基于SolidWorks某型自卸車車架的模態(tài)分析

李亮+麻進(jìn)云

摘 要：自卸車一般用于松散物料的裝卸和運(yùn)輸，副車架作為其重要承載部件，設(shè)計(jì)中應(yīng)確保與外部振源不會(huì)發(fā)生共振。該文應(yīng)用SolidWorks軟件建立了某型自卸車副車架模型，并通過(guò)Simulation插件計(jì)算出該車架的固有頻率，結(jié)果表明原設(shè)計(jì)可有效避開(kāi)振源頻率，整個(gè)方法實(shí)用高效，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：固有頻率 副車架 自卸車 SolidWorks

中圖分類號(hào)：TD562 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）09（b）-0055-02

自卸車一般用于松散物料的裝卸和運(yùn)輸，在公路運(yùn)輸行業(yè)發(fā)揮著重要的作用。自卸車的運(yùn)行工況相對(duì)復(fù)雜，作業(yè)條件比較惡劣，副車架作為自卸車的核心承載構(gòu)件，行駛的過(guò)程中，受到來(lái)自外界激勵(lì)源影響，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和路面對(duì)車輪的沖擊。在極端的作業(yè)工況下，一旦與副車架的固有頻率相同，極易造成車體結(jié)構(gòu)的破壞，威脅整車的使用壽命和運(yùn)行安全[1]。因此，在其設(shè)計(jì)中副車架不僅應(yīng)具有足夠的剛度和強(qiáng)度，而且為保障不會(huì)因共振而發(fā)生破壞，其振動(dòng)的固有頻率必須避開(kāi)這些振源的影響。現(xiàn)代虛擬樣機(jī)技術(shù)可以在物理樣機(jī)的試制之前從設(shè)計(jì)的早期階段發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，因此對(duì)副車架進(jìn)行模態(tài)分析，研究其固有頻率和振型對(duì)提高該車型的可靠性具有重要的工程指導(dǎo)意義。

1 副車架有限元模型的建立

副車架作為整車的重要部件，連接于貨箱和大梁之間起到改善底盤(pán)受力狀況的作用，通常選用槽鋼結(jié)構(gòu)以及根據(jù)舉升機(jī)構(gòu)的形式布置相應(yīng)的鉸接點(diǎn)。如圖1所示，在SolidWorks軟件中根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸建立某型自卸車副車架的模型，并將其導(dǎo)入至Simulation模塊。車架選用Q345b型合金鋼作為模型材料屬性，其他材料參數(shù)分別為：彈性模量210 GPa、泊松比μ=0.3、密度ρ=7.85×10-3 g/mm3。

單元尺寸的大小對(duì)于計(jì)算精度和速度有較大的影響。理論上單元尺寸越小，網(wǎng)格越密，計(jì)算的精度也越高，但隨著網(wǎng)格數(shù)量增多，計(jì)算量越大對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件的要求也越高。所以在能夠滿足計(jì)算精度的要求下，單元尺寸的取值要科學(xué)合理。同時(shí)盡量避免沙漏的產(chǎn)生，設(shè)置網(wǎng)格單元尺寸為0.02 m，模型劃分網(wǎng)格后產(chǎn)生16 562個(gè)單元，24 548個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元模型如圖2所示。

2 模態(tài)分析

在SolidWorks中的Simulation插件中新建頻率分析模塊，并在模塊分析屬性中將提取的頻率數(shù)設(shè)置為前8個(gè)[3]。選取自由模態(tài)模式并運(yùn)行軟件計(jì)算。

自卸車屬于多自由度振動(dòng)系統(tǒng)，其中車體所受振動(dòng)激勵(lì)通常為兩種：一是車輛運(yùn)行狀態(tài)下因路面不平引起的車體振動(dòng)；二是因發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的振動(dòng)。因路面起伏產(chǎn)生的垂直振動(dòng)激勵(lì)頻率一般在20 Hz以下。由于此車型發(fā)動(dòng)機(jī)為WP10.375型，其怠速運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速在700～1 000 r/min之間，換算出其振動(dòng)頻率在11.67～16.67 Hz范圍內(nèi)。

通常車架低階振動(dòng)頻率與外部激勵(lì)頻率重疊范圍較廣，更容易共振且對(duì)車體安全構(gòu)成影響，因此取副車架固有頻率的前8階頻率進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)副車架模型進(jìn)行分析計(jì)算，得到前8階固有頻率如表1所示。

副車架與外部激勵(lì)共振時(shí)的振動(dòng)取決于自身固有的振動(dòng)形態(tài)，表1表明副車架1～8階的振動(dòng)固有頻率范圍在24～108 Hz之間。振動(dòng)形式有車架整體彎曲及局部的扭轉(zhuǎn)兩種振動(dòng)狀態(tài)：其中1、3、5、7、8階振型為彎曲振型，2、4、6階振型為扭轉(zhuǎn)振型。第1階固有頻率為24.274 Hz，車架在X-Y平面內(nèi)彎曲形且加強(qiáng)橫梁處變形量較大；第2階固有頻率為32.312 Hz，副車架加強(qiáng)橫梁附件沿Y-Z平面產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形；第3階固有頻率為33.582 Hz，車架加強(qiáng)橫梁附件在X-Z平面內(nèi)發(fā)生彎曲變形；第4階固有頻率為44.562 Hz，副車架后部沿X-Z面內(nèi)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形；第5階固有頻率為49.241 Hz，副車架管梁后方沿X-Y面內(nèi)產(chǎn)生較大的彎曲變形；第6階固有頻率為67.654 Hz，副車架沿Y-Z面內(nèi)產(chǎn)生了較大的扭轉(zhuǎn)變形；第7階固有頻率為76.731 Hz，副車架沿X-Y面內(nèi)產(chǎn)生了較大的彎曲變形；第8階固有頻率為107.4 Hz，副車架沿X-Y面內(nèi)產(chǎn)生了彎曲變形。仿真計(jì)算表明，副車架前8階的振型都主要表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)和彎曲，最低固有頻率為24.274 Hz，相較于因路面不平產(chǎn)生的車體振動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)20 Hz以下的振動(dòng)其頻率能夠有效避開(kāi)共振區(qū)域，對(duì)車體安全影響不大。

3 結(jié)語(yǔ)

副車架的設(shè)計(jì)是自卸車設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，文章在SolidWorks軟件中建立了副車架的三維模型，并應(yīng)用Simulation插件對(duì)其進(jìn)行了模態(tài)分析。結(jié)果表明該型副車架與外部振源不易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，整個(gè)方法實(shí)用高效，為解決此類工程問(wèn)題提供了一條重要的參考思路。

參考文獻(xiàn)

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