基于有限元法的攤鋪機車架結構分析*

孫 健，劉 暢，楊鵬程

(徐州工程學院 機電工程學院，江蘇 徐州 221018)

0 引 言

攤鋪機廣泛應用于公路基層和面層上各種攤鋪材料的施工作業[1]。車架是攤鋪機的承重構件，由高強度板材和各種型鋼焊接而成，形成一個剛性結構件，其形狀復雜，體積較大。車架的空間結構設計以及加工制造水平不僅影響整機的尺寸和質量，且在一定程度上影響攤鋪施工效果及整機可靠性，因此對攤鋪機車架的強度和剛度研究是整機設計和制造必不可少的環節[2]。現有大型復雜攤鋪機車架一般采用模仿法和類比法進行設計，通過樣機試制、結構改進使車架結構和性能趨于合理，設計周期長且設計精度低。現有的經驗公式也很難對大型復雜車架進行強度分析計算，在有限元分析方面也大多是對車架前、后板或左、右側板等零部件進行強度分析。

本文依據大型攤鋪機車架的實際結構，建立車架整體的有限元模型，模擬實際載荷條件，根據攤鋪機的多種工況，對攤鋪機車架進行設計和強度校核，從源頭上避免部分設計缺陷和不足，為樣機的設計和研究提供理論依據。

1 攤鋪機車架結構

某攤鋪機車架材料主要采用貫通式鋼板和型材，由前擋板、底框架、左右側板、機身前板、機身后板、左側梁、右側梁、機身底板、前吊耳、以及后吊耳等組成，車架的長度為5 262 mm，高度為1 800 mm，寬度為2 650 mm。

攤鋪機車架結構如圖1所示。

圖1 攤鋪機車架結構

圖1中，前擋板設置在車架前部，其上安裝推輪，用于在施工時頂推自卸卡車；車架的左右側板和前后板組成車架的主體結構，左右側板間焊接底框架，增強左右側板的聯結強度，同時起配重作用；機身前后板間焊接左右側梁及底板，形成一個剛性的框架結構；機身底板上焊接4個柴油機安裝座，用于安裝柴油機；前吊耳焊接在前擋板上，后吊耳焊接在后板和側梁的連接處，用于加工制造時起吊車架及施工時起吊整機[3]。

整個車架結構應具有足夠的強度和剛度，又應具有足夠的內部空間尺寸，用于安裝其他工作裝置。

2 車架有限元模型建立

對大型復雜結構的有限元分析，仿真模型的建立是十分重要的。由于攤鋪機車架結構比較復雜，筆者先在PRO/E中建立車架的實體模型，再導入ANSYS軟件中進行分析計算[4]。定義材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性參數

構建有限元模型時，為保持計算精度，并控制計算規模，需要對攤鋪機車架的結構作如下適當的簡化和變換處理：

(1)車架和其他部件的連接部分即承載部分要盡量保持原有結構和位置，方便載荷添加和結構分析；

(2)車架的非承載部分，因為其對整個車架的應力和變形影響較小可忽略不計，例如忽略對結果影響不大的小圓孔以及倒角等；

(3)建模時將某些節點位置與實際載荷的作用點位置對應，提高載荷模擬的準確性。對于兩者位置接近的作用點可采用合并方式進行處理。

ANSYS有限元分析是一種模擬實際載荷條件，并且研究在確定載荷條件下結構的響應特性，是對實際情況的數值模擬[5]。因此，在有限元分析中施加約束及載荷是有限元結構分析的一個關鍵環節，約束及載荷確定的正確與否也是有限元分析成敗的關鍵[6]，具體有：

(1)車架的質量通過在模型豎直方向施加重力加速度g=-9.8 m/s2來實現；

(2)在實際工作情況下，車架通過前后4個支座與履帶連接，其上連接柴油機、油箱、料斗、駕駛棚、外罩等部件。故分析中，在機架與履帶的連接處施加位移約束，進行全約束；

(3)模擬滿載工況時，攤鋪機料斗以及混合料的滿載質量為(1 061+4 500)kg，通過均布載荷垂直作用于料斗與車架的裝配位置；

(4)柴油機及其上連接的散熱水箱，分動箱及液壓泵等件總重1 550 kg通過面載荷施加在4個柴油機安裝座上。駕駛棚、外罩及駕駛員總成1 200 kg通過面載荷施加在機架上表面的連接部位。分料系統900 kg作為集中載荷施加在機架后板的相應節點處。

液壓、電氣系統、輸料裝置以及調平系統等部分也通過面載荷施加在相應連接處，模擬各部件重力。建立的有限元模型如圖2所示。

圖2 攤鋪機車架有限元模型

3 車架靜態特性分析

根據攤鋪機的不同工況，對攤鋪機車架進行靜力分析：

工況1：攤鋪機停止工況，大臂提起熨平板。此時機架所受載荷為其上安裝各部件的重力和后吊耳提升熨平板所受的力；

工況2：攤鋪機攤鋪工況，攤鋪機頂推料車。此時機架所受載荷為各部件重力和攤鋪機頂推料車的作用力1×104kg；

工況3：攤鋪機廠內吊裝工況。此時機架所受載荷為各部件重力和起吊攤鋪機的作用力1.75×104kg；

工況4：考慮攤鋪機整機工地現場吊裝工況。此時機架所受載荷為各部件重力和起吊攤鋪機的作用力2.75×104kg。

對攤鋪機車架按各種工況進行靜力分析[7]，得到車架的變形云圖及應力情況如圖(3～6)所示。

圖3為停止工況時，車架的變形云圖及后板的應力云圖，從圖可得最大變形在車架上平面處，為0.399 mm，最大應力在起吊裝置與后板的連接處，為61.47 MP。

圖3 停止工況分析結果

圖4為攤鋪工況時，車架的變形云圖及后板的應力云圖，此時攤鋪機頂推料車，前擋板與側板前部變形較大，為0.402 mm。

圖4 攤鋪工況分析結果

在廠內起吊工況下(見圖5)，此時主要考慮前后吊耳處的應力情況，由圖可得最大應力在后吊耳與后板的連接處，為91.342 MP，前吊耳處應力僅為20.51 MP。

圖5 廠內吊裝工況分析結果

圖6表明，在工地起吊工況下，前后吊耳上施加了2.75×104kg的力，此時，前吊耳處應力稍有增大，變為20.81 MP，而后吊耳與后板的連接處應力達到了122.68 MP。可見前吊耳處結構能夠滿足要求，而起吊裝置與后板的連接處剛性較差，需要進行進一步的性能結構優化，以滿足使用要求。

圖6 工地吊裝工況分析結果

4 車架模態分析

機械結構的固有特性由結構的固有頻率和振型等一系列模態參數構成，它與外載荷無關，而在于結構本身，但決定了機械結構相對外部載荷的響應[8]。結構的固有特性分析就是對其模態參數分析計算，其目的主要是避免結構共振以及出現有害的模態振型，并且能夠為結構響應分析提供依據。

下面建立攤鋪機車架的多自由度振動微分方程，即：

(1)

由于模態分析目的是求解系統的固有頻率和相應振型，分析時令阻尼項和外力為零，可得車架的無阻尼自由振動微分方程，即：

(2)

對上式進行求解，可得到：

(K-ω2M)δ=0

(3)

式中：ω—固有頻率。

式(3)可用廣義特征值det(K-ω2M)=0求得,通過對K或M進行三角化過程，可分別解得：

由此可見，由廣義的特征值問題可以得到n個特征值，它們順序排列成如下：

(4)

式中：λi(i=1,2…,N)λ1,λ2,……,λN—n個實特征值；ωi(i=1,2…,N)ω1,ω2,……,ωN—第1、第2、…，第n階固有頻率，而各階固有頻率對應的對應的特征向量稱為第1、第2、…，第n階固有振型。

該車架模型采用Block lanczos作為提取方法進行模態分析，因為低階模態對系統的振動影響比較大，只需求出前面幾階的固有頻率與相應振型即可[9-10]。

本文通過ANSYS求解出車架各階振型圖，前10階模態頻率如表2所示。

表2 攤鋪機車架的1～10階固有頻率

前6階模態振型如圖7所示。

圖7 攤鋪機車架振型圖

模態分析的結果表明：車架結構的整體固有頻率值不是很高,尤其是低階頻率,說明該結構動剛度較小。

圖7(c～f)所示的第三和五階模態振型表明車架的上平面前后板與左右側梁連接處扭曲變形較大，設計時考慮可在前板與后板上增加筋板，增強前板與后板的強度，同時增加左右側梁橫截面尺寸，提高左右側梁與側梁的連接剛度。

圖7(g)所示的第六階模態振型顯示前擋板與側板連接處出現扭轉情況，故需通過增加連接筋板提高前擋板與左右側板前部的連接剛度。

5 結束語

在攤鋪機車架設計中，預先進行結構的理論分析，研究車架的強度、剛度以及動態特性等參數，可以很好地縮短產品開發周期和提高設計質量。本文采用有限元法建立了大型復雜攤鋪機車架整體的有限元模型，根據攤鋪機的多種工況，對攤鋪機車架進行了靜態特性分析和模態分析。

通過對車架的靜態分析可知，前吊耳處結構能夠滿足力學性能要求，而起吊裝置與后板的連接處剛性較差，需要進行進一步的性能結構優化；通過對車架的模態分析，則顯示出了結構的動態薄弱環節；設計時可通過對車架的薄弱環節增加筋板或增大截面尺寸等，來提高攤鋪機車架的整體剛度，進而減小變形確保攤鋪機車架的使用要求。