作者：杨而宁 高全峰 |
前言 SGA3723型矿用汽车是北京首钢重型汽车制造厂与北京科技大学合作，在SGA3722的基础上共同研制开发的重型矿用运输汽车，适用于露天矿山、煤碳、水利、电力以及建筑工地运送散装物料。已经生产多年的SGA3722矿用汽车目前所用的驾驶室支架与水箱支座、水箱罩支撑分别独立布置；结构复杂。各种不同厚度、形状各异的钢板和钢梁组焊而成的复杂箱形构件，存在着质量大、成本高、焊接工艺性差、生产周期长等诸多缺陷。为了降低原料消耗、提高产品结构工艺性、缩短生产周期和提高生产效益，厂家拟对原车进行结构改进设计。 1 新支架结构设计 针对上述问题，在新车设计中作以下改进： (1)将驾驶室支撑、水箱支撑、水箱罩及走台支撑合为一体。在满足使用要求的情况下，简化结构设计方案，减轻总成的重量、节省布置空间。特种汽车 (2)合理布置肋板位置。在设计中由于此支架右侧与水箱出水管干涉，考虑到管路的拆装方便，在前面板上开出缺口。因此，背面肋板也要相应移位。 (3)留出车灯安装位置。在不过分削弱结构强度的前提下，与照明设计师共同确定前照灯的安装孔以达到美观协调。 各板材均选用Q235组焊而成。 改进结构由面板、肋板、侧面装饰板、底板以及梯子总成焊接而成，此结构由经验设计完成，还必须对其进行定量分析，以验证结构的可行性并确定最终的设计参数。 2 有限元建模 2.1 模型简化 在汽车CAD/CAE技术中，有限元分析方法和软件技术占据了一个极其重要的位置。对于复杂结构，进行力学性能的研究及优化设计，有限元方法被证明是一种最为成功，应用最广泛的近似分析方法。ANSYS常用的建模方法有2种：(1)在通用CAD软件中建模，并以IGES、STEP等格式导入或者用专为UG、Pro/E、CATIA配置的专用接口程序将其所建模型直接转换过来；(2)用ANSYS前处理模块直接进行建模。 利用ANSYS有限元分析软件进行新支架实体建模，假设焊接的强度足够大，将支架的有限元模型看成刚性连接的整件，不考虑零件焊缝装配搭接情况以及螺栓孔及倒角对结构的影响，不计梯子总成的影响。这样简化处理有利于进行有限元分析计算。 2.2 单元选择 由于此结构件都是由板壁类零件组成，这类板件厚度方向尺寸与长宽方向尺寸相比要小得多。承载时除在其平面内受拉压外，还承受弯扭作用，所以采用壳单元shell63来模拟，它是四节点三维弹性壳单元，每节点有6个自由度。该类型单元适用于薄壁或薄壳结构的纯薄膜应力，纯弯曲应力以及2种应力综合分析，另外，还可用于复合层分析。 2.3 划分网格 对于不同的板材，需要定义不同的实常数。划分网格前手动定义单元大小，对要求精度高的地方，单独划分。 2.4 施加载荷 根据载荷施加的实际情况建立有限元模型过程中，分别在面板顶端相应位置定义加载平面，通过搭接命令将加载面与模型连接成整体。 2.5 约束与边界条件 在设计中，支架自身采用焊接组装，然后通过螺栓联接将底板与车架固连，其顶端面与各支座总成采用螺栓联接。所以需要约束底板的全部自由度。根据上述有限原则，建立支架结构有限元模型。 3 计算结果 建立上述有限元模型后，通过有限元分析软件ANSYS进行分析计算。 由于矿用汽车作业条件非常恶劣，其支架要承受上部驾驶室和水箱自重、走台自重、惯性冲击力、转弯侧倾力等不同工况下载荷。考虑到矿用汽车的实际作业环境，在进行静力学分析时。动载荷系数取2.0,安全系数取1.5.所以材料实际应力应满足 从应力云图发现，为了使肋板避开水箱管路，水箱支座下的肋板进行偏置引起局部位置应力严重，达到94.4MPa，超出了许用应力范围，必须予以改进。 4 结构改进 (1) 为提高支架强度，在水箱支座下部增加适当长度的加强肋，以不干涉水管为宜。 (2)为提高刚度，在新加肋的对面增加通长的肋板。 修正模型后重新进行有限元分析，由分析结果可见：板件最大应力降低到31.2MPa，这是由于新加入的肋板承担了水箱座传递的载荷，肋板位于水箱支座正下方，有效地减少了偏置带来的应力集中现象。表1列出了支架结构改进前后强度和刚度对比，可见改进结构不但降低了结构应力，使各部件受力均匀，而且提高了结构的刚度，各方向的变形减小。 5 结语 (1) 本文采用壳单元对SGA3723矿用汽车专用支架进行有限元强度和刚度分析，根据分析结果对支架结构进行改进设计，使整个车架焊接工艺和应力分布更趋于合理； (2)应用ANSYS有限元分析软件快速计算功能，随时对改型后车架进行强度分析，缩短了SGA3723矿用汽车车架改型设计周期； (3)矿用汽车改型前后支架有限元对比分析结果为新型支架设计提供理论依据。目前新型车架正在生产加工，待加工完成后，仍需进行实验和现场走合验证。(end) |
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