張博強(qiáng) 吳心平 金泉軍 陳京山 陳朋輝

摘 要：因有限元分析方法的不斷成熟，使分析所得的結(jié)果準(zhǔn)確度大幅提高，從而降低了研究成本，縮短了研發(fā)周期?；谶@些特點(diǎn)，將有限元分析方法應(yīng)用于各類車的設(shè)計(jì)研究。文章通過無人糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)該無人糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車在四種典型工況下的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，分析了糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車在這四種工況下運(yùn)行時(shí)的位移變形量的最大值和應(yīng)力最大值及其出現(xiàn)的位置，所得結(jié)果為新車型的車身骨架提供數(shù)據(jù)化參考。

關(guān)鍵詞：無人糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車;剛度;強(qiáng)度;工況

中圖分類號(hào)：U467 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）04-30-04

Study on optimization of body structure of unpiloted grain transport vehicle

Zhang Boqiang¹，Wu Xinping¹， Jin Quanjun^2*， Chen Jingshan¹，?Chen penghui¹

（?1.Henan university of technology， Henan Zhengzhou?450000;2.Zhejiang Geely New Energy Commercial Vehicle Co. LTD，?Zhejiang Hangzhou?311228 ）

Abstract：?Due to the continuous maturity of the finite element analysis method，the accuracy of the analysis results is greatly improved， therefore， reducing the research cost and shortening the development cycle.?Based on these characteri?-stics， the finite element analysis method is applied to the design research of various types of vehicles.?Based on the structural characteristics of the unpiloted?grain transfer vehicle， this paper calculates the stiffness and strength of the unpiloted?grain transfer vehicle under four typical working conditions， and analyzes the maximum displacement deforma?-tion， the maximum stress and the position of the unpiloted?grain transfer vehicle running under these four working conditi?-ons. the results provide a data reference for the body frame of the new vehicle.

Keywords： Unpiloted grain transfer vehicle; Stiffness; Intensity; Working condition

CLC NO.： U467??Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）04-30-04

1?前言

科技的迅猛發(fā)展帶動(dòng)了人們生活水平的提高，使得人工勞動(dòng)成本越來越高，傳統(tǒng)的糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車已經(jīng)不能滿足人們的需求，所以急需開發(fā)基于無人駕駛技術(shù)的智能轉(zhuǎn)運(yùn)車來解決這一問題。本文以自行開發(fā)的無人糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車作為本次研究的對(duì)象，運(yùn)用有限元分析方法對(duì)該轉(zhuǎn)運(yùn)車車身骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度和強(qiáng)度的計(jì)算;糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車在實(shí)際的行駛過程中會(huì)出現(xiàn)多種工況，選擇其中最常見的四種工況，即在較高車速下的勻速直線行駛（水平彎曲工況），路面崎嶇有凹坑導(dǎo)致左右車輪騰空（極限扭轉(zhuǎn)工況），緊急轉(zhuǎn)彎（急轉(zhuǎn)彎工況）和緊急剎車（緊急制動(dòng)工況）四種比較典型的工況^[1]。

2?整車數(shù)學(xué)模型及剛強(qiáng)度計(jì)算

2.1?糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車有限元模型

良好的三維模型是有限元分析的前提，將無人糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車的三維模型導(dǎo)入Hypermesh中生成有限元模型，并采用Hypermesh/Optistruct進(jìn)行有限元分析計(jì)算。計(jì)算時(shí)先對(duì)無人糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車的車身骨架的材料添加屬性，然后在不同工況下在不同的位置對(duì)模型添加不同的載荷和約束.最后計(jì)算得出位移云圖和應(yīng)力云圖^[2]。其中整車結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖1所示。

2.2?強(qiáng)度計(jì)算

金屬材料分為無明顯屈服現(xiàn)象和有明顯屈服現(xiàn)象兩種。無明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料需測(cè)量其規(guī)定的非比例延伸強(qiáng)度或規(guī)定的殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力，而有明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料則可以測(cè)量其屈服強(qiáng)度^[3]。本車所用的材料為Q235，有明顯的屈服現(xiàn)象。屈服強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

（1）

式中σ是屈服強(qiáng)度，單位為“MPa”，F(xiàn)是材料發(fā)生塑性變形量是原長(zhǎng)的0.2%時(shí)所受的力，單位為“N”，S是材料的橫截面積，單位是“m²”^[4]。

2.3?剛度計(jì)算

（1）車身一般受拉壓和彎曲的剛度，而剛度是描述物體抵抗變形拉伸的能力。其中剛度的理論計(jì)算公式為：

（2）

其中δ是因力所產(chǎn)生的形變，P是作用在結(jié)構(gòu)上的恒力^[5]。

（2）用Hypermesh計(jì)算剛度后所得的結(jié)果是位移云圖，計(jì)算時(shí)添加的是材料的屬性（彈性模量等），計(jì)算的是位移量，所以可用以下公式計(jì)算。

拉伸和壓縮剛度為：

（3）

其中E為彈性模量，A為截面面積。

扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式為：

（4）

其中，θ為加載力矩下車身角變形量，M為扭矩^[6]。

3?工況分析

3.1?彎曲工況

滿載的糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車在良好路面而且是在勻速直線行駛下的工況，稱為彎曲工況。因?yàn)榇斯r是在良好路面且是直線行駛，所以彎曲工況是轉(zhuǎn)運(yùn)車車速最高的工況，車身骨架所承受的動(dòng)載荷也是最大的。在這種工況進(jìn)行仿真模擬主要用來研究轉(zhuǎn)運(yùn)車在行駛時(shí)車身各部分的變形和受力情況，根據(jù)所計(jì)算的應(yīng)力云圖和位移云圖上的應(yīng)力值和位移量來校對(duì)彎曲工況下糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車車身骨架的剛度和強(qiáng)度^[7]。

糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車車身和其它零部件總成及一些附件 （如發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向器、變速箱、電池等）受重力的影響，計(jì)算時(shí)需要在相應(yīng)的地方添加對(duì)應(yīng)的載荷，載荷類型為節(jié)點(diǎn)載荷。轉(zhuǎn)運(yùn)的貨物則采用均布載荷添加在轉(zhuǎn)運(yùn)車上。在上述載荷添加完畢的條件下，只需要再約束前后車輪與懸架相連地方的水平和垂直方向的平動(dòng)自由度即可。

3.2?極限扭轉(zhuǎn)工況

因車身左右受到不對(duì)稱的力而產(chǎn)生的載荷叫做扭轉(zhuǎn)載荷，轉(zhuǎn)運(yùn)車在受到這種載荷下的工況叫極限扭轉(zhuǎn)工況^[8]。無人糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車在實(shí)際行駛過程中，經(jīng)常會(huì)遇到一些坑坑洼洼的路面，糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車在這些路面上行駛時(shí)，會(huì)因?yàn)榘伎踊蛘咄蛊鹗瘔K使其中一個(gè)車輪瞬間懸空，使其他車輪抬高因此而受到載荷增大的情況，在這種情況下會(huì)使車身骨架左右受力不對(duì)稱。

極限扭轉(zhuǎn)工況下，有個(gè)車輪是懸空的（本文主要研究左前輪），所以施加的約束與水平彎曲工況不同，應(yīng)將該模型左前輪與懸架相連的節(jié)點(diǎn)處的各個(gè)方向的自由度予以釋放，對(duì)模型的其他輪胎與懸架連接處節(jié)點(diǎn)的全部平動(dòng)自由度予以約束。糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車的行駛狀況和彎曲工況大體相同，所以轉(zhuǎn)運(yùn)車所需要添加的其他載荷與水平彎曲工況時(shí)添加的載荷相同。同理，由于是左前輪是懸空，這個(gè)情況水平彎曲工況是沒有的，所以施加的約束與水平彎曲工況不同，應(yīng)將該模型左前輪與懸架相連的節(jié)點(diǎn)處的各個(gè)方向的自由度釋放了，其它的平動(dòng)自由度全部約束。

3.3?急轉(zhuǎn)彎工況

轉(zhuǎn)彎是糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車在實(shí)際行駛經(jīng)常遇到的，而且轉(zhuǎn)彎是會(huì)產(chǎn)生離心力的。因?yàn)殡x心力，車身骨架會(huì)受到離心側(cè)向力的作用，這種作用力會(huì)對(duì)車身造成一定的彎矩，且轉(zhuǎn)彎橫向力會(huì)通過轉(zhuǎn)向拉桿傳遞到底架上，所以為了保證周圍人的人身安全，車身骨架需要具有一定的強(qiáng)度和剛度。

在對(duì)急轉(zhuǎn)彎工況進(jìn)行仿真模擬時(shí)，需在模型上加載離心加速度，其它所需要添加的載荷與彎曲工況一樣。如果仿真模擬的工況是左轉(zhuǎn)彎，則約束右前輪垂直方向的平動(dòng)自由度，若模擬的是右轉(zhuǎn)彎則約束左前輪，本次仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M的是左轉(zhuǎn)彎，其他車輪則約束的是水平和垂直方向的平動(dòng)自由度。

3.4?緊急制動(dòng)工況

糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車在遇到緊急情況時(shí)需要在最短的時(shí)間內(nèi)停住，因此會(huì)采取緊急制動(dòng)，而在制動(dòng)過程中，糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車會(huì)以最大的減速度進(jìn)行減速，制動(dòng)結(jié)束后，糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車再次啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，則需要加速，基于以上兩種情況，糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車前后軸的載荷都會(huì)有相應(yīng)的變化，并且都會(huì)有縱向的載荷作用于糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車上。其中縱向載荷的大小取決于轉(zhuǎn)運(yùn)車自身的質(zhì)量和轉(zhuǎn)運(yùn)車在減速時(shí)減速度的大小或在加速時(shí)加速度的大小。又因?yàn)榧訙p速度較大，車身骨架會(huì)受到極高的載荷，這種載荷對(duì)車身會(huì)產(chǎn)生極大的負(fù)荷^[9]，因此，對(duì)緊急制動(dòng)工況進(jìn)行分析計(jì)算是非常有必要的。

運(yùn)用Hypermesh對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)車各部分進(jìn)行分析計(jì)算，將載荷添加在對(duì)應(yīng)的地方，計(jì)算出最大應(yīng)力值和其所分布的位置。若符合要求，那么加速狀況下的最大應(yīng)力就不需要計(jì)算了。緊急制動(dòng)工況下除了要施加與水平彎曲工況一樣的載荷外，還需要模擬緊急制動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力作用，即在車身骨架上施加一個(gè)加速度，方向是水平向前。載荷加載的方式與急轉(zhuǎn)彎工況類似，將橫向加速度的大小修改即可;在此工況下約束所有車輪與懸架相連處水平和垂直方向的平動(dòng)自由度即可。

4?計(jì)算結(jié)果及分析

最大變形量出現(xiàn)在糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車的前后端，變形量2.557mm，小于糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車許用最大變形量30mm。

圖中最大應(yīng)力值為66.04MPa，小于鋼材Q235的屈服強(qiáng)度235Mpa。

糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車發(fā)生極限扭轉(zhuǎn)，此時(shí)糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車骨架最大變形量為3.131mm，小于糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車許用最大變形量30mm。

糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車車身骨架最大應(yīng)力值為130.40MPa，雖小于Q235鋼材的屈服強(qiáng)度235MPa，但考慮到安全系數(shù)，建議對(duì)此區(qū)域的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。

計(jì)算的是向左的急轉(zhuǎn)彎，糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車最大變形量為0.520mm，遠(yuǎn)小于糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車的許用最大變形量30mm。

糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車最大應(yīng)力值為103.90MPa，小于Q235鋼材的屈服強(qiáng)度235MPa。

緊急制動(dòng)時(shí)，糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車骨架最大變形量為2.372mm，小于糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車許用最大變形量30mm。

最大應(yīng)力值為141.30pa，小于Q235鋼材的屈服強(qiáng)度235MPa，考慮到安全系數(shù)，? ?建議進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

5?建議

無人糧食轉(zhuǎn)運(yùn)車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合最大載荷1.5T時(shí)的剛強(qiáng)度要求，右前輪及左后輪與橫梁連接桿件在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)易發(fā)生接近屈服極限運(yùn)轉(zhuǎn)，容易影響轉(zhuǎn)運(yùn)車平順性、操縱穩(wěn)定性、工作壽命，建議進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

6?成果與不足

6.1?成果

目前，有限元分析已成為各大車輛研究機(jī)構(gòu)開發(fā)的主要手段，本文在有限元理論的基礎(chǔ)上，主要取得以下幾個(gè)成果：

（1）通過Optistruct求解器對(duì)有限元模型進(jìn)行了剛度和強(qiáng)度的分析，計(jì)算出了車身骨架在四種工況下的最大應(yīng)力值和最大位移量。

（2）根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的剛強(qiáng)度要求，知曉了車身在某些地方結(jié)構(gòu)的不足，從而可以對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)和改進(jìn)。

6.2?不足

仿真模擬大大縮短了研發(fā)周期，減少了研發(fā)成本，但由于有限元模型的簡(jiǎn)化，對(duì)計(jì)算的精確性有一定影響。

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