基于ANSYS Workbench煤礦卡車雙聯(lián)橋平衡軸支架力學(xué)性能分析

馮艷秋 馮彥濤

摘 要：文章首先對(duì)我國(guó)的能源現(xiàn)狀做了簡(jiǎn)單的介紹，突出了煤炭在我國(guó)的重大作用，而后由于煤炭資源分布的差異性對(duì)煤炭礦區(qū)的運(yùn)輸造成了很大的不便。文章通過(guò)對(duì)礦用重載卡車的平衡懸架進(jìn)行受力分析，進(jìn)而得出平衡軸支架的受力狀況，為將來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和研究分析提供必要的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：煤礦用重載卡車；平衡軸支架；CATIA建模；ANSYS Workbench有限元分析

中圖分類號(hào)：TU398 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）11-0013-02

Abstract： This paper firstly introduces the current situation of energy in China， highlighting the important role of coal in China. Because of the difference in the distribution of coal resources caused great inconvenience to the transportation of coal mining areas， in this paper， the force analysis is made to the balanced suspension of mine heavy duty truck， and the stress condition of the balance shaft support is obtained， which provides the necessary reference for the structure optimization and research analysis in the future.

Keywords： heavy-duty truck for coal mine； balance shaft support； CATIA modeling； ANSYS Workbench finite element analysis

1 概述

我國(guó)煤炭資源主要集中分布在山西、內(nèi)蒙古、陜西、云南、貴州、河南和安徽等地，七省總儲(chǔ)量占全國(guó)儲(chǔ)量的81.8%，總體分布呈現(xiàn)出“北多南少”“西多東少”的大格局。但是由于地形條件的限制，開(kāi)采運(yùn)輸方式也多種多樣，對(duì)于大型礦區(qū)的山西省和內(nèi)蒙古開(kāi)采區(qū)采用大型礦區(qū)車較多。比如Liebherr T282B、Caterpillar 797B、Liebherr TI 272等[1]，而且對(duì)于中小型礦且礦區(qū)路況不好的礦區(qū)一般采用徐工、北奔、陜汽、斯?fàn)柼?、解放、東風(fēng)、歐曼、JAC等8×4或者6×4車型。8×4即前轉(zhuǎn)向輪為兩軸四輪，后驅(qū)動(dòng)輪為兩軸（橋）每組雙輪共八輪；6×4即前轉(zhuǎn)向輪為單軸兩輪，后驅(qū)動(dòng)輪為兩軸（橋）每組雙輪共八輪[2]。礦用重載卡車的行駛工況復(fù)雜，環(huán)境惡劣，且經(jīng)常承受滿載和超載的重量，只有保證礦用重載卡車的各關(guān)鍵工作部件的剛度和強(qiáng)度，才能實(shí)現(xiàn)礦用卡車的行駛穩(wěn)定性和安全性。對(duì)于礦用卡車而言，其懸架是其重要的總成，而平衡軸支架不僅是礦用卡車的車軸、板簧等安裝的基礎(chǔ)，更是平衡懸架的傳力件和承載件，它的強(qiáng)度、剛度會(huì)直接影響整個(gè)平衡懸架的使用性能，對(duì)保證礦用卡車具有良好的行駛安全性有著非常重要的作用。

2 平衡軸支架模型建立

2.1 SolidWorks簡(jiǎn)介

SolidWorks是達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systemes S.A）下的子公司，專門負(fù)責(zé)研發(fā)與銷售機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的視窗產(chǎn)品。世界上第一款適用于Windows界面適合開(kāi)發(fā)者使用的CAE模擬仿真軟件就是SolidWorks，由于技術(shù)創(chuàng)新符合開(kāi)發(fā)者的使用要求，并且SolidWorks軟件功能強(qiáng)大，組件繁多、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新等突出的特點(diǎn)，使得SolidWorks占據(jù)廣大市場(chǎng)成為了廣大設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)設(shè)首選的CAE軟件。

2.2 模型建立

由于礦區(qū)用重載卡車的平衡軸支架部件眾多且零小部件較多，裝配體較為復(fù)雜，所以考慮到模型建立的準(zhǔn)確性選用SolidWorks進(jìn)行前期模型的建立。為了提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，在模型導(dǎo)入前，對(duì)SolidWorks模型進(jìn)行以下幾個(gè)方面處理：

（1）去除結(jié)構(gòu)中圓角、倒角以及孔進(jìn)而提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量。

（2）簡(jiǎn)化或省略軸承端蓋等相對(duì)質(zhì)量較小，對(duì)結(jié)構(gòu)剛度影響不大的零件。

（3）對(duì)整體模型進(jìn)行等效質(zhì)量處理。模型建好后轉(zhuǎn)換為stp格式，而后導(dǎo)入ANSYS Workbench中。

3 分析方法

3.1 ANSYS Workbench簡(jiǎn)介

Workbench是ANSYS公司提出的協(xié)同仿真環(huán)境，解決企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中CAE軟件的異構(gòu)問(wèn)題。如果把ANSYS進(jìn)行細(xì)分的話可以分為Ansys Mechanical和Ansys Workbench。Ansys Mechanical稱為經(jīng)典界面，比較注重原理和求解器等選擇，對(duì)結(jié)構(gòu)、力學(xué)、有限元等理論知識(shí)要求比較高而且對(duì)初學(xué)者較為難學(xué)，Ansys Workbench是一個(gè)綜合設(shè)計(jì)平臺(tái)，封裝了很多過(guò)程和軟件，且更易上手，對(duì)于沒(méi)有基礎(chǔ)的使用者只要會(huì)簡(jiǎn)單的模塊設(shè)計(jì)即可。ANSYS軟件的結(jié)構(gòu)分析模塊包括：靜力分析模塊（分線性結(jié)構(gòu)靜力析和非線性結(jié)構(gòu)靜力分析）、模態(tài)分析模塊、諧響應(yīng)分析模塊、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析模塊、譜分析模塊及隨機(jī)振動(dòng)分析模塊以及耦合場(chǎng)分析模塊等。

ANSYS Workbench計(jì)算過(guò)程主體分為三部分組成：

（1）前處理模塊。其中前處理包括：模型屬性、單位的定義、建模體網(wǎng)格處理、施加載荷等。

（2）分析計(jì)算模塊。其中此模塊包括：分析項(xiàng)的約束定義和求解步驟，定義載荷及載荷步選項(xiàng)，最后solve。

（3）后處理模塊，包括查看分析結(jié)果、觀察結(jié)構(gòu)變形和生成分析報(bào)告等。

3.2 網(wǎng)格劃分

有限元分析的一個(gè)重要步驟就是建立有限元模型，通常就是對(duì)已建立的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接決定這分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖1給出在建模結(jié)束后對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，Average 為0.73948，滿足0.7以上標(biāo)準(zhǔn)，故而網(wǎng)格劃分符合要求。

4 分析結(jié)果

在平衡軸支架上施加二十噸即200000N的載荷，對(duì)材料的屬性定義為高強(qiáng)度灰鑄鐵，載荷施加在中間的軸套上。則平衡軸支架的總?cè)兆冃螢?.038219mm，平衡軸支架受到的等效應(yīng)力為48.345MPa。結(jié)果如圖2和圖3所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)平衡軸支架進(jìn)行了靜力分析。分析結(jié)果表明平衡軸支架結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力為48.345MPa，最大變形為0.038219mm。經(jīng)過(guò)查看機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，應(yīng)力變形以及最大應(yīng)力均在允許的范圍值內(nèi)。本文中結(jié)果僅為在一種材料下的分析，在以后的分析中可作為一個(gè)參考依據(jù)。另外，在后期的實(shí)驗(yàn)中可以加入對(duì)平衡軸支架的疲勞測(cè)試。

參考文獻(xiàn)：

[1]申城.中國(guó)商用車之路[J].世界汽車，2005（1）：64-65.

[2]寧連旺.ANSYS有限元分析理論與發(fā)展[J].山西科技，2008（4）：65-66.

[3]ANSYS網(wǎng)格劃分[EB/OL].http：//wenda.so.com/q/1375833036068907？src=140.

[4]金晗，張銘升，姜妍，等.基于ANSYS的角托架結(jié)構(gòu)靜力分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（23）：51.

[5]沈潔.基于ANSYS的有限元設(shè)計(jì)分析方法[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（29）：26-27.

[6]付貴，郭湘川.基于ANSYS Workbench的某活塞發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸有限元模態(tài)分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018（06）：20-21.

[7]張娜，陳慶兵，陳科，等.基于ANSYS Workbench的連接軸模態(tài)分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（09）：81.