基于ANSYS的液压平板车车架结构和模态分析_张卫东

1、汽车科技第期年月计算机应用冶金用液压平板车是一种特殊的重型运输机械，主要用于钢铁、冶炼等生产过程中的液态铁水运输。由于它的特殊用途和工作环境，其车架和一般用途平板车架结构有明显区别和要求。我国对此类重型车车架设计及强度校核多依靠经典的材料力学、弹性力学等传统的经验和方法。它具有简单易行的优点，但带有相当的盲目性，每次车架的设计改进都不会有重大突破；而且设计周期长。该方法也不能对车架结构的应力分布及刚度分布进行定量分析。因此，设计中不可避免地造成车架各部分强度分配不合理。这样使得整个车架设计的成本提高，而且容易造成某些部位强度不足，容易引起事故；而某些部位强度又过于富余，造成浪费，从而使车架达不

2、到优化设计的目的。同时，车辆是运输机械，其工作过程总是受到随时间变化的载荷作用。当动载荷很小时，可忽略不计，只需进行静态分析。若所受动载荷较大，或者虽然不大但作用力的频率与结构的某一固有频率接近时，都可能引起结构共振，从而引起很高的动应力，造成强度破坏或产生不允许的变形，破坏车辆的性能。因此，必须对车辆的结构进行动态分析。本文基于有限元法对某公司的液压平板车架进行仿真分析，主要流程为：根据图纸，在软件中建立如图所示的车架实体模型；通过功能强大的前处理软件对实体模型进行网格划分，建立车架的有限元计算模型；然后利用与软件的数据交换接口，把经过前处理工作的有限元模型直接导入；基于软件建立液压平板车的

3、多刚体动力学整车模型，如图所示，对该模型进行静平衡下的匀速直线行驶分析，得到车架与悬架连接处的载荷，依据该载荷对有限元模型设定载荷和约束条件；进而计算车架的刚度、强度、振动模态等关键性能指标；最后分析计算结果。图车架实体模型图多刚体动力学整车模型有限元模型的建立液压平板车车架结构特点液压平板车车架包括两根纵梁和若干根横梁，皆为厚板和型材组焊而成。车架前部有驾驶室、发动机、油箱、水箱等大质量部件，中部放置装有铁水且附有耐火层的载物桶，整个车架上面的横梁组之间铺有钢板。网格划分根据有限元分析的基本理论，单元类型选择的恰当与否，对计算的精度和速度有着直接的影响。综合考虑车架的结构和受力特点，选取节点

4、四边形单元单元。具备弯曲收稿日期：张卫东，莫旭辉，彭劲松（中南大学机电工程学院，长沙；湖南大学机械与汽车工程学院，长沙；长沙凯瑞重工机械有限公司，长沙）摘要：基于有限元法对冶金用重型液压平板车车架进行了满载匀速直线行驶工况下的应力和应变计算，同时对车架进行了模态分析，研究了车架结构与其固有频率及其振型的关系，为车架结构改进提供了一定的参考依据。关键词：液压平板车；车架；有限元法；模态分析中图分类号：文献标识码：文章编号：（）基于的液压平板车车架结构和模态分析和膜的特性，能承受平面内和法线方向的荷载。这个单元在节点上有个自由度：节点、方向的平动和绕节点、方向的旋转。它也具备了应力硬化和大变形能力

5、。由于整个车架的结构复杂，在建立模型时，在不影响强度分析的前提下，根据具体情况进行适当简化，有限元模型如图所示。图车架有限元模型边界条件处理及材料特性参数由于针对车架的整体应力和应变分析，需要把车架从整车模型中分离出来，因此在满载匀速直线行驶分析工况下，对边界条件作以下简化处理（位置说明见图、图。图边界条件施加处悬架的位置说明曲线：后后左曲线：后后右曲线：后前左曲线：后前右曲线：前后左曲线：前后右曲线：前前左曲线：前前右图各悬架支撑点受力分析（）在后后右悬架跟车架的连接处节点约束、自由度，后后左悬架跟车架的连接处节点约束、自由度；（）在前前右悬架跟车架的连接处节点约束、自由度，前前左悬架跟车架

6、的连接处节点约束自由度；（）在前后左、前后右、后前左、后前右悬架与车架的连接处节点施加垂直方向的向上的反作用力，如表所示（由整车动力学分析中提取反力数据最大值见图。从各悬架的受力分析曲线得以下数据见表、表。表悬架支撑点受力分析表提取的约束反力数值校对各支撑垂向力：×。由簧上质量计算重力为×。从以上曲线可以看出，在满载直线匀速行驶时，悬架受力最大值仍然是出现在最前右侧支撑处。同轴上左右支撑相差约为×，满载等速转弯行驶的差值要小，主要是由于质量有偏心所导致，整车质心不在车辆纵向中心面内。车架材料为钢，弹性模量×，泊松比，屈服极限，密度×。在进行强度

7、分析计算时，考虑了以下工作工况：满载时，载物桶加铁水的总质量，采用均布载荷加在左右梁对应节点上；驾驶室、发动机、油箱、水箱等的质量均布载荷加在右梁和前纵梁对应的节点上，考虑自重。有限元计算结果与分析节点最大位移值和最大应力值及其位置如图和图所示，工作工况的局部最大应力云图如图所示。图车架有限元分析位移云图基于的液压平板车车架结构和模态分析张卫东，莫旭辉，彭劲松计算机应用前后左前前左前前右后前右前后右后后右后前左后后左时间曲线曲线曲线曲线曲线曲线曲线曲线力后后左后后右后前左后前右最大值最小值平衡值前后左前后右前前左前前右最大值最小值平衡值部位载荷值前后左悬架前后右悬架后前左悬架后前右悬架汽车科技

8、第期年月图车架有限元分析应力云图图车架有限元分析应力最大处应力云图从以上计算结果可知，在工作工况时，最大位移值约，出现在承载物重的左、右边梁处，这样的变形是允许的，与该车满载下实际测量结果相符。最大应力值，接近屈服极限，但是最大应力值的位置只是出现在车架与后后右悬架的接触处的约束位置点。出现这一情况的主要原因是由于在有限元分析时，边界条件的模拟对实际情况的简化造成的。其余地方的应力分布如图所示，还是比较均匀的，均在以下，整个车架的受力是安全的。车架模态分析模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术，是所有动力学分析类型的最基础的内容。模态分析可以使结构设计避免共振或以特定频率进行振动；可以使工

9、程师认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响应的；有助于在其他动力分析中估算求解控制参数（如时间步长等）。车架结构作为一个弹性承载体，本来是一个无限多自由度的振动系统，在汽车高速行驶过程中会受到显著的动载荷作用，车架的弯曲、扭转振动会造成车架的疲劳，在其内部产生很大的动应力，影响舒适和行驶平顺性。当外界的激振频率与系统的固有频率接近时，将产生共振。共振不仅使成员感到不舒服，带来噪声和部件的早期疲劳损坏，还会破坏车架表面的保护层和密封性，从而削弱抗腐蚀性能。因此，合理的车架模态分布对提高整车的可靠性和性能等有着十分重要的意义。在中有以下几种提取模态的方法：法、子空间法、缩减法、法、不对称法和阻尼

10、法。使用何种模态提取方法主要取决于模型大小（相对于计算机的计算能力而言）和具体的应用场合。本文利用软件中的算法计算自由边界条件下车架的主要低阶模态。计算时提取模态数为阶，各阶模态振形及频率如表所示。其中，前阶的振型描述见图至图和表。评价车架动态性能的好坏主要看车架低阶频率，车架低阶频率应该高于车架其他附件结构的固有频率、发动机的固有频率、减速器及其后续的传动系统和行驶系统的转动部件的最高工作频率。以上外部激励所产生频率一般都在以下，所以该车车架的低阶模态频率分布是合理的。表车架模态列表表车架各阶模态振型描述图一阶振型图二阶振型模态阶数频率模态阶数振型描述车架整体一阶纵向弯曲模态车架整体二阶纵向

11、弯曲模态车架整体一阶纵向弯曲扭转模态车架整体一阶扭转模态车架整体二阶扭转模态计算机应用图三阶振型图四阶振型图五阶振型结论应用有限元方法对某重型液压平板车车架进行了整体刚度和强度分析，其中弯曲刚度用车架在铅垂载荷作用下产生的挠度大小来描述，满载下约为，与该车满载下实际测量结果相符。从应力云图可以看出，最大应力值远远低于材料的屈服极限，整个车架强度比较安全。从满足车架强度条件方面来考虑，车架材料比较富余，但是提高车架强度，使得车架在满载下的垂向挠度降低，有利于减少该车在工作过程中由于车架振动对铁水晃动的影响。采用有限元法对车架进行强度、刚度分析，其结果比常规的解析法更准确、可靠，且可获得局部危险区域的应力分布，从而为实际设计提供有价值的参考。模态分析得出了该重型车车架的固有频率和振型，结果表明，车架在自然约束条件下低阶频率范围在，车架振型表现为垂直弯曲、弯扭组合和扭转等。参考文献：刘鹏，冯国胜某重型钢水罐车车架结构的有限元分析及优化石家庄铁道学院学报，（）：黄华，茹丽妙重型运输车车架的动力学分析车辆与动力技术，（）：高云凯汽车车身结构分析北京：北京理