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无动力平板拖车的建模与有限元析

发布于:2019-05-27 20:57
有限元分析

      平板拖车是对货物进行水平运输的搬运工具,由牵引车、叉车、拖拉机等提供牵引动力。为了满足拖车结构设计轻量化的要求,拖车车架承载了使用过程中的所有载荷,是重要的受力元件,因此,要求车架具有很高的刚强度。为了确保结构的可靠性及系统的安全性,必须对车架进行刚强度分析有限元分析,为进一步完善和优化结构设计奠定基础。因此,拖车车架的刚强度特性分析具有举足轻重的作用。
      有限元模型的建模精度对分析结果的影响很大,模型的好坏甚至决定了分析结果的应用价值。建模的方法有两种:一种是将车身骨架简化为由梁单元组成的框架结构,其优点是模型处理速度快,缺点是复杂结构处的真实情况不能详细的反映,计算结果比较粗略;另外一种方法是将车身简化为板壳,其优点是能相对真实的反映连接部件的情况,缺点是前期处理工作量大,计算时间长。本文主要采用板壳分析和梁单元分析相结合的方式建立有限元模型并进行分析,在ANSYS中通过梁单元分析来确定方案,再在HyperWork中通过板壳模型进行校核,以确保结果的可靠性。   
      板壳模型的建立采取抽取中面的方法,将U形槽钢、矩形方管等视为无厚度的板壳,沿着厚度的一半抽壳。该拖车主要由三组主梁与横梁焊接而成,还包括回转支撑、回转架与一定数量的杆件和钢板件。其中主梁两端高度不同,中间由梯形过渡部分连接,如图所示。回转支撑和回转架安装在主梁高度较低的一端,此处为应力集中区域,轻量化时应保证其强度与刚度。在UG中构建拖车的三维结构模型,需要对模型作以下适当的简化处理:a.忽略拖车上的平板(忽略平板后,均布载荷施加在梁上),由于忽略车身上的平板对车身总体结构强度的加强作用。这将使结果偏于安全。b.忽略某些对车身结构变形和应力分布影响较小的非承载构件,如插杆、小垫块等。c.对小弧度的圆角做适当的简化处理。d.对悬架系统,忽略其具体的结构,仅用刚性梁和柔性梁代替。根据上述简化原则,首先建立完整的拖车结构模型。再将模型生成的.igs文件导人Hyperwork软件中进行几何清理,保证模型各部分正确的耦合和连接。   
      在建立有限元模型的过程中,由于支架上的安装吊环、横梁与纵梁上用于垫平的小垫块、车架上横梁与纵梁垂直相交处的小撑角板等车身上的非承载力的小零部件的自重较轻,且它们的安装位置和功用决定了它们对整体车身结构变形的作用很小,因此不必完全按照车身的实际结构来建,在此忽略不计。对于拖车梁模型分析,在建立有限元模型时可采用自底向上的建模方法,即先生成关键点,再生成线。在ANSYS中画出拖车的线框模型,建模时注意梁的节点的连接,以确保单元的连续性。在构建有限元模型时应注意:a.保证各部分的共点共线共面,以确保网格的连续性。b.主车架和回转车架之间采用mpc 184单元进行连接,模拟焊接的效果,这与点对点刚性连接的方式相比,可以降低结果误差。几何模型与最终建立的有限元模型如图所示。模型的板壳分析有75343个单元,其中she1163单元为65730个,beam188单元为60个,solid95单元为9019个,combine14单元为20个,mpc184单元为514个;梁单元分析有36145个单元,其中beam188单元为5001个,solid187单元为30522个,combine14单元为20个,mpc184单元为602个。
      根据企业提供的资料,该型五轴平板拖车的材料为Q235钢,屈服强度为235MPa,其许用应力为屈服极限与安全因数之比。为使结构在使用过程中不发生破坏,也不会产生损害其性能的变形,载荷在各部件上产生的应力必须限制在其许用应力之下。鉴于拖车主要行驶于厂区和港口等地,一般为低速行驶,故暂不考虑加速和制动工况,仅考虑静态工况。将拖车载重60 t及上面板2.5 t的重量视为均布载荷,主要考虑以下三种工况:a.工况一,将62.5 t的载荷均匀加载于前后车轴中心之间。此工况主要模拟拖车在正常行驶时的应力分布和变形情况。主要是对拖车满载状态下,所有轮着地时的结构静强度及刚度进行校核。b.工况二,考虑相对集中的均布载荷情况,将62.5 t的载荷均匀加载于前后轮内侧。此工况主要模拟拖车加载时可能遇到的载荷集中的情况,对其在集中载荷情况下的结构静强度及刚度进行校核。c.工况三,鉴于拖车在运行过程中,遇凹凸路面致使轮胎托空,在工况一的载荷下,随机悬空三个车轮的约束。此工况模拟的是拖车行驶时,由于车轮遇到路面上的突出物或凹坑,使左右车轮接地点出现高度差时,拖车承受的非对称载荷,是对拖车车架扭转工况的校核。



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