基于UG的运输机散装物资装卸车副车架的优化设计与分析

第8卷　第2期　2008年1月167121819(2008)220559204　

科　学　技　术　与　工　程

Science Technol ogy and Engineering

　Vol .8　No .2　Jan .2008

Ζ　2008　Sci .Tech .Engng .

交通运输

基于UG 的运输机散装物资装卸车副车架的优化设计与分析

刘宝波　徐更杰3

　熊国庆1

　叶　鹏

(军事交通学院科研部,天津300161;二炮青州士官学校接改装大队阵通教研室1,青州262500)

摘　要　首先在UG 建模模块中建立副车架的三维实体模型,然后应用其有限元分析模块进行了分析计算,得出了副车架在危险状态下的变形及应力分布规律,验证了强度与刚度要求,为该零件的结构设计与优化提供了依据。关键词　UG 副车架 有限元分析中图法分类号　U270.12; 文献标志码　B

2007年10月9日收到

第一作者简介:刘宝波(1961—),男,教授,研究方向:车辆工程。

3

通信作者简介:徐更杰(1983—)男,硕士研究生,研究方向:

车辆工程。E 2mail:gengjiexu@sina .com 。

副车架是运输机散装物资装卸车的主要工作机构之一,其工作性能的好坏将直接影响着运输机散装物资装卸车的整体性能,所以有必要对该构件进行结构应力分析,尤其是研究其在危险作业状态的应力分布规律及变化情况,进而对其进行强度校核。有限元法是一种求解数学、物理问题的数值计算方法,它对于完成复杂结构或多自由度系统的分析十分有效,是对构件进行结构分析的一种有效方法。而作为美UGS 公司拳头产品的Unigraphics (简称UG ),不仅具

有强大的实体建模、曲面造型、虚拟装配和产生工程图等设计功能,而且在设计过程中可以进行有限元分析、机构运动学学分析、动力学分析和仿真模拟

[1]

。

其结构分析模块能够真正做到从三维建模到有限元分析的无缝结合。因此,本文首先利用UG 软件的建模模块建立副车架的三维实体模型,然后利用其结构分析模块对副车架进行有限元分析。

1　副车架三维实体模型的建立

[2,3]

副车架由两根槽型纵梁和若干横梁焊接而成,

摆臂的承载梁用高强度钢板焊接成箱型结构。纵梁钢板厚度为6mm 、横梁钢板厚度为5mm 、铰座钢板厚度为15mm 。首先,进入UG 软件建模模块,创建三维直角坐标系;然后,在相应的基准平面上,按设计尺寸用草图工具分别创建副车架的纵、横梁横截面,拉伸成实体特征,并用草图工具和相应特征操作建立铰座。最后将以上几个部分实体合并,形成副车架整体模型,进而可以确定副车架整体模型的实体密度、质量、质心位置、惯性矩和惯性积。副车架模型如图1所示

。

图1　副车架模型示意图

2　副车架的有限元分析

2.1　有限元模型准备

副车架与底盘车架之间由螺栓和止推板连接,其上安装有两只举升缸、四只摆臂、液压阀、备用轮胎、配重、走台板、导轨、小车、各种加强板、液压管路、链条结构等。在举升过程中有四只支腿提供支撑,副车架与前摆臂、后摆臂、举升缸各铰接处受力复杂,各部位受力差异较大,是检验校核的重要构件。

首先,建立Scenari o 模型,选择有限元解算器“结构P .E ”,分析类型为“结构”,解法类型为“多个约束”,选择“自动创建步骤或子工况”栏和相应的工作温度,并选择需要的后处理结果:位移列表、应力列表、应变列表、单元力列表、反作用力列表和加载的载荷列表等。

其次,

模型简化。自动删除直径小于10mm 的小孔、半径小于5mm 的圆角、面积小于10mm 的细小平面和宽度小于3mm 的薄面。副车架上液压管路等由于对结构应力分析不产生影响,所以在建模时也不予考虑。

再次,设置材料属性。副车架采用的是HG60高强度钢板,根据分析求解结果需要,分别设置以下参数:实体密度、杨氏模量、泊松比、屈服强度、抗拉强度等。

2.2　施加载荷和边界条件

副车架在举升过程中受到前摆臂与副车架铰接点处约束力、后摆臂与副车架铰接点处约束力、举升缸与副车架铰接点处约束力、自身重力、液压阀重力、配重重力、备用轮胎重力、走台板重力、支腿支撑力等共同作用。在举升瞬间约0.2s 时,副车架与前摆臂、后摆臂、举升缸各铰接点处约束力均为最大。

在该工况下,副车架受力状况如表1所示。

表1　副车架受力状况

自身重力620×10=6200N 液压阀重力50×10=500N 配重重力380×10=3800N 备用轮胎重力100×10=1000N 走台板重力

250×10=2500N F q 65402.38N F h 66764.35N F j

62703.38N

说明:F q 为副车架与前摆臂左、右铰点处约束受力(左右对称);F h 为副车架与后摆臂左、右铰点处约束受力(左右对称);F j 为副车架与举升缸左、右铰接点处约束受力(左右对称)。

按照实际的受力状况和约束条件添加载荷和边界条件。2.3　网格划分

由于副车架整体尺寸较大,故采用四节点四面体单元对副车架进行立体网格划分,在保证解算精度的情况下尽量提高数值计算的速度。副车架模型共划分为60259个十节点四面体单元,21057个节点,其有限元模型如图2所示。

图2　副车架有限元模型示意图

2.4　解算及分析

有限元模型建立后,对副车架有限元模型进行综合模型检查,检查模型的网格、载荷、边界条件及材料属性等。通过检查后,系统提示“解法已通过所有综合检查标准,并准备求解”。在建立了有限元模型并进行完前置处理后,就可以进入求解分析阶段。在解算对话框中,设置算法为“自动”,由系统选择最优算法,输入最大作业时间、默认温度,建

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8卷

立解算器临时目录,然后单击确定,程序开始求解。

求解完成后,可以选择列表中完成项,对分析结果进行综合评定。点击“检查分析质量”按钮,系统运行评估,给出副车架有限元分析的置信水平为95.053%,说明应力计算的错误率控制在5%以内,

符合要求。

进入后处理,得出经过有限元计算的变形、应力、应变、应变能、单元力、反作用力、加载的载荷等分析结果,并且可以通过云图、等值线图、变形图及动画等形式显示,还可以根据需要显示相应计算参数的最大值、最小值。副车架在举升瞬间约0.2s 时的变形和应力分布规律如图3、图4所示

。

图3　

副车架举升瞬间变形图

图4　副车架举升瞬间应力图

图3、图4可以清楚的显示出副车架在举升瞬间约0.2s 时的变形规律和变形量,并可以清楚的反映出副车架应力分布规律和高应力区的分布情况。还可以根据需要直接从图形中读取有关单元或节点的应力、变形、应变、应变能、单元力、反作用力、加载的载荷等数值。

从分析结果可以得知:副车架在举升瞬间约0.2s 时承受的最大应力出现在右纵梁后部、靠近右

后支腿支撑的位置,最大应力为277.4MPa,最小应力为1.977×10

-3

MPa,出现在前横梁右端、靠近副

车架与右前摆臂铰接处的位置;副车架在举升瞬间约0.2s 时的最大变形量为0.01317m ,出现在副

1

652期刘宝波,等:基于UG 的运输机散装物资装卸车副车架的优化设计与分析　

车架右纵梁最尾部,变形量从远处到靠近前后支腿处时逐渐减小,到前横梁右端、靠近右前支腿的位置时达到最小,最小变形量为0。

2.5　强度校核

副车架选用的材料为16MnL钢(低合金结构钢,16表示含碳量的平均值,为0.016%,Mn表示所含合金元素符号,L表示其名称为汽车大梁用钢),

其屈服强度σ

s 为345MPa,抗拉强度σ

b

≥490～640

MPa。副车架在举升瞬间约0.2s时的高应力区主要集中在纵梁后部、靠近后支腿支撑的位置。在举升瞬间,最大应力为277.4MPa,小于许用应力σ=345MPa(因为副车架与底盘车架之间由螺栓和止推板紧密连接,故取安全系数为1),能够满足强度要求;最大变形为0.01317m,小于许用挠度

f=2.1×0.01=0.021m,能够满足刚度要求。可见,选用16Mn L钢作为副车架的材料能够满足结构要求。

同时,由上述分析结果可知,副车架在整个运输机散装物资装卸车工作过程中应力数值偏小,也就是说副车架的设计强度偏大,结构上还可以进一步改进,减轻副车架的重量。在实际设计中,可以通过改变其截面尺寸或结构,然后做局部加强来减轻副车架的重量。

3　结束语

本文运用UG软件建立了运输机散装物资装卸车副车架的三维实体模型,并在其有限元分析模块中对副车架进行了强度与刚度分析,找出了应力集中的薄弱环节,为副车架的结构设计提供了计算依据,经过样机研制、试验表明其分析结果是正确的。

参　考　文　献

1　耿鲁怡,徐六飞.UG结构分析培训教程.北京:清华大学出版社,2005

2　马秋成.UG应用教程.北京:机械工业出版社,2001

3　袁　锋.UG机械设计工程.北京:机械工业出版社,2006

D esi gnm en t and Ana lysis of S i de Carca se of A i rport Cargo Hand i n g

Veh i cle Ba sed on UG

L IU Bao2bo,XU Geng2jie3,X IONG Guo2qing1,YE Peng

(Scientific and Technol ogical D ivisi on,Academy of M ilitary Trans portati on,Tianjin300161,P.R.China;

Zhen Tong Staff Room,School of petty officer11,Q ingzhou262500,P.R.China)

[Abstract]　The three2di m ensi onal model of side carcase was built firstly.Then it made a finite ele ment analysis of the side carcase.The defor mati on and stress distributi on of the side carcase in danger ous state p r ovided s ome ref2 erences f or i m p r ove ment of the design ment of side carcase.

[Key words]　UG side carcase finite ele ment analysis

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