某型裝載機(jī)車(chē)門(mén)扭轉(zhuǎn)剛度分析及優(yōu)化*

黃桂華,陳 力,楊晉博,覃 敏,周新星

(1.廣西威翔機(jī)械有限公司, 廣西 柳州 545007; 2.廣西科技大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院, 廣西 柳州 545006)

0 引 言

裝載機(jī)車(chē)門(mén)在工作時(shí)需要承受各種力的作用,其中扭轉(zhuǎn)力是一種常見(jiàn)的工況。如果車(chē)門(mén)在扭轉(zhuǎn)工況下的剛度不足,可能會(huì)導(dǎo)致車(chē)門(mén)變形或受力過(guò)度,從而影響其使用壽命,嚴(yán)重時(shí)甚至危及車(chē)上人員的安全。

工程機(jī)械車(chē)門(mén)扭轉(zhuǎn)剛度優(yōu)化方面,工程師主要采用有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,通過(guò)優(yōu)化車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)和材料,提高車(chē)門(mén)的扭轉(zhuǎn)剛度和使用壽命,同時(shí)降低車(chē)門(mén)的重量和成本。車(chē)門(mén)的剛度優(yōu)化主要集中在車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]、車(chē)門(mén)剛度測(cè)試和分析[2]幾個(gè)方面。筆者主要采用有限元分析方法,針對(duì)扭轉(zhuǎn)工況車(chē)門(mén)剛度不足進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。由于車(chē)門(mén)部件較多,采用有限元分析中的靈敏度分析[3],篩選出對(duì)剛度影響較大的部件,結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)篩選出的部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。最后將優(yōu)化結(jié)構(gòu)通過(guò)有限元仿真平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化驗(yàn)證。

1 車(chē)門(mén)扭轉(zhuǎn)工況有限元分析

1.1 有限元建模

首先對(duì)車(chē)門(mén)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,去除車(chē)門(mén)塑料件及車(chē)門(mén)玻璃。為了方便計(jì)算和分析,暫時(shí)不考慮玻璃和推拉窗的建模,并假設(shè)鉸鏈處軸銷(xiāo)不變形且不考慮焊縫失效。把車(chē)門(mén)全部劃分為殼單元,賦予厚度。采用有限元軟件中的RB2單元模擬螺栓連接及鉸鏈連接,螺栓連接約束6個(gè)自由度,鉸鏈連接除轉(zhuǎn)動(dòng)軸自由,其余5個(gè)自由度約束。采用RB3-acm單元模擬二層及三層板件焊接。網(wǎng)格大小為6 mm,根據(jù)CAE有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),簡(jiǎn)化后的模型如圖1所示。

圖1 車(chē)門(mén)有限元模型圖2 加載條件

在有限元軟件Hypermesh中,設(shè)置材料屬性,材料的彈性模量、泊松比、密度定義,車(chē)門(mén)的材料參數(shù)如表1所列。

表1 車(chē)門(mén)部件材料參數(shù)

1.2 加載設(shè)定

當(dāng)車(chē)門(mén)受到扭轉(zhuǎn)力時(shí),需要具備足夠的剛度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,才能夠承受扭轉(zhuǎn)力而不發(fā)生破壞或變形。加載工況設(shè)定兩種:①在鎖上方至門(mén)翻邊處施加900 N垂直于門(mén)的載荷,模擬車(chē)內(nèi)開(kāi)關(guān)門(mén)撞擊力;②鎖下方門(mén)邊框處施加900 N垂直于門(mén)的載荷,模擬車(chē)外開(kāi)關(guān)門(mén)撞擊力[4]。兩種工況約束方式相同,鉸鏈可以繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng),鉸鏈與車(chē)身連接點(diǎn)約束1～6,鎖位置約束1～3。車(chē)門(mén)加載條件如圖2所示。

2 結(jié)果分析

當(dāng)車(chē)門(mén)受到扭轉(zhuǎn)力時(shí),需要具備足夠的剛度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,才能夠承受扭轉(zhuǎn)力而不發(fā)生破壞或變形。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),該企業(yè)對(duì)該型裝載機(jī)車(chē)門(mén)剛度的規(guī)定為:在鎖上方至門(mén)翻邊處施加900 N垂直于門(mén)的載荷,車(chē)門(mén)剛度滿(mǎn)足3 500 N/mm標(biāo)準(zhǔn),結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力應(yīng)該低于150 MPa;鎖下方門(mén)邊框處施加900 N垂直于門(mén)的載荷,車(chē)門(mén)剛度滿(mǎn)足200 N/mm標(biāo)準(zhǔn),結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力應(yīng)該低于300 MPa。

將搭建完成的有限元模型導(dǎo)入Optistruct求解器并進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)Hyperview軟件進(jìn)行后處理結(jié)果分析。

車(chē)門(mén)剛度計(jì)算公式為:

K=F/δ

(1)

式中:F為施加在車(chē)門(mén)上的力,N;δ為車(chē)門(mén)觀(guān)察點(diǎn)的變形量,mm[5]。工況一位移觀(guān)察點(diǎn)為鎖上方至翻邊位置。工況二位移觀(guān)察點(diǎn)為門(mén)框下方至翻邊處。扭轉(zhuǎn)工況剛度通過(guò)式(1)計(jì)算。

根據(jù)兩種工況的有限元分析計(jì)算可知,該車(chē)門(mén)的兩種工況剛度及應(yīng)力未達(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該型車(chē)門(mén)漏雨原因是扭轉(zhuǎn)工況的剛度過(guò)小,鎖板外凸原因是鎖板處應(yīng)力過(guò)大。有限元分析分析結(jié)果云圖如圖3所示。位移分析結(jié)果對(duì)比表如表2所列。

圖3 分析結(jié)果云圖 車(chē)門(mén)分析結(jié)果圖

表2 有限元分析結(jié)果對(duì)比表

3 靈敏度分析

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,一般需要綜合考慮剛度、質(zhì)量、安全性等多種因素,而靈敏度分析可快速定位哪些部件對(duì)關(guān)鍵性能影響較大,從而有針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在篩選出待優(yōu)化部件后,可根據(jù)學(xué)術(shù)理論和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)改變零件的形狀、尺寸、材料等方面來(lái)提高其剛度、強(qiáng)度、耐久性等性能指標(biāo)。在此過(guò)程中,需要綜合考慮設(shè)計(jì)要求、材料特性、加工工藝、成本等因素,以實(shí)現(xiàn)最佳的性能和經(jīng)濟(jì)效益。

對(duì)于一個(gè)有限元模型,其響應(yīng)f是一個(gè)函數(shù),它依賴(lài)于一個(gè)向量X=[X1,X2,...,Xn],其中Xi表示第i個(gè)設(shè)計(jì)變量的取值。

則參數(shù)Xi的靈敏度Si定義為:

(2)

通過(guò)靈敏度分析確定輸入?yún)?shù)對(duì)輸出結(jié)果影響最大,進(jìn)而優(yōu)化模型的設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置,提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性[6]。靈敏度分析以板件尺寸為設(shè)計(jì)變量,以加載點(diǎn)位移及質(zhì)量最小為響應(yīng),約束條件設(shè)置為加載點(diǎn)位移滿(mǎn)足目標(biāo)位移。靈敏度分析板件厚度如表3所列。

表3 靈敏度分析板件厚度表格 /mm

進(jìn)行靈敏度分析,將計(jì)算的結(jié)果數(shù)據(jù)可視化。相對(duì)靈敏度圖如圖4所示。由圖4可知,ID:1、2、4、7板件對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響最大,故可對(duì)該屬性的結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖4 相對(duì)靈敏度結(jié)果

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)靈敏度分析結(jié)果,結(jié)合力學(xué)知識(shí)與實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn),對(duì)相應(yīng)部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖5所示。結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要集中在車(chē)門(mén)內(nèi)板、門(mén)鎖處。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí),選擇起筋增加車(chē)門(mén)剛度,根據(jù)有限元后處理結(jié)果,結(jié)合傳力途徑優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

圖5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)優(yōu)化后的車(chē)門(mén)進(jìn)行有限元分析求解。從分析結(jié)果看,優(yōu)化后車(chē)門(mén)剛度性能與強(qiáng)度性能大幅度提升,并滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。分析結(jié)果對(duì)比如表4所列。優(yōu)化車(chē)門(mén)有限元結(jié)果云圖如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后有限元分析云圖

表4 分析結(jié)果對(duì)比表

5 結(jié) 語(yǔ)

優(yōu)化后的車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)工況下的剛度和強(qiáng)度得到了顯著的提升。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中,通過(guò)靈敏度分析和力學(xué)知識(shí)的運(yùn)用,發(fā)現(xiàn)了車(chē)門(mén)內(nèi)板中部門(mén)框及門(mén)鎖處加強(qiáng)板區(qū)域存在優(yōu)化空間。在進(jìn)行問(wèn)題區(qū)域設(shè)計(jì)優(yōu)化后,鎖上方至門(mén)翻邊處施加載荷工況,剛度提升94%,應(yīng)力降低13%。鎖下方門(mén)邊框處施加載荷工況,剛度提升148%,應(yīng)力降低22.7%。 這表明,優(yōu)化后的車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)工況下具有更好的剛度和強(qiáng)度,能夠更好地承受扭轉(zhuǎn)力和其他工作條件下的力,從而提高了裝載機(jī)車(chē)門(mén)的結(jié)構(gòu)性能。