D型車架改進(jìn)前后的有限元比較研究

郭丹輝

摘 要：車架是礦車的關(guān)鍵部件，在裝載、運(yùn)輸、卸載中承受主要的載荷。車架的優(yōu)劣直接影響著整車使用壽命，同時(shí)反映了整車的技術(shù)水平，而應(yīng)用有限元分析可計(jì)算出車架的各種力學(xué)特性和承載能力，基于此，文章以D型車架為基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究比較其改進(jìn)前后的有限元。

關(guān)鍵詞：D型車架；礦車；有限元模型；舉升工況

中圖分類號(hào)：U463.324 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）29-0024-02

礦用車工作過(guò)程中，車架的受力情況是很復(fù)雜的，例如彎曲、扭轉(zhuǎn)、振動(dòng)、沖擊，以及它們的任意組合，極大程度上影響到礦車的正常工作?；诖耍疚囊訶GQ3650系列非公路自卸車為例，并重點(diǎn)探究比較D型車架改進(jìn)前后的有限元，以提升礦車的運(yùn)行效率。

1 建立有限元模型

1.1 建立幾何模型

幾何模型是按照制造、加工、裝配的實(shí)際情況及順序建立起來(lái)的，未考慮有限元模型的要求，不適合直接轉(zhuǎn)化成有限元模型。因此，工作人員必須在幾何模型基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)化，生成有限元分析所需的模型，主要的簡(jiǎn)化原則有：①盡量減少節(jié)點(diǎn)數(shù)量；②保證開裂處計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性；③保持總體結(jié)構(gòu)不變；④保留危險(xiǎn)部位的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。

1.2 構(gòu)建有限元模型

1.2.1 網(wǎng)格的劃分與單元類型

本研究主要構(gòu)建礦用自卸車板殼單元有限元模型—shell181，具有應(yīng)力剛化、大變形、非線性、截面數(shù)據(jù)定義、分析、可視化等功能，在Proe中處理幾何模型后，采用HyperMesh軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后的有限元模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)226 018，單元總數(shù)234 097。具體的模型示意圖，如圖1所示。

1.2.2 控制集中模型網(wǎng)格密度

由于不同的網(wǎng)格密度對(duì)分析結(jié)果精度影響比較大，網(wǎng)格數(shù)量直接決定計(jì)算能力，因此對(duì)于重要結(jié)構(gòu)件部位采用小網(wǎng)格劃分，其它部位采用相對(duì)大一些的網(wǎng)格劃分。

1.3 處理約束與載荷條件

礦用自卸車車架的邊界條件很難簡(jiǎn)化為一種簡(jiǎn)單的約束，因此，建立了與車架相連的前、后橋的梁?jiǎn)卧邢拊Ｐ汀Ｔ谝恍┨厥獾墓r下如轉(zhuǎn)彎、啟動(dòng)、制動(dòng)、舉升等工況，要分別根據(jù)轉(zhuǎn)彎速度、啟動(dòng)加速度、制動(dòng)減速度等計(jì)算出作用在車架上的載荷，再施加到車架對(duì)應(yīng)位置上。

2 D型車架改進(jìn)前后的有限元比較

2.1 D型車架改進(jìn)前后與前板簧后支座有無(wú)橫梁有限元 對(duì)比

對(duì)比D型車架改進(jìn)前后與前板簧后支座有無(wú)橫梁有限元，主要選取正載和偏載下的兩種典型工況，即載重64 t的舉升工況和中輪越障工況，具體包括以下幾方面的內(nèi)容。

2.1.1 改進(jìn)D型車架結(jié)構(gòu)

D型車架改進(jìn)前后對(duì)比圖，如圖2所示。1a為舊版結(jié)構(gòu)，U型口正對(duì)前板簧后支座，且前板簧后支座長(zhǎng)度較短。1b為改進(jìn)后結(jié)構(gòu)，針對(duì)舊版D型車架作如下改進(jìn)：U型口向前移動(dòng)164 mm，前板簧后支座兩定位孔距加寬100 mm。

前板簧后支座添加橫梁：D型車架有無(wú)橫梁對(duì)比圖，2a為無(wú)橫梁車架，2b為有橫梁車架，具體如圖3所示。

2.1.2 舉升工況

①載荷及約束。

舉升工況下的載荷及約束的施加形式，如圖4所示，其中紅色箭頭表示載荷，主要包括64 t物料，車廂重8.3 t，車架自重3.5 t和駕駛室等掛件2.9 t，淡藍(lán)色三角符號(hào)表示約束。為模擬實(shí)際工況，在原有模型的基礎(chǔ)上添加限位塊，采用彈簧單元來(lái)模擬限位塊的實(shí)際受載特性，圖4為載荷及約束示意圖（橘黃色三角符號(hào)即表示彈簧的約束）。

②應(yīng)力結(jié)果。

結(jié)果1：D型舊模型無(wú)橫梁前板簧后支座開口處最大應(yīng)力值為110 MPa，舊模型有橫梁最大應(yīng)力值為160 MPa，加橫梁后，舊模型前板簧后支座開口處應(yīng)力增加明顯，約45%。D型改進(jìn)模型無(wú)橫梁前板簧后支座開口處最大應(yīng)力值為35 MPa，改進(jìn)模型有橫梁最大應(yīng)力值為40 MPa，加橫梁后，改進(jìn)模型前板簧后支座開口處應(yīng)力略有增大。與D型舊模型相比，改進(jìn)模型前板簧后支座開口處應(yīng)力值大幅度減小，減小約68%～75%。

結(jié)果2：D型改進(jìn)模型無(wú)橫梁前板簧后支座下表面最大應(yīng)力值為20 MPa；改進(jìn)模型有橫梁最大應(yīng)力值為25 MPa，改進(jìn)模型加橫梁后，前板簧后支座下表面應(yīng)力相差無(wú)幾。與D型舊模型相比，改進(jìn)模型后，前板簧后支座下表面應(yīng)力值大幅度減小，減小約80%。

2.1.3 中輪越障工況

①載荷及約束。

中輪越障下的載荷及約束的施加形式，如圖5所示，其中紅色箭頭表示載荷，主要包括64 t物料，車廂重8.3 t，車架自重3.5 t 和駕駛室等掛件重2.9 t，淡藍(lán)色三角符號(hào)表示約束。為模擬實(shí)際工況，在原有模型的基礎(chǔ)上添加限位塊，采用彈簧單元來(lái)模擬限位塊的實(shí)際受載特性。

②應(yīng)力結(jié)果。

結(jié)果1：D型改進(jìn)模型無(wú)橫梁前板簧后支座開口處最大應(yīng)力值為53 MPa；改進(jìn)模型有橫梁最大應(yīng)力值為60 MPa，改進(jìn)模型加橫梁后，前板簧后支座開口處應(yīng)力略有增大。與D型舊模型相比，改進(jìn)模型后，前板簧后支座開口處應(yīng)力值大有所增大，約33%～39%。

結(jié)果2：改進(jìn)模型有橫梁最大應(yīng)力值為30MPa，改進(jìn)模型加橫梁后，前板簧后支座下表面應(yīng)力略有減少。與D型舊模型相比，改進(jìn)模型后，前板簧后支座下表面應(yīng)力值略有減少，幅度較小；與D型舊模型相比，改進(jìn)模型添加橫梁時(shí)，前板簧后支座下表面貼板與車架連接處應(yīng)力有所增大40%～60%。

綜上所述，對(duì)比D型車架改進(jìn)前后與前板簧后支座有無(wú)橫梁有限元可知，不論改進(jìn)前還是改進(jìn)后，只要有橫梁，車架立板在前板簧后支座的開口處應(yīng)力增大，車架下表面在前板簧后支座處螺栓孔附近的應(yīng)力減小[1]，同時(shí)，前板簧前支座車架立板開孔和車架下表面處的應(yīng)力均有所減小。

2.2 D型車架改進(jìn)前后與雙C型車架有限元對(duì)比

2.2.1 舉升工況

①載荷及約束。

舉升工況下的載荷及約束形式，如圖6所示，其中紅色箭頭表示載荷，主要包括64 t物料，車廂重8.3 t，車架自重3.5 t和駕駛室等掛件2.9 t，淡藍(lán)色三角符號(hào)表示約束。為模擬實(shí)際工況，在原有模型的基礎(chǔ)上添加限位塊，采用彈簧單元來(lái)模擬限位塊的實(shí)際受載特性，橘黃色三角符號(hào)即表示彈簧的約束。

②應(yīng)力結(jié)果。

結(jié)果1：D型車架后橋處車架下部最大應(yīng)力為350 MPa，位于車架下表面與平衡軸座連接處，此處應(yīng)力雙C型結(jié)構(gòu)比D型應(yīng)力小，約37%。

結(jié)果2：前板簧后支座車架下表面D型車架最大應(yīng)力值為70 MPa，雙C型車架最大應(yīng)力值為110 MPa，雙C型結(jié)構(gòu)比D型應(yīng)力大，約57%。

結(jié)果3：D型車架前板簧后支座車架外側(cè)支座孔附近最大應(yīng)力為90 MPa，雙C 型車架最大應(yīng)力為100 MPa，略有增加。

從以上結(jié)果可知，后橋平衡軸附近車架下表面應(yīng)力雙C型結(jié)構(gòu)比D型應(yīng)力小約 37%；

前板簧后支座車架下表面應(yīng)力C比D大約57%；前板簧前支座車架外側(cè)孔附近應(yīng)力C比D略有增加；前板簧后支座車架立板開口處應(yīng)力C比D應(yīng)力增加約 50%，前板簧前支座開口處應(yīng)力C與D應(yīng)力值相差無(wú)幾[2]。

2.2.2 中輪越障工況

經(jīng)過(guò)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)后，分析其結(jié)果可知：后橋平衡軸處車架下表面應(yīng)力雙C型梁結(jié)構(gòu)比D型應(yīng)力略小；前板簧后支座車架下表面應(yīng)力C比D略大；前板簧后支座車架外側(cè)孔附近應(yīng)力C比D增大30%；前板簧后支座車架立板開口處應(yīng)力C與D應(yīng)力值減小約30%；前板簧前支座開口處應(yīng)力C與D應(yīng)力值相差無(wú)幾。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，礦車車架的改進(jìn)方案有很多，影響因素眾多，建議采用多因素分析方法和專家綜合評(píng)價(jià)的多準(zhǔn)則法選定最終改進(jìn)型車架的設(shè)計(jì)方案。

參考文獻(xiàn)：

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