澆鑄車車架結構的靜強度分析

鄭鵬，李飛（沈陽工業大學，遼寧沈陽 110870）

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澆鑄車車架結構的靜強度分析

鄭鵬，李飛
（沈陽工業大學，遼寧沈陽 110870）

摘要：應壓力鑄鋼生產工藝要求，設計了一種新型澆鑄車。為探究澆鑄車車架在三種典型工況下的強度和剛度變化，使用三維軟件建立了車架的模型，并運用有限元分析軟件對其進行了靜強度分析，得到了車架的受力和變形情況，檢驗了車架結構設計的可靠性，并為車架結構的優化提供了理論依據。

關鍵詞：澆鑄車車架；強度；剛度；有限元

稿件編號:1511-1136

0 引言

隨著我國鋼鐵產業的迅猛發展，一些新型壓鑄產品依靠自身優良特性，在實際使用工況中，都取得很好效果。我國鑄造工作者們都在努力尋找較佳的壓力鑄鋼件生產工藝[1]。應生產工藝要求，需要研制一種新型廠內軌道澆鑄運輸車，壓鑄用軌道澆鑄車是一種特殊的新一代重型運輸機械，主要用于壓力鑄造生產過程中運輸模具，并且是壓鑄生產設備中重要組成部分，由于澆鑄車的承受集中重載的工作性質，以及工作環境和用途的不同，其車架和一般用途鋼包車、平板車結構有明顯不同和要求。其中不僅要在車架上中部承受模具部件集中載荷，而且在車架下中部還要承受鋼包總質量載荷，導致車架中部承受很大載重。車架上方有耐火磚，對車架進行隔熱保護，減少車架受熱變形。

我國對于此類重型車架設計和強度校核時多依靠傳統的經驗和方法。這種方法簡單易行，在目前的車輛設計中，仍被廣泛使用，但是產品的設計周期比較長，有時這種方法會導致實體局部強度不足，容易導致危險發生。隨著計算機輔助技術的發展，該領域研究人員開始用有限元分析的方法對設計結構的剛度和強度進行檢驗，檢查是否滿足設計要求。運用這種方法，可以不依賴實物的試驗，在結構設計初期，就可以對其分析，拓撲和參數優化，還能在具體結構設計階段提供參考及整車性能的模擬試驗[2]。

1 車架的有限元分析

基于有限元方法對某公司項目的澆鑄車車架進行靜強度分析。首先根據技術要求，設計了澆鑄車的三維模型，通過軟件之間的數據交換接口，把經過簡化的澆鑄車模型直接導入Ansys workbench有限元軟件中[3]，根據不同工況條件，對澆鑄車施加約束與載荷，進而分析車架的剛度，強度，應力等關鍵性參數，最后分析計算結果。

1.1 澆鑄車技術參數和整車組成

主要技術參數：

臺面尺寸：長6 000 mm，寬3 725 mm。

承載能力：88 t。

行走速度：36 m/min。

軌距：3 475 mm。

生產棒料尺寸：ф800 mm×4 500 mm。

澆鑄車由模具、套筒、底座、耐火磚、導液管、車架、車輪、鋼包、鋼包蓋、連接套等部件組成，其主要結構如圖1所示。

1.2 澆鑄車車架結構特點

澆鑄車車架包括四根縱梁和若干根橫梁，由工字鋼焊接而成，車架中心部分承受集中載荷。車架中間部分有底座、套筒、耐火磚、壓鑄模具、鋼包等部件，整個車架橫縱梁上面鋪有鋼板，車架結構如圖2所示。

圖1 澆鑄車實體模型

圖2 車架結構

1.3 有限元模型的建立

車架模型采用三維建模實現，并將模型導入到Ansys workbench中，車架材料為Q345，特性參數一致，統一設置為：密度7 850 kg/m3、泊松比0.3、彈性模量200 GPa[4]。澆鑄車車架為框架式結構，橫縱梁焊接在一起，由于整個車架的結構復雜性，以及分析重點是車架的結構，在建立模型時，在不影響強度分析的前提下，忽略了一些小部件的作用，對于一些對車架有限元分析影響不大的結構進行了簡化[5]，例如省略圓角、螺栓孔；澆鑄車車輪部件選用標準零件、電機結構對車架影響小，對其省略；不考慮鋼板、工字鋼的焊接應力及焊縫型式的影響。在經過以上幾何清理后，避免了局部小特征造成不必要的網格劃分困難，車架使用自動劃分方法進行網格劃分。

(1)約束條件：澆鑄車車架由工字鋼梁焊接而成一個整體，所以在進行有限元分析時一般將車架作為整體來考慮，對車架前輪軸承采用固定約束，中后車輪采用位移約束，并限制Y向（平行于橫梁方向）、Z向（豎直方向）位移，車架X方向（沿軌道方向）不做約束。

(2)載荷的分析與處理：在分析車架的靜強度的問題上[6]，應考慮作用在車架上的所有載荷，一些非重要零件的質量，通過估算以均布載荷的方式把相應的力施加在作用面上，使計算結果更加準確。作用在澆鑄車車架上的載荷類型有車架自身質量、零件的等效質量、慣性力。

1.4 各工況下的載荷分布及計算結果

鑄鋼壓鑄件生產的工藝流程為澆鑄車搭載模具到達預定位置，由底部桁架上的液壓設備把鋼包抬高到指定位置，使鋼包和澆鑄車連接、密封、壓入鋼液，使鋼液充滿模具，斷開與鋼包連接，澆鑄車滿載運行到卸料位置。車架在實際工作中受力情況比較復雜，例如彎曲、扭轉、制動等。從實際經驗來看，我們可以從三個典型工況來分析車架結構的靜強度[7]。在每一工況都要施加一個車架的自質量載荷，其它載荷分析如下：

工況一：鋼液在鋼包內，未壓入模具時，澆鑄車車架底部為主要承重區域。具體數據如下：

（1）車架底座面上承載的總質量為38 558 kg，其中包括模具（空）3 150 kg，導液管（滿液）2 881 kg，模具蓋2 120 kg，耐火磚338 kg，底座1 719 kg。

底座面上外加載荷：G1=38 558×9.8=377 868.4（N）。

（2）套筒面上承載的總質量為9 837.4 kg，其中包括套筒8 635 kg，壓板1 130.4 kg，緊固件72 kg。

套筒受力面外加載荷：G2=9 837.4×9.8=96 406.52（N）。

（3）車架底部承載總質量為38 493.4 kg，其中包括鋼包蓋5 338 kg，鋼包15 058 kg，連接套1 405 kg，鋼液16 642 kg，緊固件50.4 kg。

車架底部外加載荷：G3=38 493.4×9.8=377 235.32 （N），載荷加在四個受力面上。

有限元分析結果，如圖3、4所示。

圖3是車架應變云圖分析結果。車架最大位移值為0.9 mm，出現在車架底部連接板中部。圖4是車架應力云圖顯示，最大應力值為129.12 MPa，出現在車架底部一些螺栓孔周圍，較大應力出現在車架橫梁與承接底部重量的連接板連接處。

圖3 工況一有限元分析應變云圖

圖4 工況一有限元分析應力云圖

工況二：鋼液壓入模具中，此時澆鑄車車架上模具中鋼液充滿，車架底部主要受到鋼包剩余鋼液重力作用。具體數據如下：

（1）車架底座面上承載的總質量為55 162.8 kg，其中包括模具（鋼液充滿）47 885 kg，導液管（滿液）2 881 kg，模具蓋2 120 kg，中間部分鋼液219.8 kg，耐火磚338 kg，底座1 719 kg。

車架底座面上外加載荷：G1=55 162.8×9.8= 540 595.44（N）。

（2）套筒面上承載的總質量為9 837.4 kg，其中包括套筒8 635 kg，壓板1 130.4 kg，緊固件72 kg。

套筒受力面外加載荷：G2=9 837.4×9.8= 96 406.52（N）。

（3）車架底部承載總質量為23 515.4 kg，其中包括鋼包蓋5 338 kg，鋼包15 058 kg，連接套1 405 kg，剩余鋼液1 664 kg，緊固件50.4 kg。

車架底部受外加載荷：G3=23 515.4×9.8= 230 450.92（N），載荷加在四個受力面上。

有限元分析結果，如圖5、6所示。

圖5車架應變云圖表示，車架最大位移值為0.75 mm，出現在連接澆鑄車底部鋼包蓋的連接管上以及鋼板與連接管連接的邊緣處。圖6車架應力云圖表示，最大應力值為104.71 MPa，出現在鋼板與連接管連接處，較大應力出現在車架橫梁與承接底部重量的連接板連接處和底部一些螺栓孔周圍。

圖5 工況二有限元分析應變云圖

圖6 工況二有限元分析應力云圖

工況三：滿載制動，澆鑄車在加減速運行過程中，啟動和停止過程中車架本身會受到一個慣性力的作用。具體數據如下：

（1）產生慣性力加速度：a=0.5 m/s2，作用在模具上。

（2）車架底部受鋼包蓋和緊固件重力作用，其數值為52 312.4 N。

有限元分析結果，如圖7、8所示。

圖7 工況三有限元分析應變云圖

圖8 工況三有限元分析應力云圖

圖7車架應變云圖表示，車架最大位移值為0.2 mm，出現在車架承載鋼包重量的連接板螺栓孔周圍。圖8車架應力云圖表示，最大應力值為23 MPa，出現在車架前中部橫梁與外縱梁連接處和底部一些螺栓孔周圍。

2 有限元結果分析及校核

表1是應力云圖和應變云圖得出的對比結果。

表1 各工況最大應力值和最大變形值

從表1和上面的應變云圖中可以看出，在三種工況下，車架最大位移量為0.9 mm，設計滿足使用要求，較大變形主要集中在車架中部和底部承重連接板處，從圖中可以看出這是由于車架上模具以及底部鋼包作用的結果。由于這些變形不大，不會對零件間的配合產生不利影響，從車架變形結果推斷，車架的剛度性能較好。

從表1和上面的應力云圖中可以看出，在三種工況下，車架所受的最大應力為129.12 MPa，小于許用應力345/1.5=230 MPa，車架靜強度滿足要求。最大應力主要集中在前中部橫梁與外縱梁連接處，出現在鋼板與連接管連接處，以及底部一些螺栓孔周圍。較大應力發生在橫縱梁之間的焊接區域，符合一般工程事實，在實際生產中，焊接質量的優劣對該區域的強度起決定性作用，在建立三維模型時，并沒有對該部位做特殊處理，僅僅把接觸形式設置為綁定，而在實際生產中，焊接后該區域會形成過渡圓角，或者有其它加強措施，從而減小該連接區域的應力集中現象，這樣得到的分析結果的應力值可能比實際值大。

3 結語

通過建立車架的三維模型，在三種典型工況下，運用有限元分析法對澆鑄車車架進行了強度和剛度分析，得知車架承受的最大應力值為129.12 MPa，最大變形量為0.9 mm，都小于其許用值，滿足使用要求。由于車架形狀與結構的應力分布情況不匹配，在后續的結構優化中，要針對車架整體布局和結構尺寸進行優化，以進一步提高澆鑄車車架的性能。

參考文獻

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[3] 劉文杰，馬力．基于UG的重型平板車車架參數化設計[J]．汽車零部件，2012（9）：108-110．

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[7] 肖柳勝，劉健，袁艷艷，等．基于多工況的重載壓裂車車架靜動態強度分析[J]．西華大學學報(自然科學版)，2015（2）:64-68．

Static strength analysis of casting car frame structure

ZHENG Peng，LI Fei
(Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，Liaoning，China)

Abstract:According to the requirements of the production process of compression cast steel, a new type of casting car is designed.In order to research the strength and rigidity of casting car frame under three kinds of condition , the model of casting car frame was established by three-dimensional software, and the static strength analysis was carried out by using the fi nite element analysis software, the stress and deformation of casting car frame are achieved, and the reliability of frame structure is tested, then the theoretical optimization basis for the frame structure is provided.

Keywords：casting car frame; strength; rigidity; FEM

中圖分類號：TG232.7：TH22；

文獻標識碼：A；

文章編號:1006-9658（2016）03-0065-04

DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2016.03.020

收稿日期:2015-11-24

作者簡介：鄭鵬（1964—），男，教授，主要從事機械工程領域的教學與科研工作.