王會剛+高艷紅+張向紅
摘要:基于ANSYS軟件,運用有限單元法對農(nóng)用拖拉機后橋殼進行了靜力分析,校核了車橋的強度和剛度,指出了后橋殼受力的關鍵部位和薄弱環(huán)節(jié);對后橋殼進行了模態(tài)分析,得出了前幾階固有頻率和振型?;诜治鼋Y果提出了后橋設計時應注意的問題和改進方向。
關鍵詞:拖拉機;后橋殼;有限元法;靜力分析;模態(tài)分析
中圖分類號: S219.1 文獻標志碼: A
文章編號:1002-1302(2016)09-0334-03
驅(qū)動橋殼是輪式拖拉機[1]上的主要承載構件之一,其作用主要是支撐并保護主減速器、差速器和半軸等。主要有整體式橋殼、可分式橋殼和組合式橋殼3類。本研究以整體式橋殼為例,基于ANSYS軟件,對其做了靜力分析和模態(tài)分析,校核了橋殼的強度和剛度,為后橋設計、改進提供了理論依據(jù),具有一定的理論意義和重要的實用價值。
1 實體模型
考慮到后橋形狀復雜,建模軟件選用Pro/E,采用特征建模,分析時用IGES格式導入ANSYS。后橋由半軸套管、殼體、加強環(huán)、鑲塊等組成,由于鋼板彈簧座對橋殼有較大影響,將鋼板彈簧座也作為實體模型的一部分。實體模型建立后,經(jīng)過編輯、修改后生成有限元模型[2-4],實體造型如圖1所示。
2 有限元模型
單元的選擇:根據(jù)有限元理論,用三維實體單元描述后橋結構更能反映后橋的實際狀況。由于六面體單元在劃分時要求結構較規(guī)則,而四面體單元比較靈活,因此,采用四面體單元,選用具有較高剛度及計算精度的四面體10節(jié)點92號單元自由劃分網(wǎng)格,在ANSYS環(huán)境運行,對橋殼一次性自動劃分網(wǎng)格。共有24 600個節(jié)點,19 700個單元,網(wǎng)格劃分結果如圖2所示。
材料模型:殼體材料為09SiVL-8,彈性模量為2.06×105 MPa,泊松比為0.3,密度為7 850 kg/m3,材料的屈服強度為510~610 MPa[5]。
3 靜力分析
靜載荷是指作用在車橋上的所有質(zhì)量引起的載荷,包括:固定在車橋上的總質(zhì)量和乘員、貨物的質(zhì)量,集中或分布作用在車橋相應位置。
橋殼垂直彎曲剛度和強度的計算是先將后橋2端固定,約束橋殼2端6個自由度,在彈簧座處施加規(guī)定的載荷[6]。根據(jù)拖拉機的相關參數(shù):驅(qū)動橋滿載后軸質(zhì)量約5.5 t,軸距1 400 mm,前輪輪距900 mm,后輪輪距1 000 mm[7],板簧座上表面面積7 079 mm2,計算得到其面載荷為3.8 MPa。
根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗,垂向載荷取橋殼滿載負荷的2.5倍即為9.5 MPa。約束和載荷施加如圖3所示。
加載后得到的等效應力云圖如圖4所示。
通過有限元分析應力云圖,可以看出驅(qū)動橋殼在2.5倍滿載負荷工況下,最大應力為1 370 MPa,出現(xiàn)在半軸套管約束處。若不考慮由約束造成的局部應力集中,應力較大值分布處于鋼板彈簧座2側,值為160 MPa,遠小于材料的許用應力,該橋殼符合強度要求[7]。
為了真實反映出橋殼等效應力的變化,截取橋殼主要部分的等效應力曲線。半軸套管處等效應力曲線如圖5所示,因其具有對稱性,只截取1面;圖6、圖7分別為殼體外圈和殼體內(nèi)圈處等效應力曲線圖。
從圖4可以看出,彈簧座孔產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象,高應力響應區(qū)發(fā)生在橋殼彈簧座處,即云圖中的紅色區(qū)域;其余大部分均為低應力響應區(qū)域,即云圖中的藍色區(qū)域,進一步表明橋殼強度的可靠性。
橋殼使用中不僅要滿足強度要求,也要滿足剛度要求,下面對橋殼位移變化進行校核,以確保其安全性。橋殼位移云圖如圖8所示。
由圖8可知,橋殼位移最大值為1.191 mm,出現(xiàn)在橋殼中心處,即差速箱所在位置,從橋殼中心向橋殼2端逐漸減小。根據(jù)相關標準[8],承受滿載負荷時,橋殼最大變形量要求不超過1.5 mm/m。本研究中橋殼輪距的最大變形量為1.191 mm/m,小于規(guī)定值,滿足剛度要求。
為真實反映橋殼節(jié)點位移的變化。分別截取橋殼y、z、x方向的曲線如圖9至圖11所示。
由圖9至圖11可知,在2端彈簧座壓力作用下,殼體沿y方向變扁,最大位移發(fā)生在橋殼主體左右2端,并具有對稱性和周期性;橋殼在z方向和x方向上最大位移均發(fā)生在橋殼主體左右2端,都具有對稱性和周期性。
4 模態(tài)分析
4.1 分析設置
為了保證計算的準確性,模態(tài)分析的網(wǎng)格劃分較靜力分析的網(wǎng)格尺寸更精密,同樣選用四面體10節(jié)點92號單元自由劃分網(wǎng)格,網(wǎng)格尺寸14,將該零件劃分為48 678個節(jié)點,26 348 個單元。
模態(tài)分析為求解后橋結構的固有特性(固有頻率和固有振型),與所受外力無關,故忽略外部載荷作用,直接對其施加約束條件。
在定義好網(wǎng)格的材料特性和厚度后,設置模態(tài)分析環(huán)境,設定關心的模態(tài)階數(shù)及模態(tài)上、下限,求得固有頻率和振型[9]。
4.2 分析結果
后橋1階振型見圖12,前5階頻率見表1。
考慮到1階自振頻率引起的共振往往產(chǎn)生最大的應變和應力,而高階的影響較小,下面就前5階模態(tài)分析結果進行分析。
(1) 第1階模態(tài)頻率為0.220 24 Hz,振型如圖12所示。在該模態(tài)頻率下,橋殼以半軸為支點呈前后變形,最大位移發(fā)生在差速箱處。
(2)第2階模態(tài)頻率為0.294 96 Hz,在該模態(tài)頻率下,橋殼以半軸為支點呈上下變形,最大位移發(fā)生在差速箱處,近似于1階變形。
(3)第3階模態(tài)頻率為0.488 49 Hz,在該模態(tài)頻率下,車橋主要以扭轉變形為主,發(fā)生在差速箱周圍。
(4)第4階模態(tài)頻率為0.605 75 Hz,在該模態(tài)頻率下,車橋以擠壓變形為主,發(fā)生在差速箱2側。
(5)第5階模態(tài)頻率為0.697 76 Hz,在該模態(tài)頻率下,車橋伴隨著橋殼的扭動以扭曲變形為主。
受干擾時,外界干擾頻率只能同某一頻率接近,而不可能同時與幾階頻率接近,不易發(fā)生振動的疊加,這對后橋的強度很有好處。拖拉機在行駛過程中,后橋是在動載荷環(huán)境下工作的,必須最大限度減小模態(tài)頻率與激勵頻率之間的耦合。
針對車橋具有產(chǎn)生共振的可能性,因此:車橋的低階模態(tài)頻率,即1階彎曲頻率和扭轉頻率,應該高于懸掛下結構的固有頻率,避開發(fā)動機怠速運轉頻率,以避免發(fā)生共振現(xiàn)象;車橋的模態(tài)頻率應該盡可能避開由車輪傳來的路面不平度激勵的頻率范圍;車橋的模態(tài)頻率應該避開發(fā)動機在常用轉速下工作時所產(chǎn)生慣性載荷的頻率范圍;車橋的模態(tài)振型應該光滑,避免發(fā)生突變。
因此,拖拉機由發(fā)動機引起的共振可能性不大。本研究僅討論由路面激勵可能引起的共振,由路面不平度激勵引起車橋的振動,與行駛速度有關,當拖拉機以速度v(m/s)行駛在空間頻率為Ω(m-1)的路面上時,輸入的時間頻率f(Hz)是Ω和v的乘積,即:
通過以上分析可知,由路面激勵引起車橋共振的可能性不大[10]。
5 結論
由靜力分析結果可以發(fā)現(xiàn),在靜工況下后橋上各測點的最大應力值為160 MPa,小于后橋材料的許用應力。橋殼的最大應力響應點發(fā)生在半軸聯(lián)接器與輪轂相連處。
通過對車橋前5階模態(tài)的分析,可以得到車橋的固有頻率,從理論上保證了車橋的可靠性。
參考文獻:
[1]彭永忠. 輪式拖拉機牽引特性分析及其應用研究[J]. 農(nóng)機化研究,2007(1):173-175.
[2]王 亮. 汽車驅(qū)動橋殼優(yōu)化設計[D]. 天津:河北工業(yè)大學,2006:8-16.
[3]鄭燕萍,羊 玢. 汽車驅(qū)動橋殼臺架試驗的有限元模擬[J]. 南京林業(yè)大學學報:自然科學版,2004,28(4):47-50.
[4]高衛(wèi)民,王宏雁. 汽車結構分析有限元法[J]. 汽車研究與開發(fā),2000(6):30-32.
[5]劉鴻文. 材料力學[M]. 北京:高等教育出版社,1997:284-334.
[6]閔 鵬,孫啟會. 橋殼有限元模型建立及分析探討[J]. 重型汽車,1999(5):19-20.
[7]徐飛軍,黃文倩,陳立平. 輪式拖拉機在典型路況下輪胎受力仿真分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報,2009,25(2):61-65.
[8]張忐忑,蔣 猛,易海濤,等. 大型拖拉機橋殼有限元分析[J]. 農(nóng)機化研究,2014(4):208-216.
[9]王應彪,王 遠,方賽銀. 基于SolidWorks 的拖拉機齒輪泵虛擬裝配及模態(tài)分析[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學,2013,52(3):688-695.
[10]王 鐵,張國忠,周淑文. 路面不平度影響下的汽車驅(qū)動橋動載荷[J]. 東北大學學報:自然科學版,2003,24(1):50-53.