清障車(chē)抱胎器的建模設(shè)計(jì)與有限元分析

何晨1 馬德宜2

1. 中國(guó)重汽集團(tuán)湖北華威專(zhuān)用汽車(chē)有限公司 湖北隨州 441300

2. 三峽大學(xué)理學(xué)院 湖北宜昌 443003

1 前言

清障車(chē)主要用于道路故障車(chē)輛、城市違章車(chē)輛及搶險(xiǎn)救援等。清障車(chē)按結(jié)構(gòu)類(lèi)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(chē)的主要功能是將故障車(chē)輛經(jīng)抱胎器拖在清障車(chē)的后面。因此抱胎器是清障車(chē)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部件之一。

托臂的抱胎器是連接清障車(chē)與故障車(chē)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是主要的承載和受力部件[2-5]，其設(shè)計(jì)是否合理對(duì)清障車(chē)的參數(shù)性能有較大的影響，因此，對(duì)清障車(chē)抱胎器進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有限元分析有極其重要的意義。清障車(chē)在托牽工作過(guò)程中由于各種復(fù)雜的工況，可能被剪斷而導(dǎo)致托臂不能工作。因此，對(duì)抱胎器在不同工況下進(jìn)行受力分析是十分必要的。

國(guó)內(nèi)一拖二平板清障車(chē)抱胎器是L型結(jié)構(gòu)，操作麻煩，并且無(wú)法適應(yīng)惡劣的道路工況，無(wú)法滿足國(guó)外客戶(hù)要求。本文設(shè)計(jì)了一款抱胎器，采用鉸接式U型結(jié)構(gòu)，適用于道路差等作業(yè)惡劣的環(huán)境，調(diào)節(jié)抱胎銷(xiāo)軸的位置即可適應(yīng)不同規(guī)格輪胎，操作更方便，穩(wěn)定可靠，可以很好地滿足國(guó)內(nèi)外客戶(hù)的要求。本文以此U型抱胎器為研究對(duì)象，利用ANSYS軟件通過(guò)對(duì)抱胎器在靜止?fàn)顟B(tài)、正常行駛和緊急制動(dòng)三種工況來(lái)分析應(yīng)力應(yīng)變的分布情況，以證明本文設(shè)計(jì)的抱胎器結(jié)構(gòu)的page可行性，也為后續(xù)設(shè)計(jì)工作提供參考依據(jù)。

2 二維三維模型的建立

托臂中的抱胎器結(jié)構(gòu)如圖1、2所示。抱胎器主要由翻轉(zhuǎn)管、抱胎管、抱胎板、三角板、封板、抱胎銷(xiāo)軸、十字臂和抱胎加強(qiáng)板等構(gòu)成。

翻轉(zhuǎn)管穿過(guò)四個(gè)抱胎板，抱胎管的兩頭與抱胎板焊接，抱胎銷(xiāo)軸是活動(dòng)的且可以穿過(guò)抱胎板。輪胎放在兩個(gè)抱胎板之間，抱胎銷(xiāo)軸用于調(diào)節(jié)固定不同規(guī)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(chē)抱胎器的有限元模型

在對(duì)清障車(chē)抱胎器模型進(jìn)行有限元分析前，可對(duì)模型適當(dāng)簡(jiǎn)化以保證網(wǎng)格劃分的簡(jiǎn)單，并可以縮短求解時(shí)間。

在對(duì)清障車(chē)抱胎器模型有限元分析之前，需要設(shè)置模型的材料屬性[6]。

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

根據(jù)客戶(hù)需求，筆者設(shè)計(jì)了此款U型清障車(chē)抱胎器，并建立了抱胎器的有限元模型。抱胎器結(jié)構(gòu)形式主要由翻轉(zhuǎn)管、抱胎板和抱胎銷(xiāo)軸等組成，該模型的建模采用四面體二次單元，翻轉(zhuǎn)管、抱胎板和抱胎銷(xiāo)軸之間通過(guò)接觸約束連接，為了載荷和邊界條件施加方便，載荷點(diǎn)處采用力分布式約束方程。對(duì)三維模型裝配體采用Bonded接觸類(lèi)型，并對(duì)抱胎器抱胎板、抱胎管施加集中荷載，對(duì)十字臂施加固定約束，對(duì)翻轉(zhuǎn)管施加（X、Y、Z）方向的平動(dòng)約束和旋轉(zhuǎn)的自由度，根據(jù)抱胎器的各種實(shí)際工況對(duì)抱胎裝置加載載荷即可，如表 1 所示。

表1 道路清障車(chē)分析工況

工況1模擬的主要是車(chē)輛靜止時(shí)垂直于地面方向的載荷，工況2模擬的主要是車(chē)輛正常行駛時(shí)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(chē)輛緊急制動(dòng)時(shí)垂直于地面方向以及平行于地面方向的荷載。

為了便于計(jì)算，對(duì)受力狀態(tài)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，假設(shè)被拖車(chē)輛的質(zhì)量是均勻分布的，將車(chē)體質(zhì)量簡(jiǎn)化到直接放在抱胎器上，抱胎器相對(duì)其中心是完全對(duì)稱(chēng)的。這樣處理的抱胎器不會(huì)出現(xiàn)因車(chē)體自身質(zhì)量不均而發(fā)生扭轉(zhuǎn)。本文將托舉車(chē)輛的質(zhì)量簡(jiǎn)化為等效力作用在抱胎器的中心。

有限單元法的理論基礎(chǔ)是能量法，它利用求解位移方法的思路，將分析對(duì)象分成大小不一、類(lèi)別不同的小區(qū)域。有限單元法采用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的位移方法作為理論依據(jù)，將分析對(duì)象分割成彼此在節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行連接的有限個(gè)單元的整體。在有限元分析過(guò)程中，首先要了解各單元的特性，然后通過(guò)單元之間連接節(jié)點(diǎn)處的平衡關(guān)系建立求解方程，最后根據(jù)已知的邊界條件進(jìn)行求解計(jì)算，這樣就把整體連續(xù)的計(jì)算過(guò)程轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的單元分析過(guò)程。

由于單元之間可以進(jìn)行各種各樣的聯(lián)結(jié)，而且單元的形狀也是復(fù)雜多變的，所以，不論抱胎器幾何模型多么復(fù)雜，都可以對(duì)其進(jìn)行求解。在有限元分析過(guò)程中，首先是要將抱胎器三維設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的有限元模型，而且有限元模型要和設(shè)計(jì)模型的結(jié)構(gòu)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(guò)三維軟件建立三維模型，然后將實(shí)體模型導(dǎo)入分析軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分等，這種方法適合于結(jié)構(gòu)改動(dòng)不大，不需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的模型。另一種是通過(guò)APDL進(jìn)行建模，這種建模方法適用于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)處于初始階段，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次改進(jìn)和優(yōu)化。本文通過(guò)三維軟件建立抱胎器三維模型然后導(dǎo)入ANSYS軟件。

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

圖3 抱胎器三維模型的網(wǎng)格劃分

4 結(jié)果分析

在有限元模型的預(yù)處理完成之后，通過(guò)ANSYS軟件得到相應(yīng)的結(jié)果。

由于緊急制動(dòng)是應(yīng)力應(yīng)變最大的工況，因此這里僅給出1 t和2 t荷載時(shí)的應(yīng)力分析圖和相應(yīng)的應(yīng)變圖，其他情況根據(jù)數(shù)值繪制相應(yīng)圖形。從圖4～5中可以看出，緊急制動(dòng)1 t荷載時(shí)應(yīng)力數(shù)值達(dá)到極大值為123.79 MPa，緊急制動(dòng)2t荷載時(shí)應(yīng)力數(shù)值達(dá)到極大值為210.71 MPa。而抱胎器的材料為Q345，其屈服強(qiáng)度為345 MPa，可見(jiàn)當(dāng)前的設(shè)計(jì)是合理的。通過(guò)圖4～5可以看出，隨著載荷的加大，均是清障車(chē)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(gè)抱胎器的安全。

圖4 緊急制動(dòng)1 t荷載的應(yīng)力分析

從圖6～7中可以看出，緊急制動(dòng)1 t荷載時(shí)應(yīng)變數(shù)值達(dá)到極大值為2.11 mm，緊急制動(dòng)2 t荷載時(shí)應(yīng)變數(shù)值達(dá)到極大值為3.57 mm。應(yīng)變變化均較小，且在合理范圍之內(nèi)，故該清障車(chē)抱胎器的設(shè)計(jì)是合理的。

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

通過(guò)圖8～9可以看出，隨著載荷的增大，應(yīng)力與應(yīng)變均有逐漸增大的趨勢(shì)。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(dòng)2 t荷載的應(yīng)力分析

圖6 緊急制動(dòng)1 t荷載的應(yīng)變分析

圖7 緊急制動(dòng)2 t荷載的應(yīng)變分析

圖8 三種工況下不同荷載時(shí)的應(yīng)力

市場(chǎng)上小型轎車(chē)質(zhì)量不超過(guò)1 t，一般轎車(chē)、SUV等質(zhì)量不超過(guò)2 t，大型SUV質(zhì)量可達(dá)3 t左右。因此本文設(shè)計(jì)的清障車(chē)抱胎器，對(duì)于托吊市場(chǎng)上常見(jiàn)的轎車(chē)是非常有效的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以U型抱胎器為研究對(duì)象，提出了一種新的設(shè)計(jì)思路，即先用抱胎管與兩個(gè)抱胎板焊接，再用一根活動(dòng)的抱胎銷(xiāo)軸穿過(guò)兩個(gè)抱胎板。其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在不需要前后伸縮、調(diào)整角度，而是直接通過(guò)抱胎銷(xiāo)軸固定輪胎，能夠提高拖車(chē)效率，適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境；通過(guò)在抱胎板上不同的孔位，以適應(yīng)不同規(guī)格的輪胎；整體結(jié)構(gòu)美觀簡(jiǎn)潔。本設(shè)計(jì)使用ANSYS有限元分析軟件對(duì)清障車(chē)的抱胎器進(jìn)行分析，仿真結(jié)果表明本設(shè)計(jì)有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，能保證實(shí)際運(yùn)行安全，為清障車(chē)抱胎器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。

圖9 三種工況下不同荷載時(shí)的應(yīng)變