm。在进行结构各个承载工况静力分析时，将该位移以约束的形式施加于结构上，前后端塔台横梁与油缸连接中心处各添加-个0.109 mm的位移约束。

约束方式为前后端塔台横梁与油缸连接位置球铰接处左右和上下方向的移动自由度约束。前后方向施加-个 0.109 mm大小的强制位移约束，释放3个绕轴转动的自由度，即后端塔台横梁处上摆臂座连接孔位置的栌向移动自由度和绕纵向轴线的转动自由度约束。载荷及约束方式如图