某揚(yáng)升系統(tǒng)懸架結(jié)構(gòu)的有限元分析

劉浩江

摘 要：本文以某揚(yáng)升系統(tǒng)懸架為研究對(duì)象，對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行分析，并建立了懸架的模型?？紤]不同海況對(duì)懸架工作的狀態(tài)影響，采用ANSYS軟件建立有限元模型并進(jìn)行剛強(qiáng)度的計(jì)算，分析懸架在不同工況下使用后的受力變形情況。分析結(jié)果對(duì)懸架的使用和優(yōu)化有一定參考意義。

關(guān)鍵詞：懸架；強(qiáng)度分析；有限元法

中圖分類號(hào)：U463.33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）14-0070-02

Finite Element Analysis of the Structure of Suspension

LIU Haojiang

（The 713 Research Institute of CSIC，Zhengzhou Henan 450015）

Abstract： In this paper， a certain type of Suspension was studied， its working characteristics were analyzed and the model was established. Considering the different working conditions of the suspension， the finite element analysis model was built by software ANSYS to study its strength. Combined with the actual situation， the different working conditions were analyzed. The results of the analysis were useful for the optimization and the use of the suspension.

Keywords： suspension；finite element analysis；strength analysis

懸架是揚(yáng)升系統(tǒng)的重要組成部分。左右轉(zhuǎn)運(yùn)裝置、左右升降機(jī)和傳動(dòng)裝置均安裝在懸架上。本文采用有限元法，結(jié)合試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)，對(duì)某揚(yáng)升系統(tǒng)的懸架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析[1-5]。

1 懸架的工作特性

1.1 某揚(yáng)升系統(tǒng)的懸架結(jié)構(gòu)

圖1為該型揚(yáng)升系統(tǒng)的懸架結(jié)構(gòu)。懸架除受安裝在上面的裝備重力的影響外，還會(huì)受到不同海況造成的質(zhì)心過載及在不同海況中裝置回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的慣性力的影響，故而會(huì)頻繁受力。另外，懸架的工作對(duì)象是整個(gè)揚(yáng)升系統(tǒng)，其必須在各種工況下安全、可靠地將所有部件連接在一起，因此加強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度的研究很有必要。

1.2 懸架的受力分析

考慮到除受安裝在其上的各部件重力的影響外，懸架還受到不同海況對(duì)其質(zhì)心位置的影響以及火炮回轉(zhuǎn)慣性力矩的影響，懸架的受力為：

[F=F1+F2+F3+F4+F5+M] （1）

式中，[F1]、[F2]為左右升降機(jī)的重力；[F3]為傳動(dòng)裝置的重力；[F4]、[F5]為左右轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的重力；M為火炮回轉(zhuǎn)時(shí)最大慣性力。

圖1 某型懸架結(jié)構(gòu)示意圖

2 有限元模型的建立

2.1 計(jì)算模型的建立

基于懸架及整個(gè)揚(yáng)升系統(tǒng)工作的特點(diǎn)，在不影響有限元計(jì)算結(jié)果的基本原則下進(jìn)行簡化分析：①忽略結(jié)構(gòu)上不影響力學(xué)特性的細(xì)小特征和細(xì)小零部件；②假設(shè)懸架連結(jié)盤上平面全約束，連結(jié)盤與立柱之間、立柱與平臺(tái)之間為接觸，即其內(nèi)部之間全約束；③在ANSYS Workbench中對(duì)懸架進(jìn)行加載分析。

2.2 計(jì)算工況選擇

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)行環(huán)境的特點(diǎn)，考慮不同海況下船體搖擺沉浮引起的質(zhì)心過載及實(shí)際使用情況，對(duì)五級(jí)海況、九級(jí)海況下的懸架受力情況進(jìn)行分析。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 五級(jí)海況下懸架的受力

在Pro/E 5.0下建立三維實(shí)體模型。五級(jí)海況時(shí)，某船體搖擺和升沉引起該艦炮質(zhì)心過載系數(shù)為：

[nx=0.077ny=1.225nz=0.374] （2）

火炮最大回轉(zhuǎn)加速度[α]為0.785rad/s2；懸架總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Iyy為2.98×103kg·m2，懸架受到最大慣性力矩為：

[M=Iyy×α] （3）

將上述數(shù)據(jù)帶入式（3）可得出[M]為2 339.3N·m。

按五級(jí)海況時(shí)過載系數(shù)對(duì)懸架進(jìn)行加載分析，應(yīng)力云圖見圖2和圖3。

然后對(duì)懸架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后導(dǎo)入ANSYS求解可知：艦炮在五級(jí)海況下，懸架的最大應(yīng)力出現(xiàn)在前立柱上部拐彎區(qū)域，應(yīng)力值為152MPa。連接環(huán)和平臺(tái)均是藍(lán)色區(qū)域，最大應(yīng)力不超過33MPa。

立柱材質(zhì)選用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，許用應(yīng)力[σs=345MPa]，則安全系數(shù)為345/152=2.27。

連結(jié)盤和平臺(tái)材質(zhì)選用鋁及鋁合金軋制板材，許用應(yīng)力[σp=160MPa]，則安全系數(shù)為160/33=4.85。

最大變形出現(xiàn)在平臺(tái)邊緣，變形量為1.79mm。

3.2 九級(jí)海況下懸架的受力分析

按九級(jí)海況時(shí)過載系數(shù)對(duì)懸架進(jìn)行加載分析，應(yīng)力云圖見圖5和圖6。