基于ABAQUS的拖拉機防翻架有限元分析

徐廣生

（信陽市農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)試驗推廣站，河南信陽464000）

1 ABAQUS中有限元模式的構(gòu)建方法

ABAQUS軟件在應(yīng)用過程中，由10個主要模塊：Interaction、Property、Assembly、Visualization、Sketch、Visualization、Sketch、Load、Part、Mesh、Job。在軟件運行過程中，根據(jù)順序進行建造模型、數(shù)據(jù)處理和分析計算。

ABAQUS/CAE的運行原理是在設(shè)備安裝的具體參數(shù)和零件的基礎(chǔ)上建立有限元模型。首先在Part模塊上建立拖拉機零件，接下來使用Property分析材料特性并且對零件進行切面，在界面上標注材料特性，然后使用Assembly模塊對構(gòu)建的零件模型進行拼接，得到一個完整的三維模型。在Step模塊中對構(gòu)建的三維模型進行計算變量和定義分析。在Interaction模塊中按照編程好的程序進行定義零部件的接觸屬性，接觸屬性也可當做載荷的極限約束。在Load模塊中設(shè)定好載荷值以及相應(yīng)接觸條件。使用Mesh模塊對模型進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分結(jié)束后，構(gòu)建的有限元模型就在軟件上初步形成了，模型中的主要數(shù)據(jù)全部儲存在建立的數(shù)據(jù)庫當中。模型構(gòu)建結(jié)束后，運用Job模塊進行提交結(jié)果，進行模型的診斷、分析以及計算，上述步驟完成后，將最后的結(jié)果輸入到專門的數(shù)據(jù)庫，用于后期處理各種機械模型。

2 建立基礎(chǔ)模型

2.1 構(gòu)建仿真有限元模型

拖拉機在使用過程中對部件的強度和剛度要求較高，特別是對防翻架的要求更高。與此同時，防翻架還要具有一定彈性，避免出現(xiàn)事故時對駕駛員造成傷害。因此，拖拉機的防翻架設(shè)計要充分考慮到使用材料的屬性。

2.2 建立三維模型

圖1 防翻架三維模型

圖2 網(wǎng)格劃分模型

當前拖拉機所使用的防翻架通常是由兩側(cè)立足、上下框架組成。上部框架所使用的材料是鋼板和鋼管的組合體，下部立柱為鋼管、加強筋和連接板組成。在保證有限元分析的前提下，對構(gòu)建的模型進行適當精簡，運用軟件建立的防翻架，如圖1所示。內(nèi)頂離座位的高度通常設(shè)置為1200mm，在座位上面758mm處安裝600mm寬的防護裝置。在拖拉機方向盤處加裝寬度為588mm的防護裝置，在座位水平800mm處與防護裝置的距離應(yīng)該在400mm。

2.3 材料屬性

在進行拖拉機防翻架設(shè)計時，選用的材料是Q345，該材料的彈性系數(shù)是2.53×105MPa，在單向受拉或受壓時，橫向正應(yīng)變與軸向正應(yīng)變的絕對值的比值為0.33，密度為6.7×10-6kg/mm，材料的變形速度為10-6m/s。

2.4 網(wǎng)格劃分

在設(shè)計拖拉機防翻架時，應(yīng)用的是鋼材和矩形鋼管，為了提高網(wǎng)格劃分的準確度，使計算過程相對簡便，使用殼單元座位加強筋和鋼板的替代品，使用梁單元代替細長零部件。防翻架網(wǎng)格劃分模型，如圖2所示。

2.5 材料負荷大小的計算以及邊界條件的設(shè)定

假設(shè)拖拉機設(shè)計的質(zhì)量為1933kg，拖拉機后軸的負荷指數(shù)是59.3%，后輪間的距離為1400mm。因為ABAQUS軟件無法進行施加作用力，所以在進行仿真分析時，用移動距離來替換施加作用力效果，經(jīng)過計算，使距離能夠精確代替作用力施加的效果。①第1次縱向距離變化：在模型頂端的左后方施加244mm的水平距離，此時可以滿足設(shè)計要求的負荷，完成后恢復(fù)到初始狀態(tài)。②第1次擠壓變形：運用IMPORT功能，將步驟①中的結(jié)果輸入到其中，在模型頂端施加負荷377kN，施加一段時間后，恢復(fù)初始狀態(tài)。③側(cè)方向施加負荷：將步驟②中的結(jié)果輸入到軟件中，在模型的右側(cè)施加位移245mm，此距離可以代表施加負荷的大小，然后恢復(fù)初始狀態(tài)。④第二次擠壓變形：將步驟③的結(jié)果輸入到軟件中，在模型頂端施加向下33.7kN的負荷，施加結(jié)束后，恢復(fù)初始狀態(tài)。⑤側(cè)向施加負荷：將步驟④的結(jié)果輸入到軟件中，然后，在模型頂端施加向右122mm的水平距離，這段距離代替施加負荷的效果，之后恢復(fù)初始狀態(tài)。經(jīng)過這五步操作，拖拉機防翻架承載相應(yīng)的負荷后，駕駛室空間未超出國家標準。所以防翻架的設(shè)計能夠起到保護作用。

3 結(jié)語

在設(shè)計拖拉機防翻架時，運用ABAQUS有限元分析法，可以對拖拉機防翻架的安全性進行精準預(yù)測，通過多次對比分析確定最安全的設(shè)計方案，同時減少設(shè)計時間和試驗的資金投入。