前排料搅拌车车架结构强度有限元分析_图文

1、青岛大学硕士学位论文前排料搅拌车车架结构强度有限元分析姓名:孙海霞申请学位级别:硕士专业:车辆工程指导教师:刘大维20070601 青岛大学硕士学位论文对目前摩托车车架的动态特性的研究现状及进展进行了比较全面的总结,并展望了摩托车车架动态特性研究的前景【191。对于车架设计,要求在满足强度和刚度的条件下尽可能减轻车架质量。但是影响车架结构强度和刚度的因素很多,诸如纵粱及横梁的布置,各梁所采用的截面形状和尺寸,纵、横梁联接的型式等等,由于结构和载荷都比较复杂,做一次全面的分析是困难的。通过对汽车车架性能特点的分析,提出边梁式车架结构参数的优化数学模型,采用复合形法、混合罚函数法寻求各梁截面参数的

2、最佳值,达到合理利用材料、减轻车架自重的目的.从早期通过实验所得出的一些结论可以看出,若加大横梁的扭转刚度,可以提高整个车架的扭转刚度,但与该横梁连接处的纵梁的扭转应力会加大;如果不加大横梁,而是在两根横梁间再增加横梁,其结果是增强了车架的扭转刚度,同时还降低了与横梁连接处的纵梁扭转应力。据此,国外所采用的轻而密的横梁,显然对车架的应力状态十分有利.有限元计算也表明了这一结论的正确性。在对车架进行强度分析过程中,车架与横梁之间的连接对其分析结果有很大的影响。采用较柔软的接头降低了对强度起决定作用的扇形正应力,但同时也降低了扭转刚度。当扭转刚度一定时,提高接头柔度和增加横梁数目有利于改善强度,但

3、使车架质量增加。车架质量一定时,使用数目较少的、截面尺寸较大的横梁对强度有利。当然,车架优化还要考虑接头区域的应力分布,观察车架的横向弯曲. .近代结构优化是从20世纪50年代末60年代初伴随着计算机技术、有限元方法和数学规划法的发展而迅速发展起来的-f-j学科,它使计算力学的任务从被动的校核上升为主动的设计与优化,成为现代设计的重要手段。人们将结构优化划分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化三个层次.拓扑优化技术是20世纪80年代末出现的一项新兴的优化设计方法【201。拓扑优化是在一定空间区域C8"架结构或连续体内寻求材料最合理分布的一种优化方法,它是个迭代的过程,从预先定义的某种材料分

4、布开始(如均匀分布,每一次迭代包含有限元分析,灵敏度计算和修改材料分布三个子步骤,在多次迭代后(通常20次以下,材料分布趋于稳定,优化即结束。拓扑优化技术在航空航天、机械、船舶、微电子和新型材料设计等领域得到了广泛的应用【2¨.国外汽车企业的相关研究从90年代初开始圆,它可以在方案设计阶段给出汽车零部件原型合理的材料布局,减轻结构重量。通过这项技术,企业能缩短设计周期,提高产品性能,减少昂贵的样件生产和整车测试的次数。发达国家的政府机构和大公司,包括欧洲委员会、瑞典政府、德国政府、通用汽车公司等,都大力支持大学等科研机构开展相关研究。拓扑优化技术在诸如福特、奥迪、宝马、沃尔沃、丰田、

5、尼桑和平尼法尼那等公司的实际车型上均得以使用。例如奥迪A8车型在车身 青岛大学硕士学位论文1.3有限元分析技术在汽车工程中的应用在汽车结构分析中,有限元法由于能解决结构形状和边界条件都任意的力学问题而被广泛应用。各种汽车结构件都可应用有限元法进行静态分析,模态分析和动态分析.现代汽车设计已从早期的静态分析为主转化为以模态分析和动态分析为主,因为实际汽车强度更加依赖于汽车振动及随机载荷响应。只有通过结构动态分析,才能进一步提高汽车结构强度设计水平,汽车结构动态分析技术已经进入实用化阶段【3“.汽车结构有限元分析的应用主要体现在:(1汽车设计中对所有结构件、主要零部件的强度、刚度和稳定性分析。当结

6、构件在工作中发生故障如裂纹、断裂、磨损过大等时,可应用有限单元法进行计算,找出危险区域和部位,研究结构损坏的原因,提出改进设计的方案,并进行相应的计算分析,直到找到合理的方案为止;(2汽车结构件或零部件的优化设计.如以汽车质量或体积为目标函数的最优设计,还有对比分析中的参数化设计和形状优化;(3对汽车结构件进行模态分析、瞬态分析和响应谱分析,为结构的动态设计提供方便有效的工具;(4汽车零部件及整车的疲劳分析。在概念或详细设计阶段估计产品的寿命或分析部件损坏的原因;(5应用概率有限元,为汽车零部件提供概率和可靠性设计依据;一(6车身内的声学设计.将车身结构模态与车身内声模态耦合,评价乘员感受的噪

7、声并进行噪声控制;(7车身空气动力学计算,解决高速行驶中的升力、阻力和湍流等问题,为汽车性能和造型设计服务;(8汽车碰撞历程仿真和乘员安全保护分析,提高汽车结构的被动安全性。1.4本文的主要研究内容本文主要针对国内某公司开发的前排料搅拌车车架,通过采用大型结构通用有限元软件对该车架进行静态、动态强度研究及相关试验研究,为车架的设计和改进提供依据和指导。主要研究内容如下:(1在分析前排料搅拌车车架结构的基础上,主要采用板壳单元对车架进行离散。建立前排料搅拌车车架有限元分析模型并讨论多轴平衡悬架的建模研究,探索能够正确反映多轴平衡悬架力学特性和运动关系的建模方法;(2根据前排料搅拌车的承载特点和行

8、驶工况,对该车架进行满载弯曲工况、满载扭转工况、满载爬坡工况、满载制动工况和满载转弯工况下的静态应力分析,分析车架的承载能力,包括应力分布、应力水平和变形情况;6一 青岛大学硕士学位论文2.4有限单元法的程序实现从使用有限元程序的角度来讲,有限元分析可分为前处理、计算和后处理三大步:前处理是对计算对象网格划分,形成计算模型的过程.包括单元类型的选择,结构的材料特征参数的确定,实体建模,节点和单元网格的确定,边界条件或约束条件及载荷的移置等。许多商用有限元软件不仅提供了与主流CAD系统的接口,自己本身也有很好的实体建模功能;有限元软件都提供了一种以上的网格划分方法,以供使用者根据计算要求进行选择

9、。计算是在形成总刚度方程和约束处理后求解大型联立方程组、最终得到节点位移的过程。由于商用软件已经针对多种模型进行过验证运算,因此只需要按照提示输入各种条件,包括收敛的方法等,计算机就可以计算,得到计算结果。后处理是对计算结果(应力、应变或振型等的整理,形成等应力线、变形图、振型图等,以及结果的输出。有限元法经过近50年的发展,不仅理论日趋完善,而且已经开发出了一批通用和专用的有限元软件,这就为有限元法的普及提供了基础,使它成为结构分析中最为成功和最为广泛的分析方法。目前使用这些软件已经成功地解决了众多领域的大型科学和工程计算问题,取得了巨大的经济和社会效益。目前应用较多的有限元通用软件主要有美

10、国MSC公司的Nastran、Marc、Dytraa,美国ANSYS公司的ANSYS, 有限元软件从功能上可以划分为求解器软件和前后处理软件。由于有限元技术的特点,使得有限元的前后处理软件成为一个相对独立而又十分重要的部分。目前,在国际上被认可的前后处理软件包括Altair公司的HyperMesh、MSC公司的Patran、EDS公司的FEMAP、SamTech公司的Samcef/Field、CAE.Beta公司的ANSA、CFDRC 第三章前排料搅拌车车架有限元模型的建立第三章前排料搅拌车车架有限元模型的建立3.1引言汽车车架结构的有限元模型可以采用梁单元、板壳单元建立。梁单元模型将结构简化

11、为一组两节点梁单元组成的结构,以梁单元的截面特性反映车架的结构特性,这种模型的优点是单元和节点数目少,前处理工作量少,计算量较小,计算速度快,但是计算精度较低,且难以反映车架纵梁与横梁的连接情况。从计算经济性方面看,也很少使用实体单元来建立车架模型。目前更多是将车架以中面(Mid-sm'face形式抽取出来,以板壳单元离散。本章将基于板壳单元,联合应用Pro/E、HyperMesh与Pattan多个软件完成车架结构几何模型与有限元模型的建模工作。3.2前排料搅拌车车架的结构图3.1为某公司开发的前排料搅拌车。该车采用8x4结构型式,双前桥转向,双后桥。主要总成包括:发动机系统,车架及前

12、,后台,前桥装置,后桥及悬挂,搅拌筒,进出料系统,液压系统,制动系统,操纵系统等。 图3.1前捧料搅拌车 Ilg3.s前鞠擗辑艇靴嗍/多。7鼋k、;青岛大学硕士学位论文 圈3.5前捧科搅拌车车架有限元网格3.4平衡悬架机构建模为了得到车架在实际使用过程中的真实应力分布状况,必须考虑悬挂系统的变形情况。悬架模型应能正确反映悬架机构的力学特性,以使车架模型的受力情况尽可能的接近实际.悬架的建模按照以下方法进行.(1对于钢板弹簧,用柔性梁单元模拟,并保证模拟它的梁单元具有与实际钢板弹簧一样的力学特征,即一样的弯曲刚度。钢板弹簧可以看作是一根简支梁144,根据材料力学,简支梁中点受集中载荷时的弯曲刚度

13、为K-48.?EI3-(IZ式中,E为材料的弹性模量;,为截面惯性矩;,为梁的长度。为简化模型,本文设定模拟钢板弹簧的梁的截面为正方形,边长为盯,则,=西a43-(2由公式3-(I和3.C2,以及由钢板弹簧刚度值和长度值,就可以确定模拟钢板弹簧的梁单元的实常数a。(2悬架机构与车架之间的作用力通过支座传递,以往通常采用梁单元支座建模以缩小计算规模,本文采用实体单元,避免梁单元与车架壳单元连接造成与实际不符的局部应力集中现象。第三章前捧料搅拌车车架有限元模型的建立(3车桥及推力杆用柔性粱单元模拟,各部件之间通过刚性单元RB2连接.本文中梁单元及刚性单元RB2均是在有限元前后处理软件Patran中

14、建立的。整个平衡悬架机构的有限元模型由27836个单元,9738个节点组成,如图3.6所示. 图3.6平衡悬架机构的有限元模型3.5边界条件的确定边界条件对于计算结果有很大影响,选定正确的边界条件是非常重要的。在前排料搅拌车中,车架是通过悬架系统与车桥连接在一起。为了前排料搅拌车车架在实际使用过程中的真实应力分布状况,必须考虑悬挂系统的变形情况。在确定车架有限元分析模型的边界条件时,因为轮胎与钢板弹簧相比刚度很大,所以可忽略它对结构分析的影响145删。为了模拟钢板弹簧与车架之间的装配关系,使之能够相互作用,形成一个整体,梁单元与车架的连接全部用多点约束来模拟。前桥的作用力通过前钢板弹簧传递到车

15、架上,故前桥边界约束点确定在前钢板弹簧中心处。后桥边界约束点直接确定在后桥两侧梁单元的节点处。青岛大学硕士学位论文约束后整个车架的有限元模型如图3.7所示. 3.6本章小结圈3.7约束后整个车架的有限元模型(1介绍了前排料搅拌车车架的结构特点,建立了车架的几何模型。 (2建立了前捧料搅拌车的车架及悬架机构有限元模型,讨论了前捧料搅拌车车架有限元分析模型建立的过程,包括单元的选取、网格的划分、网格的检查、装配关系的正确模拟和平衡悬架机构建模过程。为前排料搅拌车车架有限元强度分析和有限元模态分析做准备。 青岛大学硕士学位论文 4.4计算工况的确定图4.1车架载荷示意图前排料搅拌车车架所处工况比较复

16、杂,根据车架实际使用情况,确定了5种计算工况。 (1车辆满载弯曲.此工况可以用来计算车辆满载行驶时车架的应力分布情况,动载系数取为1.5。 (2车辆满载扭转。计算时,假设前桥一个车轮驶上120ram凸台,或后桥一个车轮驶上120ram凸台,其余车轮处于同一水平路面上。(3车辆满载爬坡。用来模拟车辆满载通过一段坡度为300的道路,动载系数取1.5。(4车辆满载制动。用来模拟车辆在满载情况下制动的工况,制动加速度假设为2.(hn/s2,制动动载系数取1.5。(5车辆满载转弯。用来模拟车辆在满载情况下转弯的工况,转弯条件假设为横向加速度2.0m￥2,动载系数取1.5。4.5车架静态强度有限元计算结果

17、及分析图4.2所示为车架满载弯曲工况下的应力分布图。由图4.3可知,满载弯曲工况下,最大应力发生在平衡悬架支座与大梁连接处,应力数值为308MPa。第四章前排料搅拌车车架有限元静态强度分析 图4.2车架弯曲工况下的应力分布图 图4.3车架弯曲工况下最大应力位置图一25青岛大学硕士学位论文图4.4所示为车架扭转工况下的应力分布图。由图4.4可知,车架有两个较大应力位置:一个在平衡悬架支座与大粱连接处,应力数值为342MPa;另一个位置位于前桥钢板弹簧支座与大梁连接处,应力数值为226MPa。 图4.4车架扭转工况下的应力分布图图4.5所示为车架爬坡工况下的应力分布图。由图4.5可知,在爬坡工况下

18、,除车架大梁与平衡悬架支座连接位置应力较大外,后台下端与副车架大梁连接处应力也明显较前两个工况大,达到237MPa。这是因为在爬坡时车架除承受水平载荷之外,还要承受车重力沿坡面分力作用。图4.6所示为车架爬坡工况下的位移图,由图4.6可知,在爬坡工况下,车架后部位移比较大,这主要是由于爬坡时载荷后移而产生的。第四章前排科搅拌车车架有限元静态强度分析 图毛5车架爬坡工况下应力分布图 图4.6车架爬坡工况下位移图一27青岛大学硕士学位论文图4.7所示为车架制动工况下的应力分布图。由图4.7可知,在制动工况下,其较大应力出现的位置与满载弯曲工况基本一致,仍然在平衡悬架与车架连接处的纵梁上,其最大应力数值为452MPa。 图4.