基于ANSYS Workbench煤礦卡車雙聯橋平衡軸支架力學性能分析

馮艷秋 馮彥濤

摘 要：文章首先對我國的能源現狀做了簡單的介紹，突出了煤炭在我國的重大作用，而后由于煤炭資源分布的差異性對煤炭礦區的運輸造成了很大的不便。文章通過對礦用重載卡車的平衡懸架進行受力分析，進而得出平衡軸支架的受力狀況，為將來進行結構優化和研究分析提供必要的參考依據。

關鍵詞：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：TU398 文獻標志碼：A 文章編號：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

我國煤炭資源主要集中分布在山西、內蒙古、陜西、云南、貴州、河南和安徽等地，七省總儲量占全國儲量的81.8%，總體分布呈現出“北多南少”“西多東少”的大格局。但是由于地形條件的限制，開采運輸方式也多種多樣，對于大型礦區的山西省和內蒙古開采區采用大型礦區車較多。比如Liebherr T282B、Caterpillar 797B、Liebherr TI 272等[1]，而且對于中小型礦且礦區路況不好的礦區一般采用徐工、北奔、陜汽、斯爾太、解放、東風、歐曼、JAC等8×4或者6×4車型。8×4即前轉向輪為兩軸四輪，后驅動輪為兩軸（橋）每組雙輪共八輪；6×4即前轉向輪為單軸兩輪，后驅動輪為兩軸（橋）每組雙輪共八輪[2]。礦用重載卡車的行駛工況復雜，環境惡劣，且經常承受滿載和超載的重量，只有保證礦用重載卡車的各關鍵工作部件的剛度和強度，才能實現礦用卡車的行駛穩定性和安全性。對于礦用卡車而言，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，更是平衡懸架的傳力件和承載件，它的強度、剛度會直接影響整個平衡懸架的使用性能，對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簡介

SolidWorks是達索系統（Dassault Systemes S.A）下的子公司，專門負責研發與銷售機械設計軟件的視窗產品。世界上第一款適用于Windows界面適合開發者使用的CAE模擬仿真軟件就是SolidWorks，由于技術創新符合開發者的使用要求，并且SolidWorks軟件功能強大，組件繁多、易學易用和技術創新等突出的特點，使得SolidWorks占據廣大市場成為了廣大設計開發設首選的CAE軟件。

2.2 模型建立

由于礦區用重載卡車的平衡軸支架部件眾多且零小部件較多，裝配體較為復雜，所以考慮到模型建立的準確性選用SolidWorks進行前期模型的建立。為了提高分析結果的準確性，在模型導入前，對SolidWorks模型進行以下幾個方面處理：

（1）去除結構中圓角、倒角以及孔進而提高網格劃分的質量。

（2）簡化或省略軸承端蓋等相對質量較小，對結構剛度影響不大的零件。

（3）對整體模型進行等效質量處理。模型建好后轉換為stp格式，而后導入ANSYS Workbench中。

3 分析方法

3.1 ANSYS Workbench簡介

Workbench是ANSYS公司提出的協同仿真環境，解決企業產品研發過程中CAE軟件的異構問題。如果把ANSYS進行細分的話可以分為Ansys Mechanical和Ansys Workbench。Ansys Mechanical稱為經典界面，比較注重原理和求解器等選擇，對結構、力學、有限元等理論知識要求比較高而且對初學者較為難學，Ansys Workbench是一個綜合設計平臺，封裝了很多過程和軟件，且更易上手，對于沒有基礎的使用者只要會簡單的模塊設計即可。ANSYS軟件的結構分析模塊包括：靜力分析模塊（分線性結構靜力析和非線性結構靜力分析）、模態分析模塊、諧響應分析模塊、瞬態動力學分析模塊、譜分析模塊及隨機振動分析模塊以及耦合場分析模塊等。

ANSYS Workbench計算過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、建模體網格處理、施加載荷等。

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

（3）后處理模塊，包括查看分析結果、觀察結構變形和生成分析報告等。

3.2 網格劃分

有限元分析的一個重要步驟就是建立有限元模型，通常就是對已建立的幾何模型進行網格劃分，網格劃分的質量直接決定這分析結果的準確性。圖1給出在建模結束后對網格進行劃分，Average 為0.73948，滿足0.7以上標準，故而網格劃分符合要求。

4 分析結果

在平衡軸支架上施加二十噸即200000N的載荷，對材料的屬性定義為高強度灰鑄鐵，載荷施加在中間的軸套上。則平衡軸支架的總日變形為0.038219mm，平衡軸支架受到的等效應力為48.345MPa。結果如圖2和圖3所示。

5 結束語

本文對平衡軸支架進行了靜力分析。分析結果表明平衡軸支架結構最大等效應力為48.345MPa，最大變形為0.038219mm。經過查看機械設計手冊可知，應力變形以及最大應力均在允許的范圍值內。本文中結果僅為在一種材料下的分析，在以后的分析中可作為一個參考依據。另外，在后期的實驗中可以加入對平衡軸支架的疲勞測試。

參考文獻：

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