基于ANSYS Workbench的重型自卸車貨箱底板有限元分析及結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

李 勇，李文超

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

近年來，隨著我國公路體系的逐步完善和現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，促使重型自卸車運(yùn)輸效益大大提高。公路運(yùn)輸市場(chǎng)也將逐步向集裝箱化、集約化、專用化發(fā)展，因此對(duì)于大馬力、大噸位的重型自卸車市場(chǎng)的需求越來越大。

目前，國內(nèi)重型自卸車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究已從單純依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)逐步發(fā)展到利用有限元等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的階段。為了提高車輛的運(yùn)輸效率，降低重型自卸車貨箱底板的質(zhì)量，減少運(yùn)輸車輛的油耗，需要對(duì)運(yùn)輸車輛進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。由于重型自卸車貨箱底板是貨物運(yùn)輸?shù)闹苯虞d體，所以可對(duì)重型自卸車貨箱底板進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)研究。馮艷秋等[1]采用ANSYS對(duì)煤礦卡車雙聯(lián)橋平衡軸支架進(jìn)行了力學(xué)性能分析。逄明華等[2]對(duì)卡車燃油箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析。季有昌[3]對(duì)推土機(jī)平衡桿進(jìn)行了有限元分析并對(duì)其進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。但是通過研究發(fā)現(xiàn)：國內(nèi)對(duì)重型自卸車貨箱底板有限元分析和輕量化設(shè)計(jì)研究成果較少，大部分有限元分析并未模擬工作狀態(tài)的應(yīng)力情況。

針對(duì)重型自卸車貨箱底板研究較少和有限元分析未模擬工作狀態(tài)應(yīng)力的問題，本文采用三維建模軟件PRO/E以貨箱底板作為研究對(duì)象，利用PRO/E繪出底板三維圖，將三維模型導(dǎo)入有限元仿真軟件ANSYS Workbench中，并對(duì)該模型進(jìn)行有限元分析；根據(jù)有限元分析結(jié)果和輕量化要求，提出改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，對(duì)新型底板進(jìn)行相同工況下有限元分析，最終驗(yàn)證輕量化設(shè)計(jì)方案的合理性。

1 貨箱底板有限元分析模型

1.1 有限元模型的建立

通過PRO/E軟件建立重型自卸車貨箱底板的三維模型[4-5]，將10組零件進(jìn)行裝配，并將貨箱底板模型參數(shù)化。本模型采用默認(rèn)接觸關(guān)系的有限元模型，最后無縫導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中，共生成145個(gè)接觸對(duì)，得到如圖1所示的三維模型。

圖1 底板三維模型

該模型的材料為結(jié)構(gòu)鋼Q235，彈性模量E=2.068×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.84×103kg/m3。重型自卸車貨箱底板結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 重型自卸車貨箱底板結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

在重型自卸車貨箱底板三維模型的構(gòu)建過程中，不僅要考慮模型與實(shí)際的緊密結(jié)合，還要考慮模型計(jì)算的可行性。該底板所受載荷主要為垂直于底板平面的集中載荷，根據(jù)底板結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)計(jì)算模型的準(zhǔn)確性原則，在建立參數(shù)化模型時(shí)對(duì)其進(jìn)行部分簡(jiǎn)化，其簡(jiǎn)化原則為：功能件和非承載件的應(yīng)力水平對(duì)計(jì)算結(jié)果影響小，對(duì)其忽略不計(jì)；構(gòu)件表面光順化，即對(duì)構(gòu)件表面上的孔、凸臺(tái)、凹部和翻邊盡量給予光順。

1.2 模型的網(wǎng)格劃分

貨箱底板裝配關(guān)系復(fù)雜，建立好貨箱底板有限元模型有利于提高設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬的精度和效率。在有限元網(wǎng)格的劃分中，對(duì)于變化平滑區(qū)域則可采用單元尺寸大、網(wǎng)格密度小的策略；對(duì)變化劇烈、圓角過渡和拐角處，要求單元的尺寸小、網(wǎng)格密度大。計(jì)算精度和計(jì)算效率要做到平衡，因?yàn)闉樘岣哂?jì)算精度需要增加單元數(shù)量，往往會(huì)導(dǎo)致計(jì)算效率的下降[6-7]。

ANSYS Workbench提供的網(wǎng)格劃分的方法與 ANSYS 經(jīng)典模式下的網(wǎng)格劃分方法不同。對(duì)于三維實(shí)體，ANSYS Workbench提供的劃分方法有自動(dòng)劃分網(wǎng)格法(Automatic)、四面體劃分網(wǎng)格法(Tetraherons)、掃掠法(Swept Meshing)、多域法和 Hex Dominant法[5]。由于貨箱底板模型是由曲面薄板和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，所以在劃分網(wǎng)格時(shí)采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格的方法。由于受到計(jì)算機(jī)配置的限制，考慮到計(jì)算的效率，設(shè)定網(wǎng)格單元的尺寸為 50 mm。

整個(gè)貨箱底板網(wǎng)格化模型如圖2 所示，網(wǎng)格單元數(shù)為109 634個(gè)，節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為329 179個(gè)。

圖2 貨箱底板有限元模型

2 靜態(tài)應(yīng)力仿真

2.1 約束和載荷的施加

彎曲工況下的約束分別施加在貨箱底板與副車架的連接處，如圖3所示，圖中黃色長方形區(qū)域?yàn)榧s束部分，約束Y方向。載荷如圖4所示，在圖中紅色區(qū)域部分施加垂直載荷，沿Y軸的負(fù)方向，施加343 kN的力，此貨箱底板荷載貨物質(zhì)量為35 t，重力加速度取9.8 m/s2，方向向下。

2.2 求解與結(jié)果

本步驟為靜態(tài)分析，時(shí)間參數(shù)無需設(shè)定。在求解部分選擇整體變形圖、單個(gè)方向變形圖，然后求解。結(jié)果如圖5、6所示。

最終結(jié)果如表2所示，最大整體變形量為11.634 mm，主梁的最大變形量為0.108 17 mm。

圖3 約束示意圖

圖4 載荷的施加示意圖

圖5 靜態(tài)工況下的整體變形云圖

整體變形/mm主梁變形/mmY方向變形/mm應(yīng)變應(yīng)力/MPa11.6340.108 1711.6340.004 12 882.39

3 動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真

3.1 有限元模型

為了更貼近貨箱底板的實(shí)際工作過程，需進(jìn)行貨箱底板動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析，模擬貨箱卸貨過程中底板受力情況。動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析所采用的模型與靜態(tài)應(yīng)力分析類似，與靜態(tài)應(yīng)力不同的是在貨箱底板的后尾梁部分添加軸，以便添加旋轉(zhuǎn)副。動(dòng)態(tài)應(yīng)力貨箱底板有限元模型如圖7所示[8]。

圖7 動(dòng)態(tài)工況下貨箱底板有限元模型

3.2 約束和載荷的施加

貨箱底板與副車架是通過旋轉(zhuǎn)軸連接，模擬動(dòng)態(tài)過程所需施加的約束和載荷為：貨物的質(zhì)量35 t，如圖8所示紅色部分E；液壓缸作為動(dòng)力源提供40 t的提升力，如圖8所示紅色部分B；旋轉(zhuǎn)副旋轉(zhuǎn)角度為45°，如圖8所示藍(lán)色部分；軸的兩端為完全約束，如圖8所示黃色部分C；加載重力加速度，如圖8所示黃色部分A。此貨箱底板荷載貨物質(zhì)量為35 t，重力加速度取9.8 m/s2，方向向下，支撐貨箱底板的液壓缸提供40 t的支撐力，貨箱底板升起傾斜角為45°。

圖8 動(dòng)態(tài)工況下約束和載荷

3.3 求解與結(jié)果

在貨箱底板升起過程中，貨箱底板上的載荷是變化的。但是在ANSYS Workbench中變化是通過載荷步來設(shè)置，而實(shí)際運(yùn)行工況中貨物的載荷是連續(xù)變化的，所以無法模擬這個(gè)可變載荷。本文采用另一種方案加載固定最大載荷，研究貨箱底板變形情況。在求解部分選擇整體變形圖和應(yīng)變圖，結(jié)果分別如圖9、10所示。

圖9 動(dòng)態(tài)工況下整體變形

圖10 動(dòng)態(tài)工況下應(yīng)變?cè)茍D

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 靜態(tài)應(yīng)力仿真

為了滿足卡車貨箱底板的輕量化需求，特別對(duì)此貨箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，做出的結(jié)構(gòu)改進(jìn)如下：將原貨箱底板厚度4 mm改為2 mm，材料不變；將底板中部中橫梁平行放置改成正三角形排布放置，數(shù)量為12根；為了確保底板的強(qiáng)度和剛度，在前橫梁和后尾梁處分別加上1根平行放置的中橫梁。三維實(shí)體如圖11所示。

改進(jìn)前后貨箱底板的質(zhì)量發(fā)生了變化，改進(jìn)前的貨箱底板的質(zhì)量為1.19 t，改進(jìn)后的貨箱底板的質(zhì)量為0.94 t，減輕了0.25 t，如圖12所示。此次改進(jìn)符合輕量化的需求，但是做出輕量化設(shè)計(jì)一定是保證在一定范圍內(nèi)變形為前提。

對(duì)改進(jìn)后貨箱底板的分析與改進(jìn)前貨箱底板的分析步驟一致，設(shè)置參數(shù)一致，這樣才能保證改進(jìn)前后參照對(duì)比性。在求解部分選擇整體變形圖、單個(gè)方向變形圖，然后求解，結(jié)果如圖13、14所示，可見改進(jìn)后最大整體變形量為44.846 mm，主梁的最大變形為0.251 44 mm，具體結(jié)果見表3。

圖11 改進(jìn)后三維實(shí)體

圖12 改進(jìn)前后質(zhì)量對(duì)比

圖13 改進(jìn)后靜態(tài)工況下的整體變形云圖

圖14 改進(jìn)后靜態(tài)工況下Y方向變形云圖

整體變形/mm主梁變形/mmY方向變形/mm應(yīng)變應(yīng)力/MPa44.8460.251 4444.8450.005 61 120.5

4.2 動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真

改進(jìn)后模型的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析的載荷和約束條件與改進(jìn)前載荷和約束條件一致，保證仿真前后結(jié)果的可比性。在求解部分選擇整體變形圖和應(yīng)變圖，分別如圖15、16所示。

圖15 改進(jìn)后動(dòng)態(tài)工況下整體變形

圖16 改進(jìn)后動(dòng)態(tài)工況下應(yīng)變?cè)茍D

5 結(jié)果分析

5.1 靜態(tài)應(yīng)力結(jié)果分析

為了更加明顯地表現(xiàn)2根縱梁之間的應(yīng)力變化情況和更加清楚地顯示貨箱底板結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的關(guān)系和對(duì)比，采用應(yīng)力線圖來觀察，計(jì)算的結(jié)果也可以以圖表的形式顯示。選擇一條改進(jìn)前后模型中的相同路徑，總體變形路徑曲線如圖17、18所示，該路徑的整體變形歷程如圖19、20所示[9-10]。

分析圖17～20，比較模型改進(jìn)前后的最大值，可見改進(jìn)前變形的最大值為0.108 17 mm，改進(jìn)后變形的最大值為0.251 44 mm，兩者相差較小，改進(jìn)后模型的變形值在允許范圍之內(nèi)。圖19路徑變形歷程曲線圖較規(guī)律，呈周期分布，因?yàn)楦倪M(jìn)前模型底板中部中橫梁平行放置，最高點(diǎn)都是出現(xiàn)在中橫梁和底板縱梁的連接部位；而改進(jìn)后的模型由于底板中部橫梁是正三角形布置，所以變化起伏較大，最高點(diǎn)仍然出現(xiàn)在中橫梁與底板縱梁的連接部位，因?yàn)榇颂幦菀状嬖趹?yīng)力集中。

圖17 改進(jìn)前模型靜態(tài)工況總體變形路徑曲線

圖18 改進(jìn)后模型靜態(tài)工況總體變形路徑曲線

圖19 改進(jìn)前模型靜態(tài)工況路徑位移變形歷程曲線

圖20 改進(jìn)后模型靜態(tài)工況路徑位移變形歷程曲線

5.2 動(dòng)態(tài)應(yīng)力結(jié)果分析

貨箱底板在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變形數(shù)據(jù)分析不等同于靜態(tài)狀況下的數(shù)據(jù)分析，在靜態(tài)中Total Deformation指的就是模型的變形量，而在動(dòng)態(tài)中Total Deformation指的是剛度位移，所以在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理中，Total Deformation不具備分析變形的參考價(jià)值，在動(dòng)態(tài)分析中應(yīng)該采用Equivalent Elastic Strain來考察模型是否有變形。應(yīng)變是考察自身內(nèi)部的變形，所以此項(xiàng)能作為研究模型變形的參考依據(jù)[11-12]。本模型的材料采用結(jié)構(gòu)鋼Q235，應(yīng)力和應(yīng)變公式為

δ=E·ε

(1)

式中：δ為應(yīng)力；E為彈性模量；ε為應(yīng)變。根據(jù)此公式算得結(jié)構(gòu)鋼Q235的彈性變形值為0.117 5 mm，而改進(jìn)前后的模型的最大變形值分別為0.185 6 mm和0.193 38 mm，觀察最大變形的位置為貨箱底板連接處，因?yàn)樵谀Ｐ徒r(shí)零件之間的裝配關(guān)系是默認(rèn)的關(guān)系，而在實(shí)際生產(chǎn)過程中零件之間都是通過焊接裝配的，所以在連接處的變形不是本課題研究的重點(diǎn)，而貨箱底板主縱梁的變形才是重點(diǎn)，據(jù)此在模型中主梁上的一條線作為分析對(duì)象，得到的改進(jìn)前后路徑曲線和路徑位移變形歷程曲線，分別如圖21～24所示[13-14]。

圖21 改進(jìn)前模型動(dòng)態(tài)工況應(yīng)變變形路徑曲線

圖22 改進(jìn)后模型動(dòng)態(tài)工況應(yīng)變變形路徑曲線

圖23 改進(jìn)前模型動(dòng)態(tài)工況路徑位移變形歷程曲線

圖24 改進(jìn)后模型動(dòng)態(tài)工況路徑位移變形歷程曲線

改進(jìn)前的主梁總變形量為0.432 72 mm，改進(jìn)后主梁總變形量為0.452 17 mm，改進(jìn)前后總變形量大體相等，所以改進(jìn)后結(jié)構(gòu)是合理的。由于結(jié)構(gòu)鋼的彈性變形量為0.117 5 mm，所以改進(jìn)前后塑性變形量分別為0.315 22 mm和0.334 67 mm，因此整個(gè)貨箱底板的改進(jìn)前后變形分別為24.1 mm和25.5 mm。

將靜態(tài)工況下與動(dòng)態(tài)工況下仿真結(jié)果進(jìn)行比較，本文所提出的輕量化設(shè)計(jì)方案符合應(yīng)力和強(qiáng)度要求，車廂底板質(zhì)量從原有1.19 t降低到0.94 t，變形量相差1.4 mm，在可控范圍以內(nèi)。

6 結(jié)束語

本文以有限元的基本理論為基礎(chǔ)，采用三維軟件PRO/E建立重型自卸車貨箱底板的應(yīng)力分析有限元模型,并導(dǎo)入ANSYS Workbench中。利用ANSYS Workbench有限元仿真軟件，計(jì)算得到靜態(tài)工況與動(dòng)態(tài)工況下貨箱底板的應(yīng)力分布和變形量。基于有限元分析結(jié)果，對(duì)貨箱底板進(jìn)行正三角布置重型自卸車貨箱底板中部橫梁的輕量化設(shè)計(jì)，貨箱底板總質(zhì)量降低了20.88%，變形量相差1.4 mm，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)符合變形和強(qiáng)度要求，輕量化設(shè)計(jì)效果明顯，驗(yàn)證了輕量化設(shè)計(jì)方案的合理性，實(shí)現(xiàn)了輕量化目標(biāo)。