電動(dòng)輪自卸車車廂強(qiáng)度有限元分析

0 引言

電動(dòng)輪自卸車通常自重達(dá)到150噸以上，僅其車廂的自重就接近20噸，而當(dāng)其裝滿超過100噸的貨物在坑洼路面行駛時(shí)，車廂的靜動(dòng)態(tài)強(qiáng)度是保證車輛正常作業(yè)的重要指標(biāo)。

由于礦用特種工程車輛結(jié)構(gòu)復(fù)雜、整車質(zhì)量大并且載荷重、行駛道路特殊，國(guó)際上對(duì)其整車的動(dòng)、靜力學(xué)和模態(tài)分析，不可能像公路車輛一樣通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)裝置如道路振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)來(lái)模擬車輛運(yùn)動(dòng)和載荷，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為動(dòng)、靜力學(xué)分析提供可靠的數(shù)據(jù)。到目前為止，世界上只有極少數(shù)先進(jìn)的制造廠商如美國(guó)的小松德萊賽通過建立專門的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)來(lái)獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)制造廠則主要用經(jīng)典彈性力學(xué)理論進(jìn)行部件的局部靜應(yīng)力分析和強(qiáng)度校核，整車的強(qiáng)度校核，主要通過車在礦山實(shí)際使用來(lái)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)，這樣成本高，時(shí)間長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)大。從20世紀(jì)80年代末開始，國(guó)內(nèi)公司等率先與大專院校合作，開展大型礦用特種工程車輛的靜力學(xué)分析計(jì)算，并在礦山做了一些應(yīng)力測(cè)試，由于受當(dāng)時(shí)計(jì)算力學(xué)和計(jì)算機(jī)水平的限制，當(dāng)時(shí)的研究工作只做了車架的靜力學(xué)研究，盡管這樣，但收到了顯著效果，推動(dòng)了我國(guó)大型電動(dòng)輪自卸車的發(fā)展。湖南湘電集團(tuán)湘電重型裝備股份有限公司研制的、我國(guó)第一臺(tái)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的220噸交流傳動(dòng)電動(dòng)輪自卸車，于2008年10月下線，主要用于大型露天礦山、水利、工地的運(yùn)輸，該車按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定整車技術(shù)條件和技術(shù)規(guī)范，采用康明斯第三代電控發(fā)動(dòng)機(jī)和GE交流傳動(dòng)系統(tǒng)等配置，設(shè)計(jì)載重量為220t，具有承載量大，效率高，操縱靈活，運(yùn)營(yíng)成本低的特點(diǎn)。

從普遍情況來(lái)看，我區(qū)現(xiàn)用的水果包裝方式都是用發(fā)泡網(wǎng)或者紙箱來(lái)包裝水果，水果的包裝形式還是比較單一的，而且用紙箱包裝檔次也比較低。這種發(fā)泡網(wǎng)的使用，雖然看似能在一定程度上提高包裝的檔次，但實(shí)際上卻是中看不中用。因?yàn)閺恼w上來(lái)看水果的包裝規(guī)格、尺寸以及包裝上打眼的位置和形狀都是五花八門的，所以自然而然造成質(zhì)量參差不齊，出現(xiàn)了“一流產(chǎn)品、二流包裝、三流價(jià)格”的現(xiàn)象，從而也使水果的銷售大打折扣。

目前國(guó)內(nèi)礦用特種工程車輛制造廠主要采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行大型結(jié)構(gòu)件的有限元靜力計(jì)算，由于大型電動(dòng)輪自卸車結(jié)構(gòu)和行駛道路等特殊性，其整車靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析有如下的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，如何建立與實(shí)際情況一致又能滿足計(jì)算分析精度的有限元模型是關(guān)系到分析結(jié)果準(zhǔn)確性重要問題；由于車架與后橋、前后懸掛以及后橋與車架的轉(zhuǎn)向和牽引的連接在運(yùn)動(dòng)中有剛體運(yùn)動(dòng)，如何建立這些連接部件之間的約束是計(jì)算分析的關(guān)鍵問題；大型電動(dòng)輪自卸車行駛工況復(fù)雜，計(jì)算工況載荷十分復(fù)雜；在有限元分析中，由于車上有許多附件，這些附件的等效質(zhì)量的處理直接影響有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性；大型電動(dòng)輪自卸車結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大形狀復(fù)雜，其有限元模型單元巨大(單元幾十萬(wàn))，而有限元計(jì)算量與計(jì)算載荷步成正比，準(zhǔn)確簡(jiǎn)化模型和合理選擇動(dòng)載荷對(duì)有限元分析非常重要。

1 有限元分析

本文采用Hyperworks軟件平臺(tái)進(jìn)行強(qiáng)度分析，其集成的Optistruct求解器是業(yè)界公認(rèn)的功能最強(qiáng)的結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化求解器，可用來(lái)分析靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷條件下的線性和非線性結(jié)構(gòu)問題。作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者，OptiStruct幫助設(shè)計(jì)者和工程師分析和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、耐久性和NVH(噪聲、振動(dòng)和舒適度)的特性并快速研發(fā)創(chuàng)新、輕量化的高效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1.2 新梢直徑 在4月10日至6月7日，桑樹新梢直徑生長(zhǎng)量有9次生長(zhǎng)高峰，經(jīng)過較快、快、慢、快、慢、最快、快、較慢的過程，直徑從5.4 mm增至12.4 mm，增長(zhǎng)1.30倍；新梢直徑日生長(zhǎng)量有6次生長(zhǎng)高峰，日生長(zhǎng)量為0.02～0.27 mm(圖2)。從表1看出，桑樹新梢直徑的生長(zhǎng)量和日生長(zhǎng)量變化與時(shí)間變化形成二次回歸方程曲線的相關(guān)系數(shù)大于直線回歸方程的，回歸方程曲線符合二次曲線規(guī)律。新梢直徑的生長(zhǎng)量和日生長(zhǎng)量變化與時(shí)間變化間的相關(guān)性分別呈高度正相關(guān)和正相關(guān)，其顯著性分別呈極顯著和不顯著水平。

基于有限單元和多體動(dòng)力方法，OptiStruct具有一流的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的求解器，線性、非線性和模態(tài)分析問題的求解算法效率很高。因?yàn)榫哂兄悄軆?nèi)存管理技術(shù)，OptiStruct能夠輕松模擬具有數(shù)百萬(wàn)自由度的結(jié)構(gòu)，對(duì)模型尺寸沒有限制。

OptiStruct的標(biāo)準(zhǔn)特性，即擁有自動(dòng)化多級(jí)子結(jié)構(gòu)特征值求解器(AMSES)可以在不到一小時(shí)計(jì)算出百萬(wàn)自由度模型的成千上萬(wàn)階模態(tài)。

同時(shí)轉(zhuǎn)向工況時(shí)車架上的離心力主要靠拉桿的拉力來(lái)平衡，故對(duì)拉桿作用作如下等效：把拉桿截?cái)?，在兩個(gè)端面上加載同樣大小的力。

OptiStruct的優(yōu)化技術(shù)是世界上最強(qiáng)的。使用最先進(jìn)的優(yōu)化算法，OptiStruct可以在很短的時(shí)間內(nèi)解決最復(fù)雜的具有成千上萬(wàn)的設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化問題，其先進(jìn)的優(yōu)化引擎允許用戶結(jié)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、形貌、尺寸和形狀優(yōu)化方法來(lái)創(chuàng)建更多更好的設(shè)計(jì)方案，引導(dǎo)合理和輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

通過螺栓的預(yù)緊、gasket單元和有效的接觸算法，OptiStruct能夠進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)耐久性分析。gasket單元非常強(qiáng)健，不需要使用其他軟件做一些附加的工作。

除需加上慣性加速度外，僅斗銷處受力與滿載靜止時(shí)略有不同，必須加上車廂及貨物由于制動(dòng)慣性力產(chǎn)生的作用。此工況下，行駛方向加速度?。?.39 m/s

；垂直加速度?。?.2×9.8=11.76 m/s

。

(2) 雖然不同生物炭添加比例的土壤樣品水分總蒸發(fā)量相差不大，但隨生物炭添加量的增大，土壤吸水量及連續(xù)蒸發(fā)12天后的含水量亦增大。

OptiStruct具有最先進(jìn)的求解器技術(shù)，這對(duì)于高效的整車噪聲和振動(dòng)分析是必不可少的。它是市場(chǎng)上最快的NVH分析求解器，提供了獨(dú)一無(wú)二的先進(jìn)功能，包括一步TPA(傳遞路徑分析)分析、AMSES、模型減縮技術(shù)、設(shè)計(jì)靈敏度和ERP(等效輻射功率)響應(yīng)，這使它能夠很容易的優(yōu)化結(jié)構(gòu)的NVH性能。

大型電動(dòng)輪自卸車是集機(jī)、電、液為一體的高技術(shù)綜合產(chǎn)品，當(dāng)今，國(guó)際上其主要生產(chǎn)國(guó)仍然主要集中在美、日等先進(jìn)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，其產(chǎn)品代表了當(dāng)今國(guó)際大型電動(dòng)輪自卸車的最高技術(shù)水平。隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，國(guó)產(chǎn)大型電動(dòng)輪自卸車與美、日等先進(jìn)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家車之間的競(jìng)爭(zhēng)更加激烈。為了適應(yīng)市場(chǎng)的需要，增加與外國(guó)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，滿足用戶對(duì)電動(dòng)輪自卸車的性能和可靠性提出的更高要求，有必要對(duì)電動(dòng)輪自卸車進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，建立正向設(shè)計(jì)能力。為了全面掌握改進(jìn)后某型電動(dòng)輪自卸車整車動(dòng)應(yīng)力和靜應(yīng)力狀態(tài)、動(dòng)力學(xué)性能以及是否滿足靜強(qiáng)度、動(dòng)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的要求，對(duì)整車結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供基本數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，本文進(jìn)行了四種工況下的車廂強(qiáng)度有限元分析。

由于模型中并未有貨物以及左、中、右甲板等部分，但他們的自重對(duì)整車的車廂的作用均不可忽略，且都是通過直接和車廂接觸來(lái)傳遞，故將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的等效集中質(zhì)量加到車廂相應(yīng)的加載位置上，為避免加集中載荷引起過多的應(yīng)力集中，故仍然加均布載荷。

(1)滿載靜止工況

1.1 幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

(2)滿載制動(dòng)工況

1.2 網(wǎng)格模型建立

結(jié)合車廂整體尺寸，由于車廂板材主體尺寸遠(yuǎn)大于厚度方向尺寸，故在有限元軟件Optistruct中決定采用殼單元PShell 對(duì)車廂板結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散。車廂所受主要載荷為散粒堆裝貨物，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)散粒貨物進(jìn)行建模，選用Pmass質(zhì)量單元對(duì)其進(jìn)行離散(100噸)。貨物與車廂在自卸車正常工作過程中保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，即可以認(rèn)為貨物與車廂沒有相對(duì)位移，故可以通過耦合質(zhì)量單元與車廂節(jié)點(diǎn)，將貨物重力傳遞到車廂上去；車廂板材通過焊接方式連接，假設(shè)焊接處焊縫的性能與母材一樣。另外，橡膠墊用Psolid實(shí)體單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散。如圖2所示。最終得到的單元數(shù)目為134098，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為143690。

首先，患者預(yù)約服務(wù)管理進(jìn)一步精細(xì)化。如今，患者可以在診間預(yù)約復(fù)診、預(yù)約檢查。目前，醫(yī)院已經(jīng)實(shí)現(xiàn)超聲檢查現(xiàn)場(chǎng)出報(bào)告；檢查結(jié)果無(wú)需打印，患者直接在網(wǎng)絡(luò)、APP上查詢。

1.3 載荷約束條件

電動(dòng)輪自卸車滿載靜止工況是對(duì)整體結(jié)構(gòu)的基本要求；另外，由于滿載電動(dòng)輪自卸車在行駛的過程中不可避免地有轉(zhuǎn)彎和剎車過程，故需對(duì)離心慣性力和制動(dòng)慣性力進(jìn)行考慮。離心慣性力按加速度 0.3g(2.94 m/s

)進(jìn)行核算；制動(dòng)慣性力按加速度 1.39m/s

(30km/h 的初速度在 25 米內(nèi)制動(dòng))進(jìn)行核算。故利用慣性釋放法，將各加速度沿著既定方向進(jìn)行施加，同時(shí)將車廂底部的部分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全約束，如圖3所示。綜合考慮自卸車在實(shí)際中的典型工況，本分析中針對(duì)以下四種典型工況對(duì)電動(dòng)輪自卸車強(qiáng)度進(jìn)行核算：

目前，跟國(guó)家老齡化研究所其他領(lǐng)域的資助相比，申請(qǐng)阿爾茨海默病的研究資助要容易得多：對(duì)于2018年阿爾茨海默病的研究資助申請(qǐng)，經(jīng)過同行評(píng)審，排名在前28%的申請(qǐng)都得到了資助；對(duì)于非阿爾茨海默病的研究資助申請(qǐng)，只有排名前19%的申請(qǐng)才能得到資助。霍德斯說(shuō)：“不過，消息傳開后，過去幾年中針對(duì)阿爾茨海默病研究的高質(zhì)量申請(qǐng)有了大幅增加，因此，爭(zhēng)取資助的競(jìng)爭(zhēng)仍然很激烈?！?/p>

模型中的非線性部分模擬，模型中的非線性主要是指車廂底部橡膠剛度的非線性，這里統(tǒng)一將其剛度視為線性的，并只取垂向剛度，用車廂底部橡膠的彈性模量來(lái)等效。

此種工況時(shí)只需等效各部件的自重，該工況為自卸車靜止或處于勻速行駛狀態(tài)，該工況下車廂所受載荷為“載重”與“車廂自重”之和，取慣性加速度為 9.8 m/s

，方向向下。

電動(dòng)輪自卸車車廂模型如圖1所示，由于車廂幾何模型的工藝孔、吊耳孔、螺紋孔等不影響有限元仿真計(jì)算的結(jié)果，故在進(jìn)行幾何清理的時(shí)候直接忽略掉這些工藝特征。且車廂鋼板材料參數(shù)為，彈性模量：2.06×10

Pa，泊松比：0.3，屈服強(qiáng)度：460MPa，密度：7800Kg/m

。

OptiStruct高度差異化的特點(diǎn)在于它的求解速度、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。求解器的診斷功能提供了無(wú)與倫比的模型調(diào)試能力，進(jìn)一步準(zhǔn)確模擬設(shè)計(jì)模型。

(3)滿載轉(zhuǎn)彎工況

此工況下，考慮側(cè)向離心力作用，取側(cè)向加速度為：0.3×9.8 =2.94 m/s

；垂直加速度?。?×9.8=19.6 m/s

。

(4)滿載轉(zhuǎn)彎制動(dòng)工況

此工況等效重力作用到車廂上仍然用靜止?jié)M載的方法，但此時(shí)由于慣性力和離心力的共同作用，貨物對(duì)車廂產(chǎn)生的作用發(fā)生了變化，左右縱梁上的載荷可能發(fā)生偏載，故在靜止?jié)M載計(jì)算的基礎(chǔ)上除了加上慣性加速度和離心加速度外，仍需重新計(jì)算縱梁橡膠處受力，而其他等效重力可沿用以上靜止?jié)M載工況的結(jié)果。

第一，專業(yè)化優(yōu)勢(shì)。專業(yè)化優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在其服務(wù)的精準(zhǔn)化、個(gè)性化，平臺(tái)以海量數(shù)據(jù)作為養(yǎng)老需求分析的依據(jù)，再通過對(duì)智慧養(yǎng)老服務(wù)過程中不斷反饋回來(lái)的服務(wù)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)更新和完善服務(wù)需求信息，優(yōu)化配置服務(wù)需求供給，需求得到及時(shí)回應(yīng)，使得智慧養(yǎng)老服務(wù)受益群體產(chǎn)生積極的服務(wù)體驗(yàn)。以服務(wù)需求提供者的專業(yè)化服務(wù)，打造服務(wù)對(duì)象心中的專業(yè)化服務(wù)形象。此外，通過提高服務(wù)提供者(第三方)的專業(yè)準(zhǔn)入門檻，采用服務(wù)準(zhǔn)入的專業(yè)化評(píng)估、專業(yè)服務(wù)水平考核的方式，不斷地提高智慧養(yǎng)老服務(wù)平臺(tái)的專業(yè)化水平。

由于自卸車轉(zhuǎn)向時(shí)主要靠車架縱梁上橡膠墊處摩擦力以及斗銷處作用力來(lái)平衡車廂及貨物離心力，而車架一側(cè)的擋板僅限制車廂的擺動(dòng)，故此力可以忽略。根據(jù)力及力矩的平衡可以計(jì)算三個(gè)方向的加速度，取側(cè)向加速度為：0.3×9.8 =2.94 m/s

；行駛方向加速度取：1.39 m/s

；垂直加速度?。捍怪奔铀俣热。?×9.8=19.6 m/s

。

1978年以來(lái)，中國(guó)農(nóng)藥出口到世界各地，影響力越來(lái)越強(qiáng)，如在東南亞、非洲等國(guó)家和地區(qū)使用量越來(lái)越多，也有越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)農(nóng)藥企業(yè)憑借成本及質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)融入全球市場(chǎng)，以原藥或中間體的形式切入國(guó)際農(nóng)藥巨頭的供應(yīng)鏈。還有一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)、民營(yíng)企業(yè)也加入到出口的行列，廣泛參與全球競(jìng)爭(zhēng)。更多企業(yè)融入全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的大環(huán)境中，這無(wú)疑是改革開放的功勞。

2 結(jié)果分析

2.1 滿載靜止

通過Optistruct求解器進(jìn)行有限元計(jì)算，可得到電動(dòng)輪自卸車車廂的應(yīng)力云圖如圖4所示，該工況下的最大應(yīng)力為43.8MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，安全系數(shù)為10.50，出現(xiàn)在第一橫梁和右縱梁的交界處；同時(shí)車廂前板與頂部板件連接支架位置附近也出現(xiàn)了高應(yīng)力水平區(qū)域，說(shuō)明重物重力傳遞到車廂前部。

(2)復(fù)合緩蝕阻垢劑的最優(yōu)配比實(shí)驗(yàn)。在總質(zhì)量濃度240 mg/L不變的條件下進(jìn)行最優(yōu)配比實(shí)驗(yàn)，緩蝕劑和阻垢劑質(zhì)量濃度見表3。在60℃、常壓條件下對(duì)不同配比的復(fù)合緩蝕阻垢劑的性能進(jìn)行測(cè)試。

2.2 滿載制動(dòng)

改變載荷條件，施加前進(jìn)方向的制動(dòng)加速度，最終得到的電動(dòng)輪自卸車車廂應(yīng)力云圖如圖5所示，應(yīng)力最大位置和滿載靜止工況的相近，且最大應(yīng)力為46.6MPa，安全系數(shù)為9.87。

2.3 滿載轉(zhuǎn)彎

根據(jù)滿載轉(zhuǎn)彎的工況特點(diǎn)，施加側(cè)向加速度和垂向加速度，然后提交Optistruct進(jìn)行求解計(jì)算，最終得到的車廂應(yīng)力云圖如圖6所示，最大應(yīng)力為110.4MPa，出現(xiàn)在右縱梁和第一橫梁交界位置，安全系數(shù)達(dá)到4.16；而。

2.4 滿載轉(zhuǎn)彎制動(dòng)

該工況下車輛會(huì)承受側(cè)向方向、豎直方向和行駛方向三個(gè)方向的加速度，故同樣利用慣性釋放法將三個(gè)加速度施加與車廂有限元模型中，最后計(jì)算得到的應(yīng)力云圖如圖7所示，最大應(yīng)力為116.4MPa，最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在右縱梁和第一橫梁交界位置，安全系數(shù)為3.95。

3 結(jié)論

本文首先對(duì)電動(dòng)輪自卸車車廂幾何模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，忽略掉不影響計(jì)算結(jié)果的工藝孔等幾何特征，然后建立了車廂有限元模型，分析了滿載靜止工況、滿載制動(dòng)工況、滿載轉(zhuǎn)彎工況和滿載轉(zhuǎn)彎制動(dòng)工況下的應(yīng)力分布情況并進(jìn)行了強(qiáng)度校核，最終電動(dòng)輪自卸車車廂的安全系數(shù)在四種工況下分別為10.50、9.87、4.16、3.95，滿足設(shè)計(jì)要求和使用要求。

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