叉车车架有限元模态分析与结构改进_图文

1、第43卷2012年3月叉车车架有限元模态分析与结构改进卫良保1,曾龙修2(1.太原科技大学;2.柳工集团叉车研究所p“”。“”“”“。”“”“”、4“4“”。“”“”。”“”“、”“”“”“”“”。“”“”“”。? ; 摘要:叉车是刚性悬挂车辆,车架作为整车的骨架,其动态特性直接关系到整车的振动性; j能。为改进和有效提高叉车的安全可靠性、驾驶平顺性和舒适性,应用ANSYS有限元方法对某型3÷t叉车车架进行模态分析,根据所得模态参数,结合叉车行驶路况和发动机激励频率的计算结果,对i ;车架结构动态特性进行分析评价,在保持原始几何形状不变的前提下,提出最简约的车架模态修改; j方式,以

2、避免车架对振动激励的放大响应或共振现象发生。 i j.v v关键词:叉车车架;有跟元;模态分析;激励频率叉车虽然运行车速很低,但由于是刚性悬挂, 行驶中的振动非常明显。而车架作为整车的骨架, 除支撑整车的荷载外,还应有效隔离车辆发动机、 传动装置以及道路路面的激励引发的整车振动响 应,因为这些振源的激励频率如果接近车架的固有 频率,便会产生剧烈的振动和噪声,甚至引起共振, 造成结构损坏。为减小叉车的振动,提高其行驶安 全性、舒适性和平顺性,有必要对车架结构固有频 率进行分析,通过结构的合理设计.以避开各种激 振源的激励频率.最大限度地减少车架对振动激励 的放大响应。根据机械振动理论,结构的低阶

3、弹性 振动模态可以反映车架的刚度特性,是评价车辆常 规振动的关键指标【I'叼,也是进一步进行结构动力学 分析的基础。通常模态可以由试验求解,也可用解 析计算方法求得。应用有限元分析算法是最广泛的 结构模态解决方式。本文以某型3t叉车为例,对车 架进行有限元模态分析与结构改进。1叉车车架有限元模型的建立叉车车架是由钢板拼焊而成的板壳类复杂结 构体。建立有限元模型,可以直接进入ANSYS有限 元系统作图,也可先由SolidWorks或Pro/E等三维 CAD软件建立结构实体,然后转化为x_t格式文件 或谗格式文件输入到ANSYS系统生成,这种建模 方式由于能借助已有的CAD图,因此更为简洁

4、,本 文就是按照后一种方法创建的实体图建立的有限 元模型。但不管哪种方式,建立有限元模型都需要 对车架进行适当简化【l-q,除忽略局部的棱角、筋板、 小螺孔而外,对车架还做了以下处理:(1把由焊接形成的组合板零件构造成为一整 体零件,认为整个车架材料均匀连续分布,不考虑 焊缝影响。(2车架上面贴面的法兰连接之间的螺栓为受 拉螺栓连接,两面密实接触,可视为一整体构件,厚 度为两个零件厚度之和。以上简化.特别是焊缝的简化,是在焊接质量达 到焊接机械性能要求条件下的假设。对于结构模态 分析,模态频率取决于质量大小和刚度参数,而车 架焊接的贴角焊缝增加的质量较小,焊接强度保障 后,结构刚度与整体构件刚

5、度接近一致。在许可的 工程误差下,简化处理能有效减小计算量。依据车架结构的几何形状,选用SOLID92和 SHELL63为计算单元,网格划分采用自由方式,兼 顾分析精度和计算规模,考虑单元的疏密合理分 布。最终的有限元网格模型如图1所示。圈I 叉车车桨有限元网格模型2求解与模态扩展第43卷2012年3月和应力相对较大.这对与车架相连的驾驶操控装置 及叉车护顶架都有较大的影响。进行篡默嚣罴淼茹鋈雾篡s分析与改进进行模态计算,提取车架的有限低阶模态并进行模态 。“”扩展。其中前5阶模态频率的计算结果如表l所示。表1某型3t叉车车架模态频率计算结果l阶次频率/Hz振型描述136782绕纵向x轴扭转2

6、49622边梁(油箱绕x轴摆动弯曲 38672l 绕垂直y轴水平弯曲 4108800边梁绕y轴弯曲5140.900绕X轴弯曲,护顶架支点处大图2、图3和图4为模态频率在100Hz以内的 前3阶模态位移及等效应力云图,由图可见,车架 的前部及连接左右箱型边梁的底部钢板处的位移 和应力相对较大,这对与车架相连的驾驶操控装置 及叉车护顶架都有较大的影响。图2、图3和图4为模态频率在100I-Iz以内的 前3阶模态位移及等效应力云图,由图可见,车架 的前部及连接左右箱型边梁的底部钢板处的位移【=:= 一一一一冈r 3.1叉车车架动特性评价同所有的车辆一样,引起叉车振动的动力源可 概括为两类:一是叉车行

7、驶时路面不平度对车轮作 用的随机激振,直接通过驱动桥传递到车架上;二 是发动机运转时,工作冲程燃烧爆发压力和活塞往复喷性力引起的简谐激振。由于叉车车架下部与前桥(驱动桥由剖分轴瓦或法兰螺栓连接,与后桥 (转向桥中心销轴铰接,其上部承载的质量主要有 发动机、平衡重、护顶架、驾驶座和操控仪表等,可 见车架与动力装置、路面激振的关联耦合度是影响 叉车整机振动的关键环节。根据振动学分析理论,文献1】和文献2针对摩 托车和客车提出的车架振动模态评价原则具有普 遍性,也适用于叉车车架:(1车架的低阶模态频 率(1阶弯曲频率和扭转应避开发动机怠速运转频 率和由车轮传来的路面不平度激励的频率范围,以a模态位移

8、图2车架l阶模态位移及等效应力云图N一一黑曩烹_:喜醅我素焉_I黑=*=a1模态位移 (b等效应力云图图3车架2阶模态位移及等效应力云图第43卷2012年3月 工程机械 D蝴and Q|Jb岫珊m N目|Et。一I.II!_0。-r#1一j-杖I r+J二、图4车架3阶模态位移殛等效应力云图避免发生共振现象。(2车架的模态频率应该避开 率为4067Hz;路面激励频率按差等路面计算最 发动机在常用转速下工作时所产生的惯性载荷的 大为17Hz。对比有限元分析结果,该车架的最低阶 频率范围。(3车架的模态振型应该光滑.避免发 模态固有频率能较好地避开路面和发动机怠速运 生突变。根据这些原则,首先分析

9、叉车发动机及行 转时的激励,只是车架的前两阶模态频率处于或接 驶路面的工作激励频率,以便对叉车车架结构的动 近叉车的工作车速对应的频率范围。这种重叠对于 态性能进行有针对性的分析和评价。 高速车辆一般是较难避免的,而对于叉车等低速车 3.2发动机激励频率 型适当加强车架刚度就可以避开。发动机工作时的激振力主要是气缸活塞往复 3.5改进措施运动产生的周期性惯性力和气缸燃烧冲程爆发压 使叉车车架的低阶模态固有频率避开发动机 力引起的脉动转矩,它们对应的运转频率是引发车 的激励区域,基本的方法是提高结构刚度。然而盲 体振动响应的直接原因¨_,其频率由下式确定:目地提高结构刚度必然得不偿失,

10、最好是进行几何,=n/30(1 拓扑优化,或从模态的振型图直观分析需要加强的 式中:n发动机转速,r/min。 部位,而且,当激励频率与车身固有频率不重合时, 根据发动机的工作转速从最低到最高,可以确 应尽量使结构的主要承载部位不出现振型突变点。 定其激励频率为:(n.d30一(n一30。 由于车架是整车的骨架,要支撑车辆的各部分 3.3路面激励频率 装置,其拓扑形状不能随便改动,否则影响整车的 车辆在行驶中来自路面的激励不仅与路面的质 设计。因此,可以针对原车架有限元振型图找出位 量有关,更主要的是车速变化的影响,相同路况下车 移较大的薄弱环节进行修改,从图24可以看出, 速越高激励频率也就

11、越大,可用下式进行计算II 不管是1阶绕纵向x轴的扭转,还是2阶绕x轴的 向,(3.6×A (2 弯曲,均表明连接车架左右边梁的前后钢板偏弱, 式中:”为车速,km/h;A为路面的不平度波长,m。一 另外.连接左右箱型边梁的前后梁板的振I晤也比较 般平坦公路A的取值为16.3m,差等道路如碎石 大,为简单起见,按这两个方向,从改变板厚着手。 路面最小取0.32m。 改变后计算得车架的前5阶频率如表2所示。 3.4叉车的激励分析 表2原车架修改计算结果 Hz表2的结果说明,修改边梁板厚度并不理想:边梁油箱的板厚增大后自重增大较多,更重要的 是,前两阶模态频率依然小于叉车常用车速的运转

12、频率67Hz。再从另一方向着手,边梁及其他板厚保 持不变,只对连接左右边梁的前后两块底板增厚6 1311fll,计算出的车架1阶、2阶对应的模态频率分别,-。4结论 ,o-i_1_F1i_第43卷2012年3月u图5修改后车桨1阶模态位移及等效应力云图aJ I镇Sf r侈 .昔孜i.i JJ二.剽图6修改后车架2阶模态位移殛等效应力云图车架模态分析计算结果表明:(1因车速低,叉车行驶路面引起的激励频率 也较低,一般不会与刚性较大的叉车车架发生共振。 (2叉车发动机怠速时的惯性激励和脉冲频率 远远低于车架的l阶固有频率,不会导致振动的放大。 (3对叉车车架模态频率影响敏感的修改位 置是连接左右边

13、梁的底板,只要适当调整板厚,就 可以使其最低模态频率处于发动机常用转速时的 工作激励频率范围以外,以避免车架对激励振动的 放大响应或发生共振。50一参考文献【1张先刚,朱平,韩旭摩托车车架的动态特性分析及减振 优化研究中国机械工程,2005(12:l 1141117【2沈浩,陈昌明,雷雨成,等.客车车身模态分析及评价叩 公路交通科技.2003(2:128131【33刘素红,李芳.一种客车车架结构的有限元分析田机电 工程,2010(4:2023.14庞剑,谌刚,何华汽车噪声与振动理论与应用【M北京:北京科技大学出版社.2006【5张志飞,徐中明,贺岩松摩托车车架挂发动机结构动态 特性分析【J兵工学报,2010(5:547551【6李甲.某3