（机械设计及理论专业论文）wc8eb铰接式自卸车机架的结构分析及其优化设计.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 w c 8 0 e ) b 铰接式自卸车 机架的结构分析及其优化设计 摘要 iill l l l llh l i l l l li i i ii m l y 2 15 6 4 2 2 本文以某设计院设计的型号为w c s 0 三) b 的铰接式自卸车车架为研究对象，结合实 际使用过程中车架出现的破坏等现象，利用大型有限元分析软件对其进行静态分析、模 态分析和轻量化设计。本文所做的主要工作如下： 论文首先基于s o l i d w o r k s 软件建立了车架结构的实体模型，接着对车架利用有限元 分析软件a n s y s 进行静应力分析，在静态弯曲、静态扭转等典型工况下对车架的强度 和刚度进行了分析，并在满载、均布载荷作用下对车架转弯和制动时的强度和刚度进行 了分析。从分析结果的应力云图和应变云图看，车架的局部应力和应变较大，但理论结 果远远小于许用应力，材料利用率低，因此车架结构还有进一步改进潜力。 本文还对车架进行了模态分析，最终得出车架结构的固有频率和相应的固有振型。 从分析结果看出，车架结构的固有频率远离了激振力频率，表明结构设计合理。 在车架的静态应力分析及模态分析的基础上，对后车架进行了结构尺寸优化。本文 以后车架结构的体积最小为目标函数，以车架纵梁的板厚、连接立板的厚度为设计变量， 以车架结构的强度、刚度及稳定性等为约束条件，建立了相应的优化设计数学模型，通 过采用局部逼近优化方法进行分析计算，获得了后车架重量减轻的结果；并在满载均布 载荷作用下对优化后的车架进行了强度和刚度校核。 综上所述，本研究通过对车架的静应力分析，得到了车架结构的应力、应变的分布 规律，为进一步改进设计、指导生产提供了理论支持：对后车架的减重优化设计，实现 了整车重量降低，提高了整车性能和性价比，进而提高了该车的市场竞争力。 关键词：有限元；a n s y s ；静态分析：模态分析；结构优化 太原理工大学硕士研究生学位论文 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 w c 8 ( e ) b a r t i c u l a t e dd u m pf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no ft h ef r a t 讧e a b s t r a c t t a k i n gad e s i g ni n s t i t u t ed e s i g nm o d e lf o rw c 8 ( e ) bt a r t i c u l a t e dd u m p t r u c kf r a m e ，w h i c hi sc o m b i n e dw i 廿1t h ea c t u a lp r o c e s sd e s t r u c t i o no ff l a m e a p p e a rp h e n o m e n o n ，u s i n gl a r g ef m i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f l a r a r et oi t ss t a t i c a n a l y s i sm o d a la n a l y s i sa n dl i g h t w e i g h td e s i g n t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri s a sf o l l o w s ： i tf i r s t l yb a s e do i ls o l i d w o r k ss o f t w a r ee s t a b l i s h e dt h ef r a m es t r u c t u r eo f t h ee n t i t ym o d e l ，t h e nt h ef r a m ew i l lb ea n a l y s e db y u s i n gf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r ea n s y si nt h es t a t i cs t r e s ss i t u a t i o na n di ns t a t i cb e n d i n g ；i n t h ef u l ll o a d 、u n i f o r ml o a dt u r n i n ga n d b r a k i n g , t h et y p i c a ls t a t i cr e v e r s e w o r k i n gc o n d i t i o n so ft h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s so ff r a m ea r ea n a l y z e d f r o mt h e a n a l y s i so ft h er e s u l t so ft h es t r e s sa n ds t r a i nc l o u d ，f r a m eo ft h el o c a ls t r e s sa n d s t r a i ni sb i g g e r ，b u tt h i st h e o r yi sf a rl e s st h a nt h ea l l o w a b l e s t r e s s ，l o wm a t e r i a l u t i l i z a t i o nr a t i o ，s of r a m es t r u c t u r en e e dt of u r t h e ri m p r o v e u i 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h i sp a p e ra l s oa n a l y s et h em o d a ls i t u a t i o nt of l a m e ，a n df i n a l l yd r a w f r a m es t r u c t u r eo ft h en a t u r a lf r e q u e n c ya n dt h ec o r r e s p o n d i n gi n h e r e n t v i b r a t i o nm o d e t h ea n a l y s i so ft h er e s u l t ss h o wt h a t ，t h en a t u r a lf r e q u e n c yo f t h ef r a m es t r u c t u r ei sf a ra w a yf r o mt h es h o c kf r e q u e n c ya n ds t r u c t u r a ld e s i g ni s r e a s o n a b l e o nt h eb a s i so ft h es t a t i cs t r e s sa n a l y s i sa n dm o d a la n a l y s i st h es t r u c t u r e o ft h ef r a m es i z eo p t i m i z a t i o nw i l lb ea n a l y s e d i nt h i sa r t i c l et h er e a rf r a m e c o n s t r u c t i o nm i n i m u mi so b je c t i v ef u n c t i o n ，t h el o n g i t u d i n a lt h i c k n e s s ，t h e t h i c k n e s so f t h ec o n n e c t i o np l a t ea sd e s i g nv a r i a b l e sa n dt h ef r a m es t r u c t u r eo f t h es t r e n g t h ，s t i f f n e s sa n ds t a b i l i t ya sc o n s t r a i n tc o n d i t i o n s ，e s t a b l i s h e st h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo f o p t i m u md e s i g n ，b yt h eu s eo f t h el o c a la p p r o x i m a t i o n m e t h o d so fo p t i m i z a t i o nc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ，g e t t i n gt h ew e i g h to ft h er e a r r a m e ；a n di nf u l ll o a d 、u n i f o r ml o a d i n go fo p t i m i z e df r a m et h ei n t e n s i t ya n d r i g i d i t yw i l lb ec h e c k d t os u m u p ，t h r o u g ht h es t a t i cs t r e s sa n a l y s i so ff r a m e ，t h i sp a p e rg e t st h e f r a m es t r u c t u r eo ft h es t r e s sa n ds t r a i no ft h ed i s t r i b u t i o n ，f o rf u r t h e ri m p r o v e d e s i g n ，d i r e c t i n gp r o d u c t i o np r o v i d e sa t h e o r e t i c a ls u p p o r t ；t ol o s ew e i g h t o p t i m i z a t i o nd e s i g no f t h er e a rf r a m e ，w h i c hr e a l i z e sl o s ec o m p l e t ew e i g h t ， i m p r o v e st h ev e h i c l ep e r f o r m a n c ea n d c o s tp e r f o r m a n c ea n di m p r o v e st h e m a r k e tc o m p e t i t i v e n e s so ft h ec a r k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n t ；a n a l y s i s ；s t a t i ca n a l y s i s ；m o d a la n a l y s i s ； s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 矿用自卸车是现代矿山的重要运输设备，它一般承重较大，结构复杂，使用条件恶 劣。铰接式自卸车( a d t ：a r t i e u l a t e dd u m pt r u c k ) 因具备广泛的道路适应性和良好的机 动性而受到世界各国的重视，在道路建设、矿山开采等各类工程中更是得到了广泛的应 用。车架是车辆的关键部件，是主要的承载构件，它对整车的使用寿命具有直接影响， 也是车辆设计水平的体现。汽车车架除应具有足够的强度和刚度外，还应具备良好的动一 态性能。 以前，采用材料力学的简化模型对车架进行设计计算，但由于车架结构复杂，简化 的计算不能很好的反映出实际情况；近年来，随着电子计算机应用的不断发展，有限元 计算方法的进_ _ 步完善，用有限元法对车架进行设计计算得到了广泛的应用。 本课题以煤科总院太原院研制的w c 8 ( e ) b 铰接式自卸车为研究对象，针对在使用 过程中前车架和后车架发生破坏的问题，对车架采用有限元法进行静强度分析、模态分 析，分析危险区域，对车架结构提出进一步的优化和改进。 1 2 国内外车架分析的研究现状与发展趋势 1 2 1 国外车架分析的发展 铰接式自卸车的设计思想起源于2 0 世纪6 0 年代末的欧洲，最初生产是为了适应恶 劣的气候环境和狭窄的工作空间。随着a d t 技术的不断进步，其在非公路运输领域得 到了广泛的应用，运输物料种类包括泥土、矿石、木屑以及垃圾等。目前，铰接式自卸 汽车生产厂家主要有卡特彼勒、m o x y 、特雷克斯( t e r e x ) 和沃尔沃( v o l v o ) ，其市场 份额约占世界a d t 市场的9 0 ，对世界a d t 市场起主导作用n 】。 国外早在6 0 年代中后期就对车架结构进行了有限元静动态分析。当今技术已相当 成熟，并取得了巨大成果。如：w i l h e l m r u s t 和k a r ls c h w e i z e t h o f 应用了a n s y s 和l s d y 对薄壁结构问题进行了有限元分析心1 。k i m ，h s 等人研究了车架在极限载荷作 用下的失效形式【3 】。b e e r m a n n ，h j 采用梁、板单元混合的方法对车架横梁与纵梁连接 太原理工大学硕士研究生学位论文 处进行了分析。a o ，k a z u o 、n i i y a m a 等人利用静力分析结果对车架进行分析设计嘲- 6 】。 图l 一1 为国外普遍采用的车架结构设计系统和流程。国外新车型运用了静动态设计 分析等方法后，其开发周期明显缩短。 率 密 外 形 数 譬 模 型 特捱截预特 鬣摩 率身三维实休 建摸与装配 督 綮 掏 释 设 计 有辍元阿格划分 蓁|霎|蓁|蓁|霎|茎 分析络果评榆 率 努 结 构 数 摸 图1 1 牟架的结构分析系统集成框图 f i 9 1 1s t r u c t u r ea n a l y s i ss y s t e mi n t e g r a t i o no f f r a m e 1 2 2 国内车架分析的发展 1 9 5 6 年冯康教授研究了有限单元法，他的论文运用了分片差值算法，此方法在后来 的工程结构计算中应用广泛，并取得了较好的效果，为有限元在我国的发展做出了重要 的贡献【7 。九十年代以来，汽车零部件结构的设计分析中广泛地应用了有限元法，大大 提高了分析、设计的效率。各大轿车厂商通过引进并消化国外先进技术，开发品牌自主 产权，并通过与国外各大公司合作等方式，使产品更新换代，提高了我国自主开发轿车 的能力，并提升了桥车市场的竞争能力哺卜踟。 近年来，国内很多学者和研究工作者采用有限元法对车架进行了研究，经过多年研 究，在对车架的研究上取得了重大突破。例如：卢耀辉、邬平波、曾京等对铰接式货车 车架进行了研究，并对车架进行模态及静力分析，找出车架薄弱点，对薄弱结构进行优 化，还对车架铰接处的结构进行分析对比，得到了更优的铰接结构n 。马迅、盛勇生建 立车架模型之后应用分析软件a n s y s 计算得出扭转刚度、弯曲变形情况及车架前五阶 固有频率及振型，在许用应力条件下，以车架的纵横梁截面积为设计变量，总体积为目 标函数进行优化设计，使车架达到减重。董振国采用大型通用有限元软件a n s y s 对 2 i f 一雾 车身布舄设诤一一车 太原理工大学硕士研究生学位论文 某厂的半挂牵引车车架进行了静态、模态和试验模态分析，找出车架产生裂缝的原因， 最后对修改前后的车架进行强度、刚度分析n 铂。蔡志武、陈洁通过u g 建立某车架的三 维实体模型，在a n s y s 软件中采用板、壳混合单元法建立有限元模型，通过对车架的 静力分析，得出车架结构特点，为结构的进一步优化奠定基础n 3 1 。 综上分析可知，有限元作为一种日趋完善的强有力的科学计算方法，己成为计算机 辅助设计中不可缺少的环节，在汽车的设计中得到了广泛的应用。如今车架的设计已经 从以前的经验设计、简化计算发展到了有限元法计算和数值模拟，实现了对车架进行静、 动态特性分析、优化设计等更科学更高效更精确的设计方法，使车架的设计水平有了很 大的提高，并在生产过程中得到了验证。 1 3 本课题研究的主要内容、目的和意义 1 3 1 本课置研究的主要内容 本文的研究对象是煤科总院太原院研制的w c 8 ( e ) b 铰接式自卸车，主要对其进行 ，j ： 静态特性分析、模态特性分析和轻量化设计，具体内容如下： 盖 ( 1 ) 建立车架的实体模型 运用三维建模软件s o l i dw o r k s 对w c 8 ( e ) b 铰接式自卸车的前、后车架分别建立 三维实体模型霉在建模时，结合生产图纸并遵循有限元分析中对模型简化的要求，建立 车架三维模型。 ( 2 ) 建立车架有限元模型 为建立正确的有限元模型，首先将车架三维模型导入a n s y s 中，设置模型的材料属 性，使用与后续分析要求一致的单元类型，设置正确的实常数，并设置相应的网格大小 后对模型进行网格划分，然后对与车架相连接的各种部件进行正确模拟。 ( 3 ) 车架的静应力分析 以销轴简化和销轴不简化两种模型进行分析。为找出车架应力应变分布情况，即应 力集中区，本文主要在满载弯曲、弯曲+ 扭转、启动、制动、爬坡和转弯工况下使用a n s y s 软件对车架进行静力分析，校核车架在各种工况下的强度和刚度性能。 ( 4 ) 车架的模态分析 以销轴简化模型进行车架的模态分析，先分析自由模态，再进行约束模态的分析， 分别得到车架在两种模态下的前十阶固有频率和固有振型，进而分析车架初步设计是否 太原理工大学硕士研究生学位论文 存在不足之处。并考虑路面激励和发动机激励对车架振动特性的影响，对车架的设计与 及车架的行驶路况提出一些建议。 ( 5 ) 车架的优化设计 在满足静应力许用强度条件下，使车架体积达到最小，即质量最轻。本文以后车架 纵梁的厚度和前立板的厚度为设计变量，以车架的总体积为目标函数进行优化设计，为 后车架的减重设计提供理论支持。 1 3 2 本课题研究的主要目的和意义 为得到主车架性能情况，找出前、后车架集中应力区，前、后车架强度不足区，本 文主要是对车架进行静应力分析、模态分析，进而对车架优化设计，使车架的强度达到 要求，重量减小。如果整车重量得到减轻，整车运输能力也会得到提高，进而大大提高 了车的安全性、经济性、环保性，此外也可提高该车在市场中的竞争力，为厂家带来可 观的经济效益。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章有限元法基本原理及软件介绍 2 1 有限元法基本原理 2 1 1 有限元法基本思想 有限元法，即有限单元化法则，其基本的思维体系是将研究的对象进行规则性的分 散，比如应用离散化方法将某个连续的弹性体进行分割，而每一个单元相互连接，分割 好以后，依照静力等效原则对此弹性体施加一定的载荷，每一个单元所受的力以等效的 节点载荷向量表示。因此，每一个有限单元体组合成的结构体被分割的过程就是连续体 的离散化过程。如果将有限单元进行分析研究，每一个节点的位置移动，代表连续结构 体的变形量，而由此创建的连续体的位移表达式，即用数学的语言表达这个弹性体的形 变状况n 劓。 通过变分原理，建立一个线性的方程组，该方程组的变量即节点的位移，求解每一 个节点位移的相近值，就能得到所对应每一个节点的加速度、应力以及速度等值。由此 可见，这种划分为一定数量单元替代连续的弹性结构体的方法，即“整体一部分一 整体”的思维，正是有限元法的基本思维。 近些年来，该思想方法的理论研究得到迅速发展和进一步的完善，使其推广应用已 超越了早期的二维弹性力学领域，拓展到三维甚至四维的空间领域，涉及学科包括电磁 学、热力学、以及固液流体力学，研究的问题从静力学到动力学，物体模态的稳定性到 波动性的问题等。随着计算机技术发展的日新月异，有限元方法在很多工程领域方面的 复杂计算问题上，得到了极其广泛的实际应用，产生了各种高效通用甚至专用的软件， 由此解决的科学难题不胜枚举n 钉。 有限单元法中的位移法是应用最为普遍的一种方法。应用位移法时，为了表达每一 个单元内位移分量的离散分布状态，一般选择多项式函数近似地代表这种状态。应用这 种节点位移表达单元体内在的位移规律的函数被称作插值函数，每一个单元形式对应每 一种类别的插值函数。得到了该插值函数，便能按照变分原理创建每一个单元节点力向 量与节点位移向量之间的数学关系表达式，即单元刚度矩阵。紧接着，通过消元法和迭 代法，结合每一个节点处的关系协调条件和平衡条件，叠加全部单元刚度矩阵方程，由 太原理工大学硕士研究生学位论文 此创建的整体结构节点力和位移关系的总刚度方程，是以节点向量为基本变量的代数方 程组。对该总刚度方程添加一定的约束条件，便能用计算机求解结构节点位移，如果代 入单元刚度方程后即可求得节点力和各单元内部应力和应变分量n 引。 2 1 2 有限元模型的创建 用有限元法进行分析研究之初，需创建有限元模型，模型创建的好坏直接决定分析 结果的正确与否，其创建的步骤主要有以下几个阶段n 引： 1 简化研究对象的结构； 2 选取分割单元； 3 划分一定的网格； 4 构建对应的边界条件； 5 给定研究物体的材料之物理特性； 6 给定其它用来表现这个物理系统的特征。 2 1 3 有限元分析和求解步骤 有限元单元法缘何应用广泛，原因就在于它能将计算机的高速处理数据的能力取代 繁复的人工计算，将极其复杂的数学多元代数方程的求解过程的时间大大缩短，处理大 量的结构力学方面的计算问题，而且求解结果准确，过程简单。具体来讲，就是通过计 算机辅助设计软件创建与实际结构体数据一致的三维模型，对模型分割，并对作用到每 一个单元结构体上的载荷量进行分析，得到每一个单元体的节点力和位移【1 8 】【1 9 1 。 具体步骤如下： 1 整体结构体的离散化 首先，将连续弹性单元体虚拟地分割，成为一个离散的结构，该结构由一定量的形 体单一的基本构件组合而成，而所有的大小相近的构件称为有限单元，每一个相互邻近 的单元在节点处彼此连接，所以，利用有限元法需要计算的虚拟模型事实上是一种只在 节点处连接，只依靠节点传递力的一定量单元的集合体。 2 结构体单元分析 结构有限单元的分析过程，是建立每一个单元刚度方程，即确定单元节点力与节点 位移之间的关系，进而确定整体刚度矩阵。 具体的做法是应用插值函数，选取一个合适的位移函数添加给结构体，以每一个单 元节点处的位移表示单元内任意点的位移，把无穷自由度概念转化为有限的自由度概 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 数代入关系式( 2 1 ) ，即应变分量与位移分量之间的关系式，这样就实现了用每一个单元 刚度矩阵【k 】。 k = 鲁 陲喜+ 茜 p ， 位移解。这种物理事实体现到数学上就是刚度矩阵口目的奇异性，因此必须先添加相应 对方程( 2 2 ) 进行求解，能得到相应节点的位移矢量了然后再根据步骤2 的单元分析 2 2 软件简介 2 2 1s o l i d w o r k s 软件简介 s o l i d w o r k s 软件公司是世界著名的m c a d 供应商，它是达索系统( d a s s a u l ts y s t e m e s s a ) 下设的一家子公司，主要负责机械设计软件的研发与销售。目前达索的c a d 产品 具有较高的市场占有率，其中c a t i a v 5 就出自于该公司。 s o l i d w o r k s 是当今世界上最先进的集c a d c a e c a m p d m 于一体的三维造型软 件，它是全球第一个以w i n d o w s 系统为平台开发的三维c a d 系统，由于技术创新顺应 7 兰鉴：。芝三二盲由能铭盲接模拟接触式机械运动干涉的情况。 3 ) 在机构运动仿真中能够直接模拟接触式机械廷明十秒刚旧帅。 4 蜈毫翌献黑接口，通嫡级酩( 如v c 、v b 、o l e ) 对其进行 5 ) 提供了a p i 二次开发工具接口，通过高级语百。则。扒、一 是关键、零件设 图2 1 自顶向下的设计方法 f i g2 。1t h et o p d o w n d e s i g nm e 也o d 8 图计l ， 侬证 酣特 装 _ 二簋础 僻基 引是建计 龇设 分图雹草 、f ， 出中，謇程 r 过 阿计 丽设自乍 软 盯 爆采 曾删 ， 0中s 过 粥程 纛凇栅删琳 二 s f 二 秘际l 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 2a n s y s 软件简介 有限元分析软件a n s y s 取名自其开发公司，属于一款非常通用的大型有限元设计 软件。4 0 多年以来，a n s y s 软件随着计算机的更新换代，不断融入先进的计算机技术 和科学技术方法，使得这款软件成为引领世界有限元分析工具的翘楚。该软件在整个世 界工业界被广泛认可，源于其具有可靠、先进的性能，以及多项性开发等特点。 a n s y s 软件是集多学科于一体的大型通用性有限元分析软件，包括热学、结构力 学、电磁学、流体力学、声学等重要学科，在包括核工业、石油化工业、铁道运输业、 机械制造业、航空航天业、汽车交通业、国防军工业等众多工业及科学研究领域具有广 泛的应用。a n s y s 软件与大多数的计算机辅助设计软件可进行无缝对接，并进行数据 的交换和共享，如p r o e n g i n e e r , a l o g o r , n a s t r a n ，a u t o c a d ，i d e a s ，等，是现代产 品设计中的高级c a e 工具之一。该软件的主要功能特点包括以下几方面噙h 州： ( 1 ) a n s y s 软件的界面设计( g u i ) a n s y s 软件随着计算机更新的速度，在界面设计上遵循符合人机交互界面的设计 原理，为用户的使用带来了方便，其界面是基于m o t i f 平台开发的，其图形化的用户界 面使得台前台后的处理，运算，求解在风格上非常统一，且与各种常用的硬件平台所兼 容；此外，像很多被用户所欢迎的通用性大型软件一样，a n s y s 包含功能对话框、命 令框输入、下拉式菜单栏、多图形对话框、仿真动画的显示、以及智能化的菜单栏指引 功能等等，事实证明，用户在使用该软件时相对比较容易上手。 ( 2 ) a n s y s 软件的前处理模块 a n s y s 软件内嵌实体模型创建模块及网格分割工具，能够迅速构造数学模型和有 限元模型。该软件内含几十种丰富的基本体素材库，能够模拟任何较为复杂的几何形状； 还能同步实现实体建模与直接建模，可同步实现自顶向下建模与自底向上建模；模型之 间可进行强大的布尔运算功能；运算求解结果可通过其强大的网格划分工具保证元形态 及其精度；此外，该软件还可具有划分自由网格、划分智能网格、划分映射网格、划分 自适应网格等形式多样的功能。 ( 3 ) a n s y s 软件的强大分析功能 前处理阶段的工作是创建基本的模型，之后使用者能够在求解阶段得到精确的分析 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 结果。利用菜单栏中的s o l u t i o n 工具模块，开始分析求解。这个环节中，使用者能够自 定义分析的类别、需要分析的选项、加载相关的数据以及确定载荷步数的选项，这些工 作完毕后，开始进行有限元求解。 a n s y s 软件能够实现的几种分析类型主要包括以下几方面晒1 ： 1 ) 结构静力学分析 由外在施加载荷所致的应力、位移和力都可以通过a n s y s 来运算求解。对于研究 结构体来说，其惯性和阻尼的大小对于其结构本身的影响并不十分明显，可以利用 a n s y s 静力分析来实现。静力分析最常见的是线性分析，但是对于常见的结构体受外 载荷作用产生的塑性、膨胀、蠕变、大应变以及各类接触的非线性分析同样可以实现。 2 ) 结构动力学分析 结构动力学分析，顾名思义是研究对象结构体在受到随时间变化的载荷作用下，其 结构或部件的所受影响程度。不同于静力学分析的是，动力分析必须着眼于力载荷随时 间变化的情况及由此产生的对阻尼和惯性的影响。a n s y s 能够实现的结构动力学分析 的主要类型有：模态分析、瞬态动力学分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。 3 ) 电磁场分析 4 ) 热分析 5 ) 流体动力学分析 6 ) 压电分析 7 ) 声场分析 8 ) 耦合场分析 ( 4 ) 后处理模块 a n s y s 软件的后处理阶段主要包含两部分的内容：通用性后处理模块p o s t l 和 时间历程响应后处理模块p o s t 2 6 ，这两个模块的人性化交互设计界面，能够迅速以图 形化结果显示求解运算结果。a n s y s 软件的输出结果主要有这几方面：应力、应变、 位移、速度、温度及热流等，其输出形式包含两种：图形显示和数据列表显示。 此外，a n s y s 的后处理功能还包含优化、子模型、子结构、生死单元等。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 3h y p e r w o r k s 软件简介 a l t a i rh y p e r w o r k s 是一个创新、开放的企业级c a e 平台，它集成设计与分析所需 各种工具，具有无比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面。它为产品生 命周期管理p l m ( p r o d u c tl i f e e y c l em a n a g e m e n t ) 的应用提供功能完备的仿真技术套件。 h y p e r w o r k s 包括以下模块1 矧： a l t a i rh y p e r m e s h ：高性能、开放式有限单元前后处理器，在一个高度交互和可视 化的环境下验证及分析多种设计情况。 a l t a i rm o t i o n v i e w ：通用多体系统动力学仿真及工程数据前后处理器，设计者可以 在一个直观的用户界面中结合交互式三维动画和强大无比的曲线图绘制功能，能更好的 查看动力学仿真的结果。 a l t a i rh y p e r g r a p h ：强大的数据分析和图表绘制工具，具有多种流行的工程文件格 式接口、强大的数据分析和图表绘制功能、以及先进的定制能力和高质量的报告生成器。 a l t a i rh y p e r o p t ：使用各种分析软件进行参数研究和模型调整的非线性优化工具。 a l t a i ro p t i s t r u c t ：世界领先的基于有限元的优化工具，使用拓扑优化方法进行概念 设计。 h y p e r m e s h 的界面设计得人性化，简洁易学，支持常见c a d 几何模型的直接导 入或是直接使用已有的有限元模型，使得分析上更加高效和具有协同性。它的优势主要 体现在： 1 ) 高效率能的有限元建模和后处理功能缩短了建模的时间从而降低了工程分析的 成本； 2 ) 用户界面直观，操作简单，性能优良，减少了用户学习的时间、提高了产品效 率； 3 ) 可以直接导入c a d 几何模型或是已有的有限元模型，减小了模型开发成本， 避免了重复工作； 4 ) 自动网格划分功能较强大，能高速，高质量的划分网格，简化了对于复杂几何 体的有限元建模过程； 5 ) 提供了与大多数商业有限元求解工具的导入接口支持，对特定情况的分析可以 使用最佳的分析代码，甚至用户可以选择使用自己喜欢的求解工具。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 本章小结 本章对有限元理论的基本原理和基本步骤进行了总结；对本论文中将要用到的三个 软件做了简单的介绍。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章w c s 0 ) b 铰接式自卸车车架的建模 3 1w c 8 ( e ) b 铰接式白卸车车架的结构特点 车架作为汽车的主要联接和承载部件，其结构有三种基本形式：边梁式、中梁式( 或 称脊骨式) 和综合式。边梁式车架应用最广泛，它由位于两边的两根纵梁和若干横梁组 成，用焊接法或铆接法将纵梁与横梁连接成坚固的刚性构架。边梁式车架的结构特点是 便于安装货箱、驾驶室及一些特种装备和布置其它总成，这种结构比较简单，有利于发 展多品种汽车或是改装变型车等，因此在载货汽车和大多数的特种汽车上得到了广泛的 应用。中梁式车架只有一根位于中央贯通前后的纵梁，这种车架要求的制造工艺复杂， 精度高，在修理和保养方面有较高的难度，目前这种车架还没有得到广泛的推广。综合 式车架是前部为边梁式，而后部为中梁式的车架，它同时具有中梁式和边梁式车架的特 点，目前多被轿车采用，使用量不是很大嘲吖矧。 w c 8 ( e ) b 铰接式自卸车车架基本上是边梁式车架的思想，但在前、后车架上的结 构还有较大的区别。整车的技术参数如表3 - 1 所示。 3 1 1w c s ( e ) b 铰接式自卸车前车架的结构特点 w c 8 0 三) b 的前车架是板梁焊接结构，主体有左前、左后、右前、右后、下u 形板 和前箱形体六大板材，这些板材焊接过程中为了提高连接处的强度，采用了搭接焊的形 式。其他焊接到这一主框架上的构件，为了焊接充分，在板材上都切出了焊接坡口，实 际焊接中把焊接坡口填满。 右侧前部是用来安放燃油箱和尾气处理箱，因此对车架的强度有更高的要求，在车 架底部焊上一圈的方钢，在上面作为安装连接的板上都焊上了加强筋。 左侧前部是驾驶操纵室，出于安全考虑，在整个操作室也都加了方钢，方钢外再焊 接5 m m 厚的铁板围成安全可靠的驾驶室。 中部，挡泥板上要安装补水箱和液压油箱，因此在立板上加焊四根加强筋板，并且 挡泥板用的是5 m m 的钢板焊接。 后部u 形板，在车架转向中和前、后车架的连接中起着关键作用，对强度要求也较 高，在同类产品中也有过在这一部位出现裂痕的现象，因此，在该车的车架中在两侧减 太原理工大学硕士研究生学位论文 去了两个工艺孔，整个u 形板作为一个独立的构件。 表3 - 1w c s ( e ) b 整车的技术参数 t a b3 - 1t h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so f t h ev e h i c l eo f w c 8 ( e ) b 型号 w c 8 ( e ) b 结构型式前后机架铰接 结构件材料 1 6 m n 防爆柴油机额定功率 8 5 2 3 0 0 ( 实际9 1 k ) ( k w r p m ) 减振元件钢板弹簧 额定装载质量( 妇) 8 0 0 0 整车整各质量( k g ) 1 0 0 0 0 总长：7 7 2 0 外形尺寸( m i l l )总宽：2 0 5 0 总高：2 0 0 0 货厢最大举升角( 。) 4 5 自卸时最大举升高度( 咖) 3 6 5 0 满载最大车速( k m h ) 1 档：7 ；2 档：1 7 ；3 档：3 0 ( 水平干硬路面) 最大爬坡度( 。) ( 在干硬路 1 2 面上) 最大牵引力( k n ) 2 0 最小通过能力半径( m ) 7 最大制动距离( m )8 ( 在干硬水平路面、车速2 0 k i n h ) 紧急制动距离( 1 1 1 )8 ( 在干硬水平路面、车速2 0 k i n h ) 最大制动减速度 2 1 1i “s 2 最大扭矩转速4 9 0 n m 1 4 0 0 r m i n 3 1 2w c s ( e ) b 铰接式自卸车后车架的结构特点 w c s ) b 铰接式自卸车后车架是边梁式车架结构，由左右分开的两根纵梁、四根 横梁和前面的连接板组成，这样的结构便于安装货厢、前后车架的连接和布置其他总成。 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 前立板是后车架与前车架铰接的关键部件，它是由2 5 m m 厚的整块板焊接上连接座 构成，后面和左右两根纵梁与第一根横梁之间都有加强筋连接。 左右两根纵梁是由1 2 m m 的厚钢板焊接成的矩形横截面的结构梁，为了提高纵梁的 强度，隔一定距离焊上一块1 0 m m 厚的加强筋。 前三根横梁为矩形横截面的结构梁，由于在实际中的受力不一致，横截面的大小不 一致。在第一根横梁和第二根横梁之间还加入了两根u 形截面的纵梁；在第二根横梁和 第三根横梁之间也加上了四根矩形截面的纵梁，同时把举升油缸也安装到这四根纵梁 上。第四根横梁是一根u 形截面的结构梁。 3 2w c 8 ( e ) b 铰接式白卸车机架三维模型的建立 三维模型的建立常见的有两种方法：直接运用a n s y s 自带的c a d 建模功能建立 前、后车架的三维模型，或者运用通用的三维建模软件先建立好车架的三维模型再导入 a n s y s 中进行划分网格和分析。由于a n s y s 软件的优势在分析，复杂的模型建模相 当困难，所以简单的模型才在a n s y s 中直接建立，本次分析的车架较为复杂，采用的 是第二种方法。 在建模中，为了下一步的有限元分析中能顺利划分网格，还做了以下简化： 保持总体结构不变，将前、后车架分别视为刚体； 忽略小装置及控制件等对车身强度影响较小的部件； 忽略对车架刚度和强度影响不大的孔和倒角； 保留危险部位的细节结构。 3 2 1w c s 0 ) b 铰接式自卸车前车架的三维建模 该车的前车架主要是由钢板和梁焊接而成，焊缝缺陷和焊接变形会造成车架的强度 不足，但该缺陷可以通过优化焊接工艺来得到提高。实验证明现在的焊接接口不再是引 起强度不足的主要原因。因此，在本次研究中，根据设计图纸建立三维模型时，对焊缝 进行简化处理。 在s o l i d w o r k s 里建立的前车架模型如图3 1 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 图3 - 1 前车架三维模型 f i g3 13 dm o d e lo f f r o n t e 3 2 2w c s ( e ) b 铰接式自卸车后车架的三维建模 在s o l i d w o r k s 中建模时，先建立左右两侧的纵梁，再建前立板和四根横梁，最后得 到的后车架模型如图3 2 所示。 图3 - 2 后车架三维模型 f i g3 - 23 dm o d e lo fr e a rf l - a m e 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 2 3w c s ( e ) b 铰接式自卸车车架的三维建模 以车辆的前进方向为z 轴，左右方向为x 轴，向上方向为y 轴。前、后车架由铰接 孔同轴配合，前后车架平行配合，铰接孔上下重合配合，装配得到车架的三维模型如图 3 3 所示。 图3 - 3 车架的整体三维模型 f i 9 3 33 dm o d e lo f t h eo v e r m lf r a m e 3 3w c 8 ( e ) b 铰接式自卸车机架有限元模型的建立 建立有限元模型是把实体模型导入到a n s y s 中划分为一定数量的微小单元，并建 立结构的力学模型，把实际结构的物理特性赋予这些单元。这一过程包括模型的进一步 简化，单元选择、定义材料特性、划分网格等步骤。正确建立结构的有限元模型( 力学 模型) ，是分析工作的关键一步。在建立有限元模型中，考虑到车架的实际工况和a n s y s 分析的可行性，经分析建立了销轴简化和销轴不简化两种有限元模型，这样在销轴简化 模型中可以从整体上得到车架的应力和应变情况，而在销轴不简化模型中可以得到铰接 部分附近和连接销轴的应力、应变情况啪1 。 3 3 1 模型在a n s y s 中的处理 s o l i d w o r k s 软件与a n s y s 软件之间没有无缝导入接i ：1 ，因此，在分析时先从 s o l i d w o r k s 中导入 x - t 格式的文件，再到a n s y s 中导入。这样导入模型时，由于c a d 软件和c a e 软件的侧重点不同，可能会出现下列问题： 太原理工大学硕士研究生学位论文 三维模型中出现一些数据丢失，造成存在缝隙、重叠、错位等缺陷。这会大大降 低有限元模型的质量，甚至导致模型无法求解或者结果失真； 几何模型中包含细小特征，在建立有限元模型时考虑这些细小特征，就要用到很 多小的或者是退化的单元，这样有限元的单元尺寸变化非常大，导致求解时间延长，也 会影响计算质量； 模型格式数据转换的问题。在导入a n s y s 的过程中，模型经过了两次的格式转 换，有可能会出现一些无法预知的缺陷( 越复杂的模型出现的可能性越大) ，这也有可 能导致无法建立有限元模型。 针对以上可能出现的问题在不改变主要零件受力条件及应力状况的前提下对前、后 车架再进一步进行了简化。简化的总体原则为：尽量减少节点数量但保持总体结构不变； 保留危险部位的细节结构妇d 3 引。 具体方案为： 略去不必要的圆角； 略去工艺结构； 略去不重要部位的小孔及小尺寸细节结构； 模型中有形状突变的地方，适当地重新划分面。 3 3 2 单元选择 a n s y s 软件提供了多种单元类型可供选择，正确的选择单元类型是获得合理分析 结果的重要因素之一。在早期的车架有限元分析模型中，大多采用梁单元模型，其优点 是划分的节点数目和单元数目少，计算速度快。但是梁单元模型对于车架的某些构件难 以模拟，而且也无法分析、反映出车架的应力集中问题。 车架常用板焊接而成，因此在分析时也常见用薄壳单元。薄壳单元的精度高于梁单 元，它能解决梁模型连接点的不易确定的问题，可以考虑到了连接点位置变化、各种附 属支架、加强筋的作用等情况，而且其精度被实验证明是较高的。但相比于梁单元，薄 壳单元模型所占的空间要大得多，前处理的工作比较麻烦而且分析计算时间也会相应加 长。为此，后来的学者们经过研究，发展成用梁单元和薄壳单元混合建立有限元模型的 方法。 实体单元是最能体现实体几何原型的单元种类。在a n s y s 软件中，实体单元是基 于几何结构生成，只要建立的三维模型足够精确，实体单元尺寸足够小，在理论上认为 太原理工大学硕士研究生学位论文 建成的有限元模型就可无限接近实际模型。但是这种有限元模型占用的硬件空间最大， 计算时间较长。然而随着电脑硬件水平和计算能力的提高，为了追求更理想的计算结果， 越来越多的研究者偏向于使用实体单元嘲。 本文选择s o l i d l 8 5 单元