婁 宇，張三川

（鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州450001）

礦用汽車車架建模與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

婁 宇，張三川

（鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州450001）

為實(shí)現(xiàn)礦用汽車車架強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)字化驗(yàn)證，利用SolidWorks和ANSYS有限元分析軟件對其進(jìn)行數(shù)字化建模，選取滿載靜止、車輪懸空作為條件進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的車架模型在3種工況下的變形都較小，而扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力較彎曲工況下的更大，前者的最大值為147MPa，后者的最大值僅為43.3MPa.

礦用汽車；車架建模；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；數(shù)字化驗(yàn)證

礦用汽車是現(xiàn)代礦山的重要運(yùn)輸設(shè)備，屬于超廓型非公路車輛.車架是部件總成安裝的基體，承載車輛運(yùn)行時產(chǎn)生的沖擊、扭轉(zhuǎn)和交變等動載荷，因此車架設(shè)計(jì)將直接影響整車使用壽命以及整車設(shè)計(jì)的技術(shù)水平及性能［1］.隨著信息化工程建設(shè)的推進(jìn)，數(shù)字化設(shè)計(jì)及驗(yàn)證方法正在成為機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析的不可或缺的工具［2］.本文擬針對某款礦用汽車車架結(jié)構(gòu)，采用ANSYS軟件的靜態(tài)仿真分析功能，探索研究大型車輛設(shè)備的數(shù)字化驗(yàn)證技術(shù)，以期為更大噸位的礦用汽車的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考.

1 車架實(shí)體建模

1.1 基本參數(shù)

目標(biāo)礦用汽車如圖1（a）所示，其最大裝載質(zhì)量設(shè)定為42t，整備質(zhì)量30t，最大總質(zhì)量72t；其發(fā)動機(jī)總功率為373kW，最高車速為56km／h；最大制動距離為18m，最小轉(zhuǎn)彎直徑為20m；最大爬坡度為28%；后橋驅(qū)動，前、后橋均為油氣懸掛.

1.2 實(shí)體建模

圖1（b）所示為邊梁式礦用汽車車架簡化模型，由2根相互平行的縱梁和3根橫梁焊接而成.其中，縱梁由壓形槽鋼內(nèi)側(cè)加封板形成，橫梁為管形結(jié)構(gòu).尾部2個耳座（圖中1（b））用于固定后懸掛油缸.

為方便求解，在分析中忽略焊接等因素.模型中，車架中梁與后橋上的A形架的前端連接（圖1b中2）；車架與貨箱的連接部位用橡膠墊表示（圖1（b）中3）；車架的前部左右兩側(cè)的立面（圖1（b）中4）用于固定前懸掛缸［3］.

2 車架有限元分析

2.1 網(wǎng)格劃分

取車架縱向?yàn)樽鴺?biāo)系的X軸，車架高度方向?yàn)樽鴺?biāo)系的Y軸，車架橫向?yàn)樽鴺?biāo)系的Z軸.車架有限元模型如圖2所示.楊氏模量為2.07E11，泊松比為0.3.根據(jù)車架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其受載后的變形特性，采用SOLID95離散有限元模型，整車車架共有108082個單元，216757個節(jié)點(diǎn).

圖2 礦用汽車車架有限元模型

2.2 約束條件及載荷處理

抽取A形架與前、后橋及其輪胎建立有限元模型.考慮彎曲和扭轉(zhuǎn)2種工況.

彎曲工況：A形架與車架之間通過球鉸聯(lián)結(jié)，所以此處采用耦合3個平動自由度的方法實(shí)現(xiàn)A形架與車架扭力橫梁座之間的連接［4－6］.對于前、后橋及其輪胎，將它們的作用位置均移至油氣懸掛缸與車架配合部位.前、后懸架均用油氣彈簧，其中前懸架為獨(dú)立懸架，后懸架為非獨(dú)立懸架.由此認(rèn)定前懸架處限制車架的軸向及側(cè)向的自由度（X方向、Y方向）；后懸架只限制車架軸向的自由度（X方向）.

扭轉(zhuǎn)工況：假定車架靜止?jié)M載，然后使一個前輪或一個后輪或兩輪同時懸空，則將懸空車輪處的節(jié)點(diǎn)約束的自由度全部釋放，而未懸空車輪處的節(jié)點(diǎn)約束的自由度情況與彎曲工況的相同.在計(jì)算過程中，車架主要承受貨廂及貨物的重力.

為此，設(shè)定3種工況：工況一為滿載靜止彎曲；工況二為滿載，左前輪懸空；工況三為滿載，左前輪和右后輪同時懸空.

3 計(jì)算結(jié)果與分析

礦用汽車在滿載靜止時，由于貨物及車廂的重力作用，致使車架要承受很大的載荷，從而產(chǎn)生彎曲.根據(jù)前述的約束條件，對劃分完成的車架進(jìn)行約束，并在指定位置加載，載荷是貨廂（6.5t）和貨物（42t）的總重48.5t，均勻加載到車架與貨廂連接的4個部位，并使用均布載荷加載，則均布載荷的大小為2.69×106N／m2.

3.1 工況一

圖3（a）所示為車架整體的等效應(yīng)力圖.最大應(yīng)力為43.3MPa，其中應(yīng)力較大的部位是縱梁貨廂前、后支撐橡膠墊下的部分和前懸掛缸安裝支架的立板與縱梁的焊接處.車架的材料采用Q345鋼，故而材料的屈服極限為345MPa.可見，車架的最大應(yīng)力沒有超過材料的屈服極限，且安全系數(shù)較高，可達(dá)到8～9，其他部位的應(yīng)力相對而言更小，絕大部分的應(yīng)力值都在10MPa以下.針對這些應(yīng)力較小的部位，在今后的研究中將對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減輕這些部位的重量并節(jié)省材料.整車變形如圖3（b）所示，最大變形量為0.282mm，最大變形量的位置出現(xiàn)在車廂與車架連接的部位，即橡膠墊處.由圖3可見，車架上與懸掛缸連接處及其附近部位以及保險杠附近的變形較小，幾乎不變形，這些部位也將是以后優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)部位［7］.

工況一下的應(yīng)力和應(yīng)變分布產(chǎn)生的主要原因是：車輛處在滿載靜止?fàn)顟B(tài)時，車架所受的作用力主要是貨箱及貨物的重力.由于在本次設(shè)計(jì)假設(shè)中，貨箱除了通過橡膠墊與車架相連接外，并無別的方法，故貨箱的全部作用力分散施加到4個橡膠墊上，致使橡膠墊處的應(yīng)力及變形均達(dá)到最大.而車架上其他部位所受到的力大都來自駕駛室、發(fā)動機(jī)及其他零部件的重力，這些力和貨箱及貨物的重力相比是相當(dāng)小的，故這些力在車架上產(chǎn)生的應(yīng)力值及應(yīng)變值相對來說也是相當(dāng)小的.

3.2 工況二

和彎曲工況相比，工況二左前輪抬起，則釋放車架左前方立面的自由度，其他部位的約束同彎曲工況.車輪抬起時，車架應(yīng)有一定的傾斜度，該傾斜度會使貨廂及貨物對車架的載荷（同彎曲工況相比）發(fā)生變化，即不會均勻分布到4個接觸部位，但考慮到車架承受的重力很大，且傾斜度又較小，4個部位的載荷還可看成近似相等的（工況三相同）.

圖4（a）所示為車架整體的等效應(yīng)力圖，最大應(yīng)力為145MPa.其安全系數(shù)較小，應(yīng)該采取加強(qiáng)措施.應(yīng)力較大的部位是右縱梁與第一根橫梁（從保險杠那頭算起，下同）連接的部分及中梁與A形架的前端支座連接處.整個車架中間部位的受力較大，為50～120MPa，安全系數(shù)為2～6之間.雖然安全系數(shù)滿足理論需求，但出于礦用汽車工作環(huán)境的考慮，仍將對車架這部分采取加強(qiáng)措施.而車架上前后兩端的應(yīng)力較小，幾乎可以忽略不計(jì)，這將是以后優(yōu)化設(shè)計(jì)的部位.

工況二下的應(yīng)力分布產(chǎn)生的原因主要是：車架處于懸空狀態(tài)時，由于約束而使車架處在受轉(zhuǎn)扭狀態(tài)，造成了對稱車架上應(yīng)力分布的不對稱；同時，因?yàn)樘幱趹铱諣顟B(tài)的部位處節(jié)點(diǎn)約束被釋放，所以此處的應(yīng)力較小.

整車車架變形如圖4（b）所示.變形過程中也出現(xiàn)了不對稱狀況，但總體來說，車架變形較小.其中最小變形量為0mm，位于A形架與中間橫梁的連接部位及右前懸掛缸、后面兩懸掛缸與車架連接處；最大變形量為9.176mm.，位于前保險杠的左前端.相對于車架其他部位而言，左縱梁前方部位的變形較大，變形量為2～8mm.造成前保險杠的左前端變形量最大的原因是左前輪懸空，使前保險杠的左前端的位移最大.

3.3 工況三

圖5（a）所示為車架整體的等效應(yīng)力圖，最大應(yīng)力為147MPa.安全系數(shù)較小，應(yīng)該采取加強(qiáng)措施.應(yīng)力較大的部位是左縱梁與第三根橫梁連接的部分及中梁與A形架前端支座連接處.而車架的屈服極限為345MPa，顯然車架的最大應(yīng)力沒有超過材料的屈服極限.從整個車架應(yīng)力圖來看，中間部位的應(yīng)力較大，為60～130MPa，安全系數(shù)為2～5，雖然滿足理論要求，但出于礦用汽車工作環(huán)境的考慮，仍將對車架這部分采取加強(qiáng)措施；車架前后兩端的應(yīng)力值較小.之所以出現(xiàn)上述現(xiàn)象，是由于懸空狀態(tài)下的車架受到扭轉(zhuǎn)載荷，致使應(yīng)力分布不對稱；同時，處于懸空狀態(tài)的部位沒有位移約束，應(yīng)力較小，故兩端懸空部位應(yīng)力值較小.

整車變形如圖5（b）所示.變形過程中也出現(xiàn)了不對稱狀況，但總體來說，車架變形較小.其中最小變形量為0mm，位于右前懸掛缸與車架連接處及左后懸掛缸與車架相連接的耳座處；最大變形量為6.53mm，位于前保險杠的左前端.造成前保險杠的左前端的位移最大的原因是左前輪和右后輪懸空.

4 結(jié) 語

通過對礦用汽車車架的3種典型工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析可知，車架在3種工況下變形均非常小，幾乎可以說不變形.另外，處在靜止?jié)M載工況下的車架最大應(yīng)力很小，安全系數(shù)也較大，故車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，不易被破壞.懸空時的車架最大應(yīng)力較大，應(yīng)力分布不對稱，且中梁與A形架連接部位及懸掛缸和車架連接部位的應(yīng)力也較大，較大應(yīng)力基本上集中于尖角部位，其余部位的應(yīng)力值都較小，基本穩(wěn)定在130MPa以下，有較高的安全系數(shù).通過結(jié)果分析，證明了此次建模的可行性.

由于應(yīng)力較大的部位安全系數(shù)低，車架很容易受到破壞，造成嚴(yán)重事故，為此可以采取以下措施，以提高車架的強(qiáng)度：增加與車架相連接部位的焊接板厚度，增加中梁的個數(shù)，在受力板上補(bǔ)焊加強(qiáng)筋板，焊接完成后打磨焊縫.至于應(yīng)力較小的部位，可以適當(dāng)?shù)販p小該處的厚度以及加強(qiáng)筋板，從而減輕車架整體質(zhì)量.采取上述措施后，就可以為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù).

［1］ 李志勛.LT3242重型自卸車車架結(jié)構(gòu)有限元分析［D］.鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

［2］ 高光華，楊紅普.礦用汽車車架結(jié)構(gòu)分析［J］.工程機(jī)械，2009，40（5）：40－43.

［3］ 楊玨，張文明，王國彪，等.礦用汽車車架的強(qiáng)度分析［J］.礦山機(jī)械，2003，31（9）：17－19.

［4］ 王濤.礦用自卸車車架靜動態(tài)性能分析［J］.專用汽車，2010，28（3）：54－55.

［5］ 王軍，馬若丁，王繼新，等.礦用自卸車車架強(qiáng)度有限元分析［J］.工程機(jī)械，2008，39（11）：29－32.

［6］ 張強(qiáng).礦用自卸汽車車架強(qiáng)度有限元分析及試驗(yàn)研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2005.

［7］ 陶怡，劉軍.基于有限元法的礦用汽車車架結(jié)構(gòu)分析［J］.河南城建學(xué)院學(xué)報，2010，19（5）：61－64.

Study on the Modeling and Structural Strength of the Mining Truck Frame

LOU Yu，ZHANG San－chuan
（Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

In order to solve problems of the mining truck’s reasonable design and ensure its safety，mining truck frame digital modeling is made by using solidworks；the ANSYS finite element analysis software is used to perform strength analysis，which selects the loaded with static and wheel impending as working condition.The results show that the strains of three working conditions are small；the stress of reverse condition is larger，the maximum is 147MPa；the stress of bending condition is smaller，the maximum is 43.3MPa.

mining truck；frame modeling；structural strength；digital design and verification

TG386

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2012.01.010

1671－6906（2012）02－0045－04

2012－02－29

婁 宇（1988－），男，河南新鄉(xiāng)人，碩士生.