清障車抱胎器的建模設計與有限元分析

何晨1 馬德宜2

1. 中國重汽集團湖北華威專用汽車有限公司 湖北隨州 441300

2. 三峽大學理學院 湖北宜昌 443003

1 前言

清障車主要用于道路故障車輛、城市違章車輛及搶險救援等。清障車按結構類別主要分為[1]：拖吊連體型、拖吊分離型、平板型、普通型四大系列。清障車的主要功能是將故障車輛經抱胎器拖在清障車的后面。因此抱胎器是清障車設計的關鍵部件之一。

托臂的抱胎器是連接清障車與故障車的關鍵結構是主要的承載和受力部件[2-5]，其設計是否合理對清障車的參數性能有較大的影響，因此，對清障車抱胎器進行合理的結構設計和有限元分析有極其重要的意義。清障車在托牽工作過程中由于各種復雜的工況，可能被剪斷而導致托臂不能工作。因此，對抱胎器在不同工況下進行受力分析是十分必要的。

國內一拖二平板清障車抱胎器是L型結構，操作麻煩，并且無法適應惡劣的道路工況，無法滿足國外客戶要求。本文設計了一款抱胎器，采用鉸接式U型結構，適用于道路差等作業惡劣的環境，調節抱胎銷軸的位置即可適應不同規格輪胎，操作更方便，穩定可靠，可以很好地滿足國內外客戶的要求。本文以此U型抱胎器為研究對象，利用ANSYS軟件通過對抱胎器在靜止狀態、正常行駛和緊急制動三種工況來分析應力應變的分布情況，以證明本文設計的抱胎器結構的page可行性，也為后續設計工作提供參考依據。

2 二維三維模型的建立

托臂中的抱胎器結構如圖1、2所示。抱胎器主要由翻轉管、抱胎管、抱胎板、三角板、封板、抱胎銷軸、十字臂和抱胎加強板等構成。

翻轉管穿過四個抱胎板，抱胎管的兩頭與抱胎板焊接，抱胎銷軸是活動的且可以穿過抱胎板。輪胎放在兩個抱胎板之間，抱胎銷軸用于調節固定不同規格的輪胎。

圖1 抱胎器二維模型

圖2 抱胎器三維模型

3 清障車抱胎器的有限元模型

在對清障車抱胎器模型進行有限元分析前，可對模型適當簡化以保證網格劃分的簡單，并可以縮短求解時間。

在對清障車抱胎器模型有限元分析之前，需要設置模型的材料屬性[6]。

抱胎器材質為Q345，屈服極限為 345 MPa，材料的彈性模量為210 GPa，泊松比設置 0.3，材料密度為 7800 kg/m3。

根據客戶需求，筆者設計了此款U型清障車抱胎器，并建立了抱胎器的有限元模型。抱胎器結構形式主要由翻轉管、抱胎板和抱胎銷軸等組成，該模型的建模采用四面體二次單元，翻轉管、抱胎板和抱胎銷軸之間通過接觸約束連接，為了載荷和邊界條件施加方便，載荷點處采用力分布式約束方程。對三維模型裝配體采用Bonded接觸類型，并對抱胎器抱胎板、抱胎管施加集中荷載，對十字臂施加固定約束，對翻轉管施加（X、Y、Z）方向的平動約束和旋轉的自由度，根據抱胎器的各種實際工況對抱胎裝置加載載荷即可，如表 1 所示。

表1 道路清障車分析工況

工況1模擬的主要是車輛靜止時垂直于地面方向的載荷，工況2模擬的主要是車輛正常行駛時垂直于地面方向以及平行于地面方向的載荷，工況3模擬的是車輛緊急制動時垂直于地面方向以及平行于地面方向的荷載。

為了便于計算，對受力狀態進行了簡化，假設被拖車輛的質量是均勻分布的，將車體質量簡化到直接放在抱胎器上，抱胎器相對其中心是完全對稱的。這樣處理的抱胎器不會出現因車體自身質量不均而發生扭轉。本文將托舉車輛的質量簡化為等效力作用在抱胎器的中心。

有限單元法的理論基礎是能量法，它利用求解位移方法的思路，將分析對象分成大小不一、類別不同的小區域。有限單元法采用結構力學中的位移方法作為理論依據，將分析對象分割成彼此在節點處進行連接的有限個單元的整體。在有限元分析過程中，首先要了解各單元的特性，然后通過單元之間連接節點處的平衡關系建立求解方程，最后根據已知的邊界條件進行求解計算，這樣就把整體連續的計算過程轉化為簡單的單元分析過程。

由于單元之間可以進行各種各樣的聯結，而且單元的形狀也是復雜多變的，所以，不論抱胎器幾何模型多么復雜，都可以對其進行求解。在有限元分析過程中，首先是要將抱胎器三維設計模型轉變為相應的有限元模型，而且有限元模型要和設計模型的結構尺寸一樣。建立有限元模型的方法一般分為兩種，一種是通過三維軟件建立三維模型，然后將實體模型導入分析軟件進行網格劃分等，這種方法適合于結構改動不大，不需對結構進行優化的模型。另一種是通過APDL進行建模，這種建模方法適用于結構比較復雜，且結構設計處于初始階段，需要對結構進行多次改進和優化。本文通過三維軟件建立抱胎器三維模型然后導入ANSYS軟件。

網格劃分是有限元分析的重要步驟之一，網格劃分直接與有限元結果精度有關。ANSYS中網格類型有多種，在此抱胎器模型中以四面體網格為主。劃分網格完成之后的清障車抱胎器網格如圖3所示。

圖3 抱胎器三維模型的網格劃分

4 結果分析

在有限元模型的預處理完成之后，通過ANSYS軟件得到相應的結果。

由于緊急制動是應力應變最大的工況，因此這里僅給出1 t和2 t荷載時的應力分析圖和相應的應變圖，其他情況根據數值繪制相應圖形。從圖4～5中可以看出，緊急制動1 t荷載時應力數值達到極大值為123.79 MPa，緊急制動2t荷載時應力數值達到極大值為210.71 MPa。而抱胎器的材料為Q345，其屈服強度為345 MPa，可見當前的設計是合理的。通過圖4～5可以看出，隨著載荷的加大，均是清障車抱胎器的抱胎管與抱胎板的連接處附件受力最大。因此抱胎管以及與抱胎板的連接處直接影響著整個抱胎器的安全。

圖4 緊急制動1 t荷載的應力分析

從圖6～7中可以看出，緊急制動1 t荷載時應變數值達到極大值為2.11 mm，緊急制動2 t荷載時應變數值達到極大值為3.57 mm。應變變化均較小，且在合理范圍之內，故該清障車抱胎器的設計是合理的。

為了進一步研究應力應變分析，通過ANSYS軟件獲得在不同載荷下不同工況下清障車抱胎器的最大應力值和最大應變值，如圖8～9所示。

通過圖8～9可以看出，隨著載荷的增大，應力與應變均有逐漸增大的趨勢。而且三種工況在荷載2 t之前均快速增加，在荷載2 t之后均緩慢增加。

圖5 緊急制動2 t荷載的應力分析

圖6 緊急制動1 t荷載的應變分析

圖7 緊急制動2 t荷載的應變分析

圖8 三種工況下不同荷載時的應力

市場上小型轎車質量不超過1 t，一般轎車、SUV等質量不超過2 t，大型SUV質量可達3 t左右。因此本文設計的清障車抱胎器，對于托吊市場上常見的轎車是非常有效的。

5 結語

本文以U型抱胎器為研究對象，提出了一種新的設計思路，即先用抱胎管與兩個抱胎板焊接，再用一根活動的抱胎銷軸穿過兩個抱胎板。其優勢主要表現在不需要前后伸縮、調整角度，而是直接通過抱胎銷軸固定輪胎，能夠提高拖車效率，適應惡劣的工作環境；通過在抱胎板上不同的孔位，以適應不同規格的輪胎；整體結構美觀簡潔。本設計使用ANSYS有限元分析軟件對清障車的抱胎器進行分析，仿真結果表明本設計有足夠的結構強度，能保證實際運行安全，為清障車抱胎器結構的設計提供了一種新的思路。

圖9 三種工況下不同荷載時的應變