大型礦用自卸車車架結構有限元建模研究

張總

摘要：本文將某大型礦用自卸車的車架作為研究對象，運用有限元的方法構建有限元模型，以正常允許行駛作為邊界條件，對比兩種不同車架焊縫方案的數值計算結果，就數值計算結果中焊縫模型因素的影響進行了分析，以此為參照，對車架模型的準確性進行了驗證。

關鍵詞：大型礦用自卸車;車架結構;有限元方法;建模

中國分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）06-0153-02

在礦山生產中，礦用自卸車是一種非常重要的機械設備，其本身結構復雜且使用條件惡劣，對于車架結構的穩定性和可靠性有著相當嚴格的要求，如果車架結構設計不合理，穩定性和承載能力不足，則會對大型礦用自卸車的整體運行安全造成影響。基于此，在針對大型礦用自卸車進行設計的過程中，應該做好車架架構的分析和研究。

1 研究目標

以大型礦用自卸車為研究對象，借助有限元分析的方法，進行模型構建，以此來研究礦用自卸車在正常運行工況下的車架結構穩定性問題，分析全局加載下車架整體的強度和剛度。同時，基于車架實物模型，構建ADMAS動力學仿真模型，針對自卸車車架結構在制動和極限工況下的鉸接點受力情況進行分析，希望能夠找出車架結構中可能存在的缺陷和問題，通過優化改進的方式，提升車架結構的穩定性和可靠性[1]。

2 有限元建模

有限元模型主要是運用有限元分析方法構建的模型，可以將其看做是于節點位置連接、單純依靠節點傳力，而且只在節點位置受到約束的單元組合體。借助有限元模型，可以構筑起大型礦用自卸車車架結構的模型。

2.1 縱梁結構有限元建模

大型礦用自卸車的車架主體包含兩個縱梁、多個鑄件以及部分大直徑抗扭管件，因為在車架結構中，縱梁腹板的厚度相對于其長度和寬度要小得多，因此可以結合相應的薄殼理論，借助殼單元來完成網格的劃分工作，在這個過程中必須明確，網格的類型以及連接方式會對最終計算結果產生影響。如果元件結構復雜，可以選擇三角形網格，在提升分析效率的同時，能夠減少網格布局的工作量，同時也可以提升模型計算精度。不過從保證收斂性的角度，應該將網格設置為線性三角形和四邊形混用的形式，將三角形過渡單元的數量控制在10%左右，網格單元長度控制在10-30mm之間。一些受力較為苛刻的部位，需要做好局部網格細化，確保其能夠將受力情況真實反映出來，實現對局部最大應力的精確捕捉[2]。

2.2 鑄件結構有限元建模

大型礦用自卸車在設計中，很多時候都會在應力集中位置設置整體鑄件來對車架架構的應力峰值進行控制，鑄件采用的是均勻材質的異形結構件，多數都可以借助六面體單元進行網格劃分，部分需要設置不超過總量1 0%的四面體和五面體，網格單元的大小為20mm。在整體車架結構中，尾部抗扭組件受力苛刻且體積較大，需要將網格單元的尺寸縮小到1 0mm[3]。

2.3 焊縫結構有限元建模

大型礦用自卸車車架主體主要是焊接而成，存在大量焊縫，焊縫結構的有限元建模精度會直接影響車身整體的強度和剛度性能。而在實踐中，經常出現焊縫模擬不足，或者無法準確預測局部應力的情況，而且焊縫本身的形狀性能與母材的差異性影響下，建模環節如果將焊縫材料忽略，則很容易導致焊縫位置應力過大的情況。焊縫建模方式多種多樣，一般情況下，可以將其與其他細節處理成相應的連接結構，完成零部件的裝配。為了方便分析焊縫結構對數據結算結果的影響，設計了兩種有限元建模方案，一是借助CWELD單元對焊縫連接進行模擬，可以對任意類型單元進行連接，也可以通過與不匹配網格的連接，實現對不同零部件網格的批量劃分，這樣能夠大大縮短建模所需的時間[4]。另外，在進行模型裝配以及零部件替換時，并不需要對網格進行重新劃分，各類零部件的更新和處理更加輕松;二是可以借助MSC公司的SEAM三維實體單元，模擬焊縫幾何結構，構筑單元模型。上述兩種模型均為軟模型，比較符合實際情況，雖然憑借簡化模型，并不能對焊縫熱影響區域的應力值進行精確模型，但是得到的數值和發展趨勢都具備一定的參考性，對比剛性連接模型有著更高的精度。

3 模型綜合分析

依照大型礦用自卸車車架的裝配關系，構建精細化的車架架構有限元模型。不同焊縫單元會對數值計算結果產生不同影響，將GWELD單元建立的焊縫單元對應車架模型設定為模型1，SEAM單元建立的焊縫單元對應車架模型設定為模型2[5]。

依照礦用自卸車的實際運行情況，對車架受力和整車的裝配關系進行分析，確定好有限元分析的邊界條件，然后以典型受力狀況為參照，針對不同運行工況，對車架結構的應力分布情況以及最值進行分析計算。若礦用自卸車本身處于滿載運行工況，運行速度恒定，車架的前后懸支撐以及橫拉桿支座會在一定的約束下產生橫向位移，推力架同樣處于一定約束下，不過位移為縱向。將邊界條件施加在與縱梁和懸架存在連接關系的構件上，滿足結構運動約束關系。

自卸車車架需要承載的分布負荷可以分為前部負荷和后部負荷，前部負荷包括動力總成、走臺連接結構、燃油箱、液壓油箱等，后部負荷則包括貨箱、物料等，從便于分析計算的角度，將車架自重、動力總成以及走臺連接結構簡化，以底盤簧載質量進行統一表示。以簧載質量、貨箱質量和自卸車有效裝載質量作為模型輸入載荷，確保總成質量可以在左右縱梁上實現均勻分布，對于一些質量較小的部件如油箱等，直接忽略其影響[6]。

4 不同模型對比研究

4.1 模型1有限元結果分析

于滿載勻速行駛工況下，對車架模型1的應變云圖進行研研究，從等效應力與剛度兩個方面，就車架模型進行相應的計算分析。

模型2中的焊縫與實際焊縫結構最為接近，因此假設其計算結果最接近真實值，與模型1的分析結果進行對比。

尾部抗扭組件鉸接位置會在自卸汽車后軸與舉升缸軸之間的距離中產生較大應變，應變峰值出現在舉升缸附近，變形位移的最大值為9.67mm，可以采用鑄件結構。當自卸車處于滿載勻速行駛工況下時，對第四強度理論的等效應力進行討論，結果表明，在縱梁前懸架支撐位置，以及縱梁后部和尾部抗扭組件位置，承受的應力相對較大，而在距離車架縱梁前端2/3的位置，尾部抗扭鑄件鉸接位置等，同樣出現了應力峰值，車架縱梁的最大等效應力達到178MPa[7]。