冶金車架鋼結構、薄板混合建模應力分析

摘 要：文章以SolidWorks Simulation有限元軟件為平臺，結合簡化經驗公式，分析冶金車輛車架鋼結構與薄板混合模型的應力分布情況。

關鍵詞：SolidWorks Simulation；有限元；車架

1 概述

SolidWorks Simulation是一款基于有限元技術的設計分析軟件，是SRAC開發的工程分析軟件產品之一。它使計算力學的任務從被動的校核上升為主動的設計與優化，成為目前設計的重要工具之一。傳統的冶金運輸車車架的設計一般根據工程設計人員的經驗，在產品設計階段制定多個設計方案，用簡化計算方法或有限元法對車架進行分析，在多個設計方案中選出較好的方案，然后對車架進行試驗。作者以出口南亞某國的100t軋輥運輸車的車架為模型，采用簡化計算方法和SolidWorks Simulation 有限元分析方法來校核車架。

2 100t軋輥運輸車車架參數化建模

該冶金專用車的動力源為電機，電機將動力通過減速器、聯軸器傳送至車輪。其特點一是承載量大，總載重量為100噸，自重超過14噸：二是速度低，以30米每分鐘的速度行走在平直的軌道上。承載結構由車架和行走裝置組成。車架結構由優質碳素鋼板和工字鋼焊接而成，其主要承受軋輥、減速器、電動機、傳動軸等載荷。行走裝置的主、從動輪通過軸承與車架的縱梁直接剛性連接，因此在分析時可不考慮行走裝置的影響。

2.1 根據材料力學經驗公式計算

設計參數：

自重G0=13.4t；載重G1=100t；車長L=6.33m；輪距L1=3.6m；臺面鋼板長度a=522mm；臺面鋼板厚度b=25mm；型鋼高度h=400mm。

圖1 主梁截面圖

由公式 Mmax=1/8*q*L1*L1 得 Mmax=145.11 nm；截面模量W =I/e 得 W=2.64*106mm3

計算應力σ=Mmax/W 得σ=55MPa。（圖1）

2.2 SolidWorks Simulation分析

在平直的軌道上，這次計算只選用了彎曲工況，由于車架和行走機構的連接是通過無彈性元件也無阻尼器件的剛性連接，所以對車架的邊界約束，可直接采用作用于懸架與車架連接處的前、后共4個面約束，前約束允許沿X軸方向的位移，后約束限制全部自由度。約束面積的大小為連接軸的直徑乘以其與車架實際接觸的長度。

車架是由工字鋼作為橫梁與25mm厚的鋼板焊接而成。在SolidWorks Simulation模型處理中：型鋼類結構件適合采用焊接方式建模，在做CAE分析時，就不需要處理單元類型，系統自動識別為橫梁單元。

薄板類在做CAE分析時，就不要出來單元類型，自動識別為殼單元類型。在SolidWorks Simulation 中只要長度、寬度尺寸和厚度尺寸相比，大于10倍的板類零件，做CAE分析時，自動識別為殼單元，省去了處理單元類型的麻煩。在推導橫梁單元的剛度矩陣式，所有橫梁的橫截面信息已經做為參數計算在內。因此，最終的網絡源自于接點的線框。由接點確定的直線或曲線段將被劃分為橫梁單元。在SolidWorks Simulation中接點是自動獲取得到的。每個橫梁的端點都要6個自由度，對這6個自由度進行約束及釋放能夠代表各式各樣的連接情況。

100t軋輥運輸車車架是型鋼類、薄板類混合建模一種模型。在SolidWorks Simulation 中做CAE分析時需要將模型建成裝配件。（見圖2）。

圖2 車架有限元模型

網絡劃分，離散化結果（見圖3）。

圖3

橫梁折彎應力結果（見圖4）。

圖4

通過計算，車架沿垂直方向的變形呈“U”形，中間加載處的位移最大為1.3mm，縱梁的兩端最大位移為0.6mm此外，車架的縱梁有沿垂直方向的翹曲現象，而這些變形較小，不會對電動機的輸出軸、減速器與車輪之間的傳動配合產生不利影響。從應力分布圖及計算結果可知，最大應力值出現在其中的一個約束處為45Mpa。

3 結束語

文章以有限元軟件SolidWorks Simulation為工具，結合機械力學經驗簡化公式，以出口產品100t軋輥運輸車車架為研究對象，分析在滿載情況下車架應力分布，為產品的可靠性提供理論保證，為產品的進一步結構優化提供可能性。

參考文獻

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[2]陳超祥，葉修梓.SolidWorks Simulation 2010基礎教程[M].北京：機械工業出版社，2010.

[3]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2008.

[4]曹鋒.SolidWorks 2007從入門到精通[M].人民郵電出版社，2008.

作者簡介：楊立志（1980-），男，工程師，從事冶金車輛設計研究工作。