基于optistruct的特種車立軸支座局部 結構優(yōu)化研究

靳凱 郭文天 鄧克軍 寧厚于 曹寓

摘 要：某重型特種車在試驗過程中，縱梁外部轉向立軸支座存在肉眼可見位移。現有狀態(tài)下，與支座相連的縱梁、墊板以及螺栓等均有較大變形，車架結構存在安全隱患。針對此現象，選取轉向立軸支座處局部模型，利用有限元進行靜力計算，并分析了該狀態(tài)成因，并基于分析結果提出了改進方案;將改進方案結果與原狀態(tài)作比較，驗證了改進方案的有效性，為后續(xù)車架結構分析提供了參考。

關鍵詞：重型特種車;局部結構;有限元計算;方案改進

中圖分類號：U462.1 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）10-81-03

Researchon the optimization of the local structure of the vertical shaft ofthe vehicle based on optistruct

Jin Kai，?Guo Wentian^*，?Deng Kejun，?Ning Houyu，?Cao Yu

（Beijing Institute of Space Launch Technology，?Beijing 100071）

Abstract：?During the test process of a heavy special vehicle， there is a visible displacement of the steering vertical shaft support outside the longitudinal beam. In this situation， the longitudinal beam， base plate and bolt connected with the support are deformed， and the frame structure has potential safety hazards. For this phenomenon， the local model of the steering vertical shaft support are selected and the static calculation is carried out by the finite element method. Then reasons are analyzed and the two improvement measures are introduced based on the analysis results.?It shows that the measrues are effective with the comparison between the calculation results and provide a reference for the subsequent structure analysis.

Keywords：?Heavy special vehicle; local structure; Finite element calculation;?Scheme improvement

CLC NO.： U462.1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）10-81-03

前言

轉向立軸支座位于車架縱梁外側，轉向油缸、轉向拉桿和輪胎施加的力通過立軸支座向縱梁傳遞。縱梁上轉向過孔的存在使得縱梁局部的強度較弱，在極限工況下，轉向加強梁不足以對縱梁的結構安全性進行補足，因而需要對縱梁進行加強。下圖為轉向立軸支座處局部結構的三維模型。

目前的研究，多是基于有限元方法對車架整體和橫梁型式開展，而對車架局部的結構研究較少。張克鵬、劉剛^[1-2]等分別采用有限元法對不同型式的橫梁結構進行計算研究，得到了較優(yōu)的橫梁結構;鄧莉平、王松、楊先鋒、周文^[3-6]等人采用有限元法，分別對商用車、重型越野車及重型貨車的車架進行了設計和優(yōu)化，得到了實用的車架結構方案。由于車型及結構的特殊性，目前針對轉向立軸支座及相鄰結構開展的相關研究較少，本文針對實車出現的問題，采用有限元方法對該局部結構進行計算分析和優(yōu)化設計，對車輛的后續(xù)改進有重大的指導意義。

1 有限元模型建立

基于Hypermesh軟件建立局部結構的有限元模型。為降低邊界條件對目標區(qū)域結構的影響，模型截取時，橫向和垂向方向包含車架全部結構，縱向在立軸支座前、后擴展1m的車架縱梁;同時為方便計算，對模型進行適當簡化，刪去縱梁內對目標區(qū)域影響較小的支座類結構。由于模型范圍不大，可適當減小單元尺寸，增加計算精確程度，有限元模型網格尺寸約5mm，采用三角形與四邊形相結合的方式。局部結構模型如圖2所示。

車架材料選用HG785D焊接高強鋼，其屈服極限685MPa，強度極限785MPa。車架選用材料如表1所示。

2 模型靜強度分析

2.1 載荷及邊界條件

車輛行駛過程中工況多變，受力復雜，進行靜強度分析時，選擇對轉向立軸結構影響最大的工況進行分析，即左輪中位卡死工況。施加載荷如表2所示：

載荷施加位置為左右立軸支座與轉向橫臂連接點，設置模型約束時，模型縱梁前端面上節(jié)點限制X、Y、Z方向位移，縱梁后端面限制Y、Z方向位移，模型受力及邊界情況如圖3所示：

2.2 結果分析

根據載荷及邊界條件，利用Hypermesh軟件進行有限元分析，結果如圖4所示。由圖4中可知，應力最大位置出現在轉向加強梁與縱梁連接的角隅處，最大應力為291Mpa;整體結構應力較小，縱梁及立軸支座上最大應力為156Mpa，均滿足強度要求。根據應力結果，各處位置均未超過材料屈服極限，因而不會對構件產生嚴重破壞。

縱梁上為安裝轉向系統(tǒng)而存在的大開口使縱梁連續(xù)性受到了破壞。同時，承擔轉向力的立軸支座與轉向開孔位置接近，當立軸支座受到較大外力時，縱梁開孔位置無法提供足夠支撐力，因而在支座上方、開孔邊緣處，縱梁產生了較大位移，最大位移為1.9mm，這對板材螺接位置及其他構件安全極為不利。位移結果如圖5所示。

3 結構優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方案

基于上述計算結果，分別從分擔外力和結構加強兩方面各提出一種補強方案。

1）分擔外力優(yōu)化方案

由圖5可知，最大位移出現的地方為縱梁中部，縱梁上半部分位移較小，縱梁上部無法為立軸支座提供一定支反力，考慮將轉向立軸的部分受力向縱梁上部轉移，本文在原有立軸支座基礎上，在上方增加一個支座，兩個立軸支座共同支撐轉向銷軸，從而使縱梁上部能夠提供更多支撐力。同時，為減輕重量及節(jié)省空間，將兩個立軸支座高度降低30mm。有限元計算時，模型受力位置及大小不變。方案有限元模型如圖7所示：

2）結構加強優(yōu)化方案

位移偏大的另一重要原因是縱梁大開口削弱了縱梁抗彎能力，使其提供支反力的能力下降，因而對縱梁開孔附近的結構進行加強，以提高縱梁強度，因此，提出第二種優(yōu)化方案。

該方案在縱梁內部分別延長垂向筋板高度，以增強縱梁局部抗彎強度。同時，在原有筋板基礎上增開圓形減輕孔，不僅使結構減輕，也為管路提供走線空間，起到固定作用。圖6～圖8分別為原始方案和兩種優(yōu)化方案的有限元模型。

3.2 優(yōu)化結果分析

表3中，圖9～圖14所示為同一工況下不同方案的應力與位移的有限元計算結果云圖，圖中位移為等比例縮放尺寸，由圖可知，兩種改進方案在應力和位移結果上均有較大改善。表4為各方案計算結果數值對比情況。

由表可知，兩種方案都能有效改善結構應力，且應力極值均在材料屈服極限范圍內，滿足結構安全系數要求（>2.5）;對比上述三種方案可知，分擔外力方案和結構加強方案都能有效降低最大位移;對比兩種優(yōu)化方案，在增加同等重量條件下，結構加強方案使最大位移降幅達到38%，明顯優(yōu)于分擔外力方案，因此，結構加強方案改善效果更加顯著。

4 結論

本文針對實車試驗中立軸支座出現的問題，基于Hyper?-works平臺的Optistruct模塊對轉向立軸支座處的局部結構進行了有限元計算，結合計算結果分析了問題出現的原因。基于此提出了兩種改進的結構方案。仿真結果表明，兩種改進方案的應力和位移較初始設計方案有明顯改善，但采用結構加強方案對結構位移的改善效果更顯著，因此，對重型特種車的車架設計具有巨大指導意義。

參考文獻

[1] 張克鵬等，基于DOE技術的某牽引車橫梁優(yōu)化分析[J].重型汽車.?2012.

[2] 劉剛等，商用車車架橫梁的應力分析[J].機械設計與制造工程.?2017（vol.46） No.4：117-119.

[3] 鄧莉萍.基于optistruct的某型商用車車架輕量化研究[D].成都：西華大學，2017.

[4] 王松.某商用客車車架有限元分析及結構優(yōu)化[D].武漢：武漢科技大學，2012.

[5] 楊先鋒.某重型越野汽車車架的結構強度與疲勞校核[J].汽車仿真與測試，2018（3）：68-72.

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