基于OptiStruct的裝載機鉸接座強度分析

項目名稱：廣西科技重大專項項目（桂科AA22068065）

0 引言

鉸接座是連接裝載機前、后車架的重要部件，在承受轉向時液壓缸的推拉作用力的同時，承受鏟裝作業時后輪離地造成的彎矩作用力[1]。鑒于傳統靜力學分析方法對鉸接座的不同角度單獨進行重復加載分析耗時較長，本文以某型裝載機前、后車架的鉸接座為研究對象，采用HyperMesh的OptiStruct分析方法建立瞬態仿真模型，研究在單位載荷加載過程中，通過Dload（系統負載狀態）和Tload（單位分布載荷）的設置和引用，以期達到快速評估鉸接座結構應力的目的。

1裝載機鉸接機構

1.1 鉸接機構組成

裝載機的鉸接機構主要由前車架、后車架、鉸接座和液壓缸組成[2]。鉸接座是連接裝載機前、后車架的重要部件，其結構通常分為上下鉸接式和獨立鉸接式兩類，鉸接轉向銷軸則分為兩側布置和單側布置兩種。鉸接座與后車架通過襯套配合實現轉動接觸，鉸接座與前車架通過大軸承和銷軸連接，液壓缸兩端通過銷軸分別連接到前車架和鉸接座的相應點位。鉸接機構組成如圖1所示。

1.2鉸接機構受力狀況

鉸接機構的功用如圖2所示。裝載機在轉彎時，通過液壓缸伸縮產生的推拉作用，使得前車架向Y軸的正負軸方向分別偏轉，實現整車的左、右轉向[3]。由于液壓缸的兩端分別固定在前車架和鉸接座的相應點位上，即三角形OAB是作用力的簡化模型，邊OA和OB長度不

圖1鉸接機構組成

變，液壓缸AB段在伸縮過程中，邊OB與AB隨著轉向過程位置的變化，與X軸的角度也會發生變化，經過大軸承銷軸和液壓缸銷軸徑向分力的大小和角度也就發生了變化。

圖2鉸接機構的功用

2建立鉸接機構有限元模型

將鉸接座、襯套、軸承外圈和軸承銷軸等零部件的幾何模型，導入到HyperMesh高性能有限元前處理軟件后，進行網格劃分。其中鉸接座是分析對象，需要進行局部網格細化，以避免應力梯度過大帶來較大的誤差。在有限元模型搭建過程中，需要抓取襯套外表面單元作為其與后車架約束的施加點，大軸承銷軸位置0點和液壓缸銷軸A點抓取幾何中點作為單位載荷施加位置，其他位置設置接觸對。分析類型僅需要設置一個瞬態分析，在瞬態分析步中引用載荷和約束。

3鉸接座載荷施加與瞬態分析

3.1鉸接座載荷分解

3.1.1鉸接座轉向歷程及位置

本文載荷分析對象是鉸接座。隨著裝載機左、右轉向，鉸接座對大軸承銷軸和液壓缸銷軸的受力和方向在全局坐標系中均會發生變化，通過多體仿真提取不同轉向點的受力，分解整理成大軸承銷軸和液壓缸銷軸作用點的全局方向受力歷程。多體仿真計算不在本文中贅述。

本文重點提取擺正位置、轉向中間點位置和轉向終點位置來表征鉸接座的轉向過程，將間斷的工況位置點

近似合成一個瞬態過程來進行仿真描述。轉向歷程及位置如圖3所示，歷程步及位置如表1所示。表1中，stepl至stepl2的描述為：擺正位置－左轉終點－回位擺正-右轉終點-右轉擺正的過程。

圖3鉸接座轉向歷程及位置

表1鉸接座歷程步及位置

3.1.2銷軸載荷分力歷程值

銷軸載荷分力歷程值如圖4所示。圖4中，載荷值隨著位置變化的折線分解到X、Y軸上。左轉彎時，液壓

缸為伸長推力；左轉終點到右轉終點時，液壓缸縮短變為拉力；右轉終點到擺正液壓缸為伸長推力[3]。在裝載機工作過程中，考慮到因鏟斗中有物料下壓導致后輪離地現象，對鉸接座的襯套位置作用等效為施加繞Y軸的定值彎矩載荷。

圖4銷軸載荷分力歷程值

3.2Tload和Dload載荷的施加

在大軸承銷軸和液壓缸銷軸中心點施加單位載荷集，其中包括大軸承銷軸 X 與Y方向、液壓缸銷軸 X 與Y方向、后輪繞Y軸離地彎矩等，共5個單位載荷集。運用Tload系統負載狀態功能，在單位載荷激勵上識別并引用載荷歷程值，完成單個位置單個方向載荷的設置。

再將五個載荷集對應的T1oad按比例系數1合成一個Dload單位分布載荷，即完成單位載荷激勵引用歷程值加載的設置，最后將該Dload設置在瞬態分析步中。

3.3 瞬態分析

本文的仿真流程，選取離散的鉸接座各個轉角位置下的載荷，通過分解得到全局坐標下的分力，每個坐標下作成一個近似連續的歷程來分析。將分析類型設置為瞬態法，基于此需要指定分析類型為Transient（瞬態）以及Tstep（用于定義瞬態分析的時間步的表格），其中Tstep需要根據歷程步來設置，如表1中歷程步一共為12個。Tstep需要包含其所有時刻，即設置為12個時間數，每步1s，這樣才能將鉸接座全部載荷歷程按照時間序列進行分析。

4仿真結果

在鉸接座的上述仿真建模文件基礎上，生成并提交求解文件，在瞬態仿真分析步中完成各個歷程步的連續計算，大幅度簡化了計算工作。將完成計算生成的H3D結果導入到HyperView中查看。時間為0的狀態是初始未受力狀態，后續12個結果即對應表1的歷程步的受載狀態，所有歷程步在一個瞬態分析步中根據時間關系完成分析。結果顯示，鉸接座的Mises等效應力均滿足不超過屈服強度的要求。鉸接座應力云圖如圖5所示。

圖5鉸接座應力云圖

5結束語

本文采用仿真方法，針對裝載機車架鉸接座進行轉向模擬計算，重點描述了使用Tload和Dload的合成，大幅度簡化了計算載荷的施加流程，并且僅需通過修改歷程值就可實現快速計算，為后續結構的快速優化及載荷的調整提供了初始模型。

參考文獻

[1]鄧增彪.裝載機機架鉸點軸承選型分析[J].山東工業技術，2017（11）：15.

[2]楊春用，門凱，莊昕，等.電動裝載機鉸接轉向系統設計的創新與探索[J].建筑機械化，2024，45（5）：24-28.

[3]洪如，王慈，曾祥波，等.裝載機鉸接轉向結構轉向性能分析[J].機電工程技術，2022（4）：72-75.