基于ANSYS的微型車載轉運作業平臺的優化分析

劉彪杰 鐘吳汐

摘要：針對現有車載轉運作業平臺機動性差、調平時間長、作業環境要求高、輔助設備多等問題，設計出有別于液壓系統轉運作業平臺的電機升降式車載轉運作業平臺。運用 ANAYS Workbench對其進行強度分析、模態分析，對轉運平臺做出結構優化，以便滿足設計需求的同時，提高設計效率和減少成本。

Abstract： In view of the problems such as poor mobility， long leveling time， high requirements of working environment and many auxiliary equipments of the existing vehicle transfer platform， a motor lifting vehicle transfer platform different from the hydraulic system transfer platform is designed. The strength analysis and modal analysis are carried out by using the analysis workbench to optimize the structure of the transfer platform， so as to meet the design requirements， improve the design efficiency and reduce the costs.

關鍵詞：強度分析;模態分析;結構優化

Key words： strength analysis;modal analysis;structural optimization

0? 引言

隨專用汽車的發展，對微型車載轉運作業平臺性能的需求有所增加。現有平臺多為液壓系統作業，其在調平過程中難以實現定比傳動，且存在易受環境影響，發生故障不易檢查和排除等因素。本文設計出以電機作為驅動的轉運作業平臺以滿足當下市場對車載轉運作業平臺多樣化、快速調平定位的需求[1]。

1? 有限元分析前期處理

為了便于有限元分析，對部分零部件簡化，略去車橋及油箱等附件[2]，平臺如圖1所示。利用ANSYS對其就行六面體網格劃分，模型如圖2所示，共計162014個節點，67147個單元。

2? 工況邊界條件設定及有限元靜強度分析

在ANSYS Workbench線性靜態結構分析中不考慮慣性和結構阻尼的影響[3]。本文將其靜態工況設定為轉移和調平兩工況靜強度分析。

車載平臺靜態力學分析：

主要模擬車載轉運作業平臺滿載時在良好路面行駛所出現的應力分布與變形情況。車載作業平臺在良好路面行駛時，邊界條件設置如下，在車橋與馬鞍接觸處設置圓柱約束，釋放車架俯仰自由度，約束其徑向和軸向自由度。加載時，考慮車架自重，施加垂向重力加速度，車架承載為20000N，施加在車架中部承載區。經計算，車載平臺應力應變分布情況及分析如圖3、圖4、圖5所示。

因平臺前后軸距較大，重心偏后，致使平臺前端剛度較小，垂向形變位移0.4586mm，支腿銜接處和車橋處應力為193.68MPa，小于材料屈服極限。最大應力在支座處，需加強設計。

3? 車載轉運作業平臺模態分析

模態分析是用于確定設計中的結構或機器部件的振動特性的一種方法。模態特性主要有以下三方面。一是使結構避免共振或按特定頻率進行振動;二是了解結構對不同類型的動力載荷的響應;三是有助于在其他動力學分析中估算求解控制參數[4]。

預應力模態分析：

設定邊界條件模擬真實工況，準確求解車架在具體工況下的動態性能[4]。其預應力情況為良好路面上勻速行駛與調平時，負載由自重和承載質量構成。經ANSYS Workbench的求解，如表1所示。

各振型云圖顯示，車架振型光滑沒有突變。對于轉運作業平臺來說，引起車架振動的激振源主要來自路面不平引起的振動，其激勵一般低于20Hz，而在預應力的作用下，車架剛度有所提高，頻率均高于路面基頻，不會引起作業平臺發生共振。形變在其支腿銜接處、前后車橋附近及轉向盤固定處，最大形變達到6.0467mm。車載平臺調平時，對應頻率的振型變化相對較小。

4? 車載轉運作業平臺優化分析

針對上述問題，優化結構：增加轉向固定裝置與支腿處的剛度;支腿調平時受彎扭載荷，將支座及螺栓布置優化，使承載構件在不影響整車性能的前提下，受力更合理，提高其穩定性。

4.1 車載平臺在路面行駛過程中的有限元再分析

模擬轉運作業平臺滿載時在面行駛所出現的應力分布與變形情況。其應力應變分布情況如圖6、圖7、圖8所示。

優化后垂向位移變形0.4378mm，支座應力為170.93MPa，數據顯示優化后車載平臺的應力應變有了較大改善。

4.2 車載平臺優化后預應力模態分析

針對優化后的平臺在路面上勻速行駛和調平時，在自重和負載下，經過ANSYS Workbench的求解后，如表2所示。

各振型云圖顯示，引起車架振動的激振源主要來自路面。在預應力下，表2中所列的固有頻率高于路面激勵頻率20Hz，對應振型預期效果較優化前有很大提升，滿足預期要求。在調平時其固有頻率隨優化而得到提升，對應振型所呈現的效果相對優化前更接近預期。

5? 結論

本文運用ANSYS Workbench軟件對以電機作為驅動的轉運作業平臺進行優化分析。對不同工況下其應力、應變及預應力模態進行分析和優化，結果表明設計的轉運作業平臺靜動態特性符合設計要求。

參考文獻：

[1]韓婷.基于ANSYS的車架拓撲優化 [D].武漢：武漢理工大學，2013，4.

[2]王亮.車載穩定平臺結構設計及其動態特性分析[D].成都：西華大學，2013.

[3]呂文匯.某型坦克運輸半掛車車架結構有限元分析及優化設計[D].上海：上海交通大學，2006.

[4]曹群豪.軍用客車車身骨架結構隨機振動特性與疲勞分析[D].上海：上海交通大學，2007.