基于有限元法的特種汽車車架受力分析

賀帥，鞏麗琴

泰安航天特種車有限公司 山東泰安 271000

某型號(hào)特種汽車作為大型修井設(shè)備，主要具備以下功能：

（1）整機(jī)移運(yùn)功能 能夠在四級(jí)及以上公路自由行走，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備搬遷。

（2）作業(yè)功能 具備3600～5800m不同型號(hào)鉆桿的鉆井作業(yè)功能，并具備最大7000m的修井作業(yè)功能。

針對(duì)某特種汽車項(xiàng)目進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，進(jìn)行本次仿真試驗(yàn)計(jì)算，校核調(diào)平及運(yùn)輸工況下車架的強(qiáng)度及剛度是否滿足要求。

有限元分析模型的建立

車架采用工字梁式焊接結(jié)構(gòu)，橫梁為槽鋼截面，材料HG60，車架縱梁中心距820mm，斷面高460mm，翼板寬180mm。車架前部裝有保險(xiǎn)杠，前后部裝有牽引鉤，并安裝各類上裝接口。車架材料為HG60高強(qiáng)度焊接鋼板，屈服強(qiáng)度為480MPa，彈性模量206 000 MPa，泊松比0.3，密度7.85×103kg/m3。

對(duì)車架各部件經(jīng)過適當(dāng)簡(jiǎn)化后，進(jìn)行布爾操作得到幾何模型用于計(jì)算。為確保足夠的計(jì)算精度，采用網(wǎng)格尺寸1～24mm，使用ANSYS自適應(yīng)網(wǎng)格劃分為帶中間節(jié)點(diǎn)的十節(jié)點(diǎn)四面體網(wǎng)格。總計(jì)257 422個(gè)節(jié)點(diǎn)，127 010個(gè)單元，單元質(zhì)量滿足計(jì)算要求。網(wǎng)格劃分后的局部模型如圖1所示。

圖1 車架有限元模型

調(diào)平工況車架強(qiáng)度與剛度計(jì)算結(jié)果

1.載荷及約束加載情況

（1）載荷條件 底盤本身各零部件總成分別以集中力施加在其相應(yīng)受力位置上，并增加簧載質(zhì)量，總計(jì)約55t。

（2）約束 在四個(gè)支腿處均約束X/Y/Z方向的平移自由度，釋放全部旋轉(zhuǎn)自由度[1]。

根據(jù)數(shù)據(jù)，車架加載受力情況如圖2所示。

圖2 車架受力情況

2.最終計(jì)算結(jié)果

車架計(jì)算結(jié)果如下：

1）車架Von-Mises等效應(yīng)力云圖如圖3所示。通過觀察發(fā)現(xiàn)，整車應(yīng)力基本均在200MPa以下，安全系數(shù)大于1.5。為確保車架的正常工作，現(xiàn)取應(yīng)力較大點(diǎn)，車架彎曲失效載荷用車架應(yīng)力值達(dá)到材料的屈服應(yīng)力對(duì)應(yīng)的載荷代替。材料屈服應(yīng)力355MPa，應(yīng)力值293MPa，355/293=1.51，安全系數(shù)大于1.5，滿足使用要求。

圖3 車架Von-Mises等效應(yīng)力云圖

2）車架整體變形云圖如圖4所示。車架整體最大變形量為11.3mm，位于車架前端。

圖4 車架整體變形云圖

運(yùn)輸工況車架強(qiáng)度及剛度計(jì)算

1.載荷及約束加載情況

（1）載荷處理 底盤本身各零部件總成分別以集中力施加在其相應(yīng)受力位置；上裝載荷（根據(jù)甲方提供的載荷布置圖）分別以均布力和集中力主要施加在車架縱梁上。主要承載物包括發(fā)動(dòng)機(jī)、燃油系統(tǒng)、變速器、分動(dòng)箱、駕駛室及上裝等。不同的質(zhì)量點(diǎn)用集中力或分布力加載。

（2）約束 整個(gè)車架結(jié)構(gòu)是通過一、二橋板簧與車橋連接，三橋是通過空氣彈簧與車橋連接，四、五橋通過剛性平衡梁與車架連接。因此，在靜力分析時(shí)，將一、二橋之間板簧支架和三橋的空氣彈簧支架，四、五橋之間的約束X/Y/Z方向的平移自由度，釋放全部旋轉(zhuǎn)自由度。

根據(jù)數(shù)據(jù)，受力加載情況如圖5所示。

圖5 受力加載情況

2.計(jì)算結(jié)果

1）Von-Mises等效應(yīng)力云圖如圖6所示。通過觀察發(fā)現(xiàn)，車架各點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果主要在約束點(diǎn)部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，這與理論計(jì)算的趨勢(shì)一致，為確保車架的正常工作，現(xiàn)取應(yīng)力較大點(diǎn)。車架彎曲失效載荷的確定，用車架應(yīng)力值達(dá)到材料的屈服應(yīng)力對(duì)應(yīng)的載荷代替。根據(jù)材料屈服應(yīng)力達(dá)到355MPa，可得到如下結(jié)論：355/210=1.69.

圖6 Von-Mises等效應(yīng)力云圖

由上述計(jì)算結(jié)果得知兩種計(jì)算工況的安全系數(shù)均大于1.69，滿足設(shè)計(jì)要求。

2）整體變形云圖如圖7所示。由圖7可知，運(yùn)輸工況下，車架變形較大處在車架尾部，為4.8mm。

圖7 整體變形云圖

結(jié)語(yǔ)

本文通過有限元分析的方法，對(duì)特種汽車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度及剛度計(jì)算分析，了解其結(jié)構(gòu)性能，達(dá)到自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)的目的，該特種汽車的縱梁工字梁結(jié)構(gòu)及其焊接方式已成功運(yùn)用于特種汽車的設(shè)計(jì)開發(fā)當(dāng)中。車架在兩種工況下的變形量都不算大[2]，說明車架的強(qiáng)度及剛度均能滿足設(shè)計(jì)要求。