基于ANSYS的農用掛車氣壓制動系統設計與仿真

董世鋼

(長春汽車工業高等專科學校，長春 130013)

0 引言

隨著現代農業機械化程度的不斷提高，糧食的運輸量越來越大，糧運市場上對重型掛車的需求也越來越高，而目前我國使用的掛車制動系統還較為落后，嚴重制約了農用掛車的發展，因此對農用掛車氣動系統的研究具有重要意義。當前，我國采用的掛車系統大部分是進口的，很少對其局部結構進行分析或者改進，因此對制動系統部件具體特性的分析對整套制動系統性能的研究有著極為重要的作用。彈簧是農用掛車剎車系統四路保護閥使用的核心器件之一，而四路保護閥是保證農業掛車剎車系統可以正常作用的重要因素。本研究采用了ANSYS仿真分析軟件對其展開分析，對于整個農業掛車剎車系統的研究具有重要的現實意義。

1 農用掛車氣壓制動系統分析

農用掛車屬于重型汽車，其剎車系統和普通轎車的剎車系統有所不同。在掛車系統上除了有駐車制動外，還有單獨的牽引掛車制動手柄，這樣才能保證車頭和牽引掛車剎車的同時制動性能。

圖1為全車制動系統原理圖。為了保證剎車的獨立性，氣動制動分為4個回路，包括前橋系統、中橋系統和停車與輔助制動系統。4個回路采用四回路保護閥的方法，防止單獨一路發生故障對其他回路造成影響。

圖1 全車制動系統原理圖

圖2為農用掛車制動的過程原理圖。在制動踏板的作用下，制動氣進入剎車系統，使剎車系統瞬間獲得較大的制動力；抬起制動踏板后，外界大氣壓和制動系統大氣壓相通，制動結束。

為了保證剎車系統的正常工作，剎車系統安裝有4路保護閥，4個回路以并聯或者串聯的方式彼此可以反饋信息，閥門的開啟主要是由腔體傳過來的壓力 彈簧的預緊力決定的。彈簧是農用掛車剎車系統四路保護閥使用的核心器件之一，其性能的好壞直接關系到四路保護閥(見圖3)的作業性能，因此對其力學和變形等性能的分析非常重要。本研究采用了ANSYS仿真分析軟件對其展開研究，得到了較好的效果。

圖2 制動過程原理圖

圖3 四路保護閥結構

2 氣壓制動預緊彈簧應力應變分析模型和流程

UT=[U1U2…U(2i-1)U2i…U2n]

(1)

對于每個三角形單元，都有3個節點和其關聯，假設節點的序號為i、j、k，則三角形單元沿著x和y軸方向的位移變形示意圖如圖4所示。

圖4 三角形單元節點位移示意圖

圖4中，其位移和3個節點相關。位移表達式為

(2)

(3)

從幾何意義來說，利用這種近似方法具有一定的誤差。這就是因為實際的單元是一系列復雜的曲面，用平面來代替必然存在一定的誤差；但是，如果將平面單元劃分為很多小的平面，便可以近似的代替曲面。因此，將節點位移可以寫成矩陣的形式

(4)

如公式(4)所示，利用矩陣表達式可以將待定系數用位移來表示，于是公式(3)可以寫成

u(x,y)=N1u1+N2u2+N3u3

(5)

(6)

a1、b1、c1分別為

a1=x2y3-x3y2,b1=y2-y3,c1=-x2+x3

(1→2→3→1)(7)

A表示單元的面積，其表達式為

(8)

其他N2、N3的式子也用類似的方法可以得到。(1→2→3→1)表示循環交換，同理可得

v(x,y)=N1v1+N2v2+N3v3

(9)

綜合起來可得

(10)

其中

(11)

通過上述方法，可以將連續體上的位移用很多有限單元的位移來表示，將一個未知求解問題轉換成很多個未知求解問題，從而完成有限單元的離散化，具體流程如圖5所示。

圖5 ANSYS仿真優化計算流程

采用ANSYS軟件對農用掛車氣壓制動系統進行優化，主要包括前處理和后處理兩部分。前處理首先是采用Pro/E軟件建立仿真模型，然后對模型進行有限單元網格劃分，網格劃分完成后需要根據氣動制動系統的實際作業情況施加邊界約束和實際作業載荷。前處理完成后便可以采用ANSYS軟件進行仿真計算，計算完成后開始后處理操作，通過后處理可以得到應力、應變和實際變形等設計參考數據。

3 農用掛車氣壓制動系統設計與仿真

ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)軟件，可以使用在流體、電磁、結構及傳熱等仿真分析領域，歷年在FEA軟件評選中都是第一，其功能強大、操作簡單，是目前最流行的仿真分析軟件之一。為了驗證ANSYS分析軟件在農用掛車制動系統優化中使用的可行性，以制動系統預緊彈簧的分析為例，通過應力和變形云圖的分析，將農用發動機氣壓制動系統的預緊彈簧工作過程生動直觀地表達出來。

如圖6所示，本分析以農用掛車氣壓制動系統的預緊彈簧分析為例，利用Pro/E 軟件建立了彈簧的分析模型，并對模型進行了網格劃分，最終得到了如圖7所示的模型效果圖。

圖6 農用掛車實際車型圖

圖7 預緊彈簧模型效果圖

在劃分好網格的彈簧模型上可以施加約束和載荷，為了使仿真和實際效果相吻合，將底部彈簧固定，頂部彈簧施加氣壓制動系統的實際預緊載荷，通過分析得到了如圖8所示的分析結果。

圖8 預緊彈簧應力云圖及結構變形圖

由圖8可知：利用ANSYS計算得到的氣壓制動系統預緊彈簧的最大變形量為28.06mm，與實際計算得到的27.82相差不大，從而驗證了仿真的可靠性。為了使仿真結果更加直觀，輸出了彈簧的實際變形，如圖9所示。

圖9 預緊彈簧實際變形

ANSYS還具有輸出模型實際變形的功能。通過圖7得到的最大位移和應力位置，在圖9中可以重點來考察其實際變形情況，結果更加生動形象，便于農用掛車氣動制動系統的優化設計人員參考設計數據。

4 結論

彈簧是農用掛車剎車系統四路保護閥使用的重要器件，其性能直接關系到整個掛車氣制動系統的性能，本次研究采用ANSYS有限元仿真的方法對其動力學性能進行了仿真研究。首先采用Pro/E軟件建立了剎車氣動制動系統的預緊彈簧三維模型，然后利用四面體網格形式劃分了彈簧的網格，最后根據掛車制動時的實際作業狀態，施加了彈簧約束和力學載荷，得到了彈簧動作的仿真結果。由仿真結果可以得到彈簧在實際動作時的應力和變形云圖，并且還可以將彈簧的實際變形直觀地表達出來，從而驗證了方案的可行性。

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