基于ANSYS Workbench的全向運(yùn)輸車體框架仿真分析

張 賀

(中船重工海為鄭州高科技有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，對(duì)具有特定性能車輛的研發(fā)和應(yīng)用越來(lái)越引起各行業(yè)重視。全向運(yùn)輸車作為工業(yè)多功能運(yùn)輸車輛中的一種，其不僅具備在平面上可以實(shí)現(xiàn)前后、左右和原地旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)特征，而且還具備在不改變車體自身位姿的情況下向任意方向移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性[1-4]。全向運(yùn)輸車不僅擁有更大的運(yùn)動(dòng)靈活性，克服了傳統(tǒng)運(yùn)輸車無(wú)法橫向移動(dòng)和原地轉(zhuǎn)動(dòng)等的運(yùn)動(dòng)缺陷，而且還可以根據(jù)運(yùn)輸物品的特點(diǎn)方便地更改車體結(jié)構(gòu)，更加適用于工作空間狹窄有限、對(duì)運(yùn)動(dòng)靈活性和承載重量有要求的場(chǎng)合[5]。全向運(yùn)輸車已經(jīng)在多個(gè)智能裝備行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，如軍工、航天、智能工廠等領(lǐng)域，并且在這些領(lǐng)域的智能化制造和裝備過(guò)程中發(fā)揮了巨大的實(shí)用價(jià)值。

本文以正在研制的某型號(hào)全向運(yùn)輸車承重框架為目標(biāo)，利用軟件SolidWorks構(gòu)建實(shí)體三維模型，通過(guò)CAE有限元分析軟件對(duì)整體框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析，以驗(yàn)證整體框架結(jié)構(gòu)在實(shí)際工況下的選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性[6]。然后利用ANSYS中的動(dòng)力學(xué)分析模塊對(duì)整體框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析[7，8]，不僅為之后的全向運(yùn)輸車電機(jī)的選取提供參考，而且為后期對(duì)全向運(yùn)輸車更精準(zhǔn)的平穩(wěn)性設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

1 建立全向運(yùn)輸車體框架有限元模型

1.1 三維模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，對(duì)全向運(yùn)輸車體框架的設(shè)計(jì)采用橫截面為溝槽型的設(shè)計(jì)方案，其主要由位于兩端的端梁、中間承重梁、兩側(cè)加強(qiáng)筋、框架連接梁及兩側(cè)的支撐座等部件組成，框架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。整體框架結(jié)構(gòu)均采用矩形型材焊接而成，整體長(zhǎng)、寬、高為2 150 mm×1 380 mm×320 mm。

1-端梁;2-承重梁;3-加強(qiáng)筋;4-連接梁;5-支撐座

運(yùn)用SolidWorks強(qiáng)大的建模功能對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模。為了提高后續(xù)對(duì)結(jié)構(gòu)的分析效率，在建模過(guò)程中忽略對(duì)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度影響不大的特征元素，同時(shí)結(jié)構(gòu)件之間的焊接為均勻滿焊，且焊接后無(wú)殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中等現(xiàn)象發(fā)生[9]。建立的框架三維模型如圖2所示。

圖2 框架三維模型

1.2 劃分網(wǎng)格和賦予材料特性

將框架三維模型保存為(*STEP)格式，通過(guò)ANSYS軟件的無(wú)縫導(dǎo)入接口將模型導(dǎo)入到ANSYS分析軟件中。對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，為了生成質(zhì)量較好的網(wǎng)格，采取多區(qū)域網(wǎng)格劃分的方式，同時(shí)過(guò)渡采取slow的方式，劃分網(wǎng)格后的框架模型如圖3所示。得到30 652個(gè)網(wǎng)格單元，118 844個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格單元質(zhì)量良好，可以進(jìn)行比較精確的模擬分析。同時(shí)將Q345B的材料特性賦予端梁、承重梁、加強(qiáng)筋和連接梁，將45鋼的材料特性賦予支撐座結(jié)構(gòu)。

圖3 框架模型網(wǎng)格劃分

1.3 設(shè)定邊界條件和載荷

根據(jù)運(yùn)輸設(shè)備車的實(shí)際運(yùn)行情況，添加如實(shí)際工況的約束和載荷才能得出具有實(shí)際參考意義的結(jié)果。根據(jù)框架結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，在安裝車輪的位置進(jìn)行約束，限制其在X、Y、Z三方向的位移約束。同時(shí)根據(jù)實(shí)際載荷情況，在支撐座的位置施加外加載荷6 000 N，考慮整體結(jié)構(gòu)為Q345B和45鋼材質(zhì)，在結(jié)構(gòu)的豎直方向上施加重力載荷。約束和載荷施加如圖4所示。同時(shí)在分析時(shí)，各結(jié)構(gòu)件之間的連接方式采用Bonded連接方式。

圖4 約束和載荷施加

2 靜力學(xué)分析結(jié)果

根據(jù)建立的有限元分析模型進(jìn)行靜力學(xué)仿真計(jì)算，得到整體框架結(jié)構(gòu)在極限工況下的等效應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，如圖5所示。

由圖5可知，在極限工況下，框架的最大等效應(yīng)力和最大彈性應(yīng)變主要出現(xiàn)在加強(qiáng)筋和連接梁的連接部位，且最大等效應(yīng)力和最大等效彈性應(yīng)變分別為175.67 MPa、0.000 881 52，通過(guò)結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)最大等效應(yīng)力主要是由應(yīng)力集中造成。最大等效應(yīng)力相對(duì)于加強(qiáng)筋和連接梁所用的材質(zhì)Q345B的最小屈服強(qiáng)度345 MPa的安全系數(shù)為1.96，且最大等效彈性應(yīng)變較小，說(shuō)明該全向運(yùn)輸車框架結(jié)構(gòu)體滿足實(shí)際生產(chǎn)及極端工況下運(yùn)輸物料時(shí)的強(qiáng)度和剛度要求。

圖5 框架的等效應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D

框架變形云圖如圖6所示，可以看出框架結(jié)構(gòu)的最大變形量為0.782 mm,位于兩側(cè)支撐座的外部。根據(jù)應(yīng)力云圖可知，支撐座的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，在之后的設(shè)計(jì)加工中，可以在支撐座的下部添加加強(qiáng)筋以增加其剛度。

圖6 框架變形云圖

3 模態(tài)分析結(jié)果

模態(tài)分析的目的在于確定機(jī)構(gòu)的振動(dòng)特性。通常情況下，根據(jù)實(shí)際需求不必求出機(jī)構(gòu)所有的頻率和振型，只需考慮機(jī)構(gòu)在實(shí)際工作條件下所存在的頻率，而且低階頻率比高階頻率對(duì)共振影響更大，所以重點(diǎn)分析在實(shí)際工作條件下的前6階頻率和振型[10]。在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，將ANSYS中的model模塊和靜力學(xué)分析模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，得到車體框架前6階的振型和頻率，如圖7和表1所示。

圖7 車體框架前6階振型

表1 車體框架前6階振型頻率

(1) 車體框架的前6階固有頻率范圍為62.265 Hz～100.27 Hz。經(jīng)查閱相關(guān)資料，得知電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓越高、電流越大、負(fù)載越小、體積越小共振頻率越高，所以在選擇電機(jī)型號(hào)時(shí)為保證運(yùn)輸車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性，在滿足動(dòng)力需求的基礎(chǔ)上，所選電機(jī)的共振區(qū)間盡量遠(yuǎn)離框架的前6階固有頻率范圍。同時(shí)也可根據(jù)框架前6階的頻率范圍，合理選定運(yùn)輸車輛的運(yùn)行速度，避免在特定路面運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)頻率和固有頻率范圍相重疊，進(jìn)而引起共振，影響運(yùn)輸過(guò)程的平穩(wěn)性。

(2) 根據(jù)車體框架的前6階振型可以得出運(yùn)輸車輛中間承重梁部分容易發(fā)生因共振引起的大變形，是整個(gè)平臺(tái)的薄弱環(huán)節(jié)，在后期對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，需要對(duì)此部分結(jié)構(gòu)重點(diǎn)優(yōu)化。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以全運(yùn)輸車輛的承重框架為研究對(duì)象，運(yùn)用SolidWorks建立三維模型，并應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)三維模型進(jìn)行了在實(shí)際工況下的靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。靜力學(xué)分析結(jié)果顯示，運(yùn)輸車輛整體的強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求，但是在承重板位置變形較大，在后期設(shè)計(jì)中需要對(duì)此處進(jìn)行加強(qiáng)優(yōu)化；對(duì)框架進(jìn)行預(yù)應(yīng)力條件下的模態(tài)分析得到了前6階固有頻率和振型，為選用合適頻率的電機(jī)和設(shè)定合理的運(yùn)行速度提供了參考和依據(jù)。