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论文方式解析-矿用自卸车车厢结构设计及有限元强度分析

2021-05-25 14:36:09

  车厢是卡车的重要部分。自卸车是由车厢、车架、底盘和液压机构等部件组成的复杂弹性系统,其工作状况恶劣。车厢作为自卸车的关键部件,在举升卸货工况和地面不平度激励工况下,将承受复杂载荷的冲击,造成结构强度破坏问题。因此对自卸车整车特别是车厢进行强度分析和试验研究具有重要的理论价值和工程应用意义。本次研究对矿用自卸车车厢结构设计及有限元强度进行了研究,其中介绍了本次研究的背景和意义;在对矿用自卸车车厢整体结构进行分析设计之后,对有限元法和有限元软件ANSYS进行简单介绍,并建立矿用自卸车车厢有限元模型;最后运用ANSYS有限元软件,对矿用自卸车车厢有限元强度进行分析。

  第一确定论文的整体形式,然后选择相关的参数。运用专业知识对车厢的强度和刚度校核,然后设计车架的结构。

  第二应用ANSYS软件建立车架的三维模型,达到力学特征的条件下,达到轻量化设计最后并重要的是应用分析软件对车厢进行强度和模态分析。结合车厢的实际工况(满载,制动)进行比照解析,确保在各种情况下车架的使用需求。

  随着科学技术的发展,车辆制造的竞争剧烈,其制造技术也在一直发展,车厢是车辆的不可分割的部分,车身的使用时间和车的整体效果会受它们的塑造材料和构造方式的直接影响。在车辆质量轻的前提下,要确保汽车的刚性和强度,进而提升汽车的动力性能,节约物质资源和能量资源,减少废弃物和环境有害物质。由于当今社会提倡节能环保,轻量化已经是汽车的发展趋势,这也就意味着汽车节约了能源和材料[1]。汽车行驶时对车厢的强度等各种因素的同时,尽量降低汽车的自重并减少生产成本。资源进行供给的保障企业离不开对资源的发掘与开采,因此,与资源管理相关的开采技术行业在本世纪初经历了高速经济发展。随着中国为例,中国的能源和矿产资源占用的系统资源需求的主要部分,增加了其开发利用。在可预见的未来数年内,我国对矿产企业资源的开发可以利用会不断提高增长,这也给矿产开采业带来了经济发展历史机遇。自卸车是在运输设备,其主要任务是在产品工作的土方工程和矿石运输进行采矿作业的一种重要的矿物质采矿作业。矿用矿用自卸车作为一种矿用矿用自卸车的主要可以承载部件,其结构进行设计教学质量对矿用矿用自卸车的整体性发展能有一个很大的影响。因此,机舱设计的强度和刚度是在自卸车的结构设计尤为重要,汽车的性能将直接影响车辆的安全性能。当前在对车厢进行设计时,传统的设计工作人员管理主要研究依据以往设计发展经验数据进行建模,或者是运用材料力学的相关理论知识对车厢进行比较分析方法计算,又或者合适的CAE分析部门可以对三维模型信息进行有限元分析和计算。其主要思想是向结构中的有限元离散。即,结构是分立单元的数量有限的组装。结构的力学性能研究可以同时通过进行分析离散单元来代替,从而能够得到发展一个与设计精度相对应的近似模型。分析可以帮助解决许多项目的真正模式的迫切需求,可以成功地解决复杂的问题。这一信息技术企业能够在确保系统设计刚度、强度等力学性能要求的前提下,缩短结构的设计一个周期,可以大大降低设计管理成本。因此,本文将重点研究采矿车辆的结构分析和有限元强度分析。

  1.2车厢在国内外的研究状况

  在车架的分析方面早在60年代就有人用这个方法来分析车架,此项技术在国外已经非常成熟,他们的重心已经转向噪声分析、碰撞分析等方面。

  大型自卸汽车作为矿山和其他行业的重要运输设备,在更新换代、高油耗、结构可靠性和耐久性等方面存在着一些需要改进的问题。围绕这些问题,国内外学者,进行了结构设计和优化了广泛的研究目前我国针对矿用自卸车车厢之间出现的问题,相关管理理论基础研究及工程建设实践活动已有知识很多,国内外学者对矿用自卸车车厢的模态、刚度、强度等力学行为特征信息进行数据分析,并采用BlockLanczos法提取了车厢的前十阶模态,将车厢的低阶模态与路面设计激励和发动机激振进行了系统对比,研究可以发现,车辆空载时的频率与路面使用激励工作频率非常相近,易受疲劳损伤。

  1.3主要设计内容

  采用立体式建模与Finite Element Analysis软件对车厢实行模拟,具体内容如下:

  (1)研究设计的方法与步骤,车架结构形式的确定。

  (2)以BZK D45箱式运输车为参考对其进行建模。

  (3)将建成的车厢模型对车厢的强度、刚性实行Finite Element Analysis。

  2车厢结构方案的选择

  2.1车厢的设计要求

  强度是指材料、机件或结构物件在不破坏的情况下能够承受的力的大小。车厢需要拥有过硬的强度来确保车架具有满足标准的可靠性以及使用年限,强度也是车架衡量自身能力好坏的一个标准,强度也是在设计车架时的另一个重要指标。要使车厢的小部分受力面难以超过材料的形变强度,所以在设计时车架就要具有一定的强度。

  重型矿车车厢的典型形式是底板前低后高,后开无后杠,倾角通常为12°。这种倾斜角确保矿石即使在提升时也能进入卡车驾驶室。

  经查相关资料卡车车厢的质量一般不超过整辆车的质量的1/10。以外,车厢的建模设计时也需要涉及到设计的通用化以及改装方面的需求。

  2.2车厢的结构型式

  车型的结构特点不尽相同,以下有3种结构型式。

  2.2.1普通矩形车厢

  普通矩形车厢用于散装货物运输。其后板装有自动开合机构,保证货物顺利卸出。普通矩形车厢板厚为:前板4~6,边板4~8,后板5~8,底板6~12。比如:程力牌自卸车普通矩形车厢标准配置板厚为:前4边4底8后5。四四方方的造型,车厢外部布满加强筋,因为底板几乎纯平,装载容积比起U型车厢要更大。因为栏板和底板不是一体式的,在边柱没有加强的情况下去干一些工程性的粗话时更容易出现车厢栏板外扩的情况。

  但其功能性要比U型车厢更强大,因为普通的矩形(方形)车厢不止可以运载砂石、矿业,还可以运载一些普通栏板车厢可以装载的货物,有着很大的扩展性。

  2.2.2U型车厢

  因为U型车厢外形的平顺、无加强筋外露,所以在装货行驶过程中也不会容易积土和挂泥。车厢容积也要比普通的方形车厢要来得小,更加强一步对城市渣土车运载量的控制。车厢底部U型的弧面能够防止石头与车厢底板的硬性碰撞,U型车厢死角较少,可以避免砂石卡在犄角旮旯的地方,卸货的时候也能够卸的比较干净。

  2.2.3铲斗车厢

  矿用铲斗车厢则适用于大石块等粒度较大货物的运输。考虑到货物的冲击和碰幢,矿用铲斗车厢的设计形状较复杂,用料较厚。比如:程力牌自卸车矿用铲斗车厢标准配置板厚为:前6边6底10,而且有些车型在底板.上焊接一些角钢,以增加车厢的刚度和抗冲击能力。

  2.3车厢的制造工艺

  车厢各栏板的强度和刚度取决于材料的选择以及结构的设计,是整车不可或缺的一部分。车厢的扭转刚度和弯曲刚度是相辅相成,相互补偿的。假如车厢的扭曲刚度太大,当扭曲到一定值时,车架前部的重量大部分将转移到车架侧面的侧轨上,造成损坏。假如扭曲刚度过小,当车架发生很大扭转时,车厢会因为变形过大而适度破损。因而,材料的选取需要经过严谨的计算。在保证整车安全的前提下,参照其他自卸车的成品设计,经过进行比对和分析,本次课题设计选取的车厢各栏板的材料为锰钢(GB/T1591-2008),密度为ρ=7.81×103kg/m,车厢底板一般接受货物的分量,还有在装卸时的作用力,车厢前板和侧板一般接受物料在运输过程中,物料对侧板的压力,侧向后板主要承受货物卸载时,货物对栏板的磨损]。综上原因,依据成型自卸车的设计,选取车厢的前栏板的厚度6毫米,车厢后栏板厚度为8毫米,车厢侧栏板厚度为4毫米,车厢底板的厚度为8毫米,车厢防护板的厚度为4毫米,选取材料的厚度不仅提高底板的强度,而且使得底板承受力更大,以下计算均按此厚度进行计算。

  2.4本章小结

  本章经过简单的对车厢型式的介绍,了解到他们的特点、适用的场合。对材料的制造工艺以及材料的制作方法。由上述可知,选择铲斗车厢,设计车架的材料使用锰钢。

  密度ρ=7.81×103kg/m,前栏板厚度6mm,侧栏板厚度为4mm,板的厚度为8mm。

  3车厢的设计

  车厢长度为8400毫米,车厢宽度为4300毫米,车厢高度为4300毫米。

  3.1车厢容积计算

  车架根据公式,,然后依据车厢的尺寸a=8400mm,b=4300mm,

  h=4300mm,为了方便计算,单位以米进行计算。

  (3.1)

  =36.12×4.3=155.316m3(3.2)

  3.2车厢各板的质量的计算

  3.2.1车厢前板

  a=8400mm,b=4300mm,h=6mm,锰钢密度为ρ=7.81×103kg/m,

  =8.4×4.3×0.006=0.216(3.3)

  =7.81×103×0.216=1686.96kg=1.68696t(3.4)

  3.2.2车厢地板

  a=8400mm,b=4300,h=8mm,

  =8.4×4.3×0.008=0.2896m3(3.5)

  =7.81×103×0.2896=2261.776kg=2.261t(3.6)

  3.2.3车厢侧板

  a=8400mm,b=4300,h=4mm,

  =8.4×4.3×0.004=0.1448m3(3.7)

  =7.81×103×0.1448=1128.3888kg=1.128.3888t(3.8)

  3.3计算车厢的弯矩

  以下数据为参考车型―BZK D45箱式运输车的相关参数:

  表3.1 BZK D450重要参数

  项目单位参数

  外形尺寸(长×宽×高)毫米8500×4300×4300

  有效载荷公斤45000

  发动机康明斯QSX15

  最大发动机攻略转391Kw 2100

  最大发动机扭矩转2440N.m 1400

  最高时速公里/小时54

  最大爬坡能力%≥

  欲对车厢弯矩计算,就要先计算前支座反力,Rf就是车厢前支座反力,据表3.1可得:

  (3.9)

  纵梁的弯矩是:

  (3.10)

  驾驶室末端至后轴之间的弯矩为:

  (3.11)

  由此可以看出,此段梁内有最大弯矩,可将上式(3.11)用求导数的方法求出所在的位置x即,

  (3.12)

  将(3.12)式代入(3.11),也就是纵梁承受的。

  由上式可得:

  (3.13)

  由参考车辆的相关参数可知:

  L=8400mm,l=4300mm,a=1010mm,b=5mm,c=2390mm,c1=1392mm,c1=c2=998mm。

  将s和e代入(3.13)可得:

  已知动载荷系数2.5<kd<4.0,疲劳安全系数0.5<n<1.4,并将这两个系数代入式子(3.14)中,可以求出纵梁的为:

  则取kd=4,n=1.4上式可得:

  (3.14)

  3.4计算车厢的弯曲应力及校核

  运用材料力学的计算方法得出截面系数。

  槽型断面系数W为:

  (3.15)

  取h=78mm,b=42mm,t=5mm,

  已知纵梁断面处的为:

  (3.16)

  已知

  (3.17)

  (3.17)式子中:――疲劳极限,16Mn材质,=350Mpa;

  n――安全系数,1.15<n<1.4;

  即:,即最大弯曲应力小于许用应力。

  以上计算符合车厢强度要求,

  3.5本章小结

  本章对确定了车厢每一部分的尺寸,然后用公式对车厢进行了强度刚度校核,以校核的结果确定各部件的参数选择,以此来达到车架实际的工作要求。

  1)根据计算车厢最大弯曲应力151.75Mpa而16锰材质最小许用应力304.35Mpa符合要求

  2)车厢重量3.6t<3.7整车37000

  4建立车厢的三维模型

  由于自卸车车厢的结构和形状较为复杂,突缘、沟槽、加强肋板、孔洞等很多,因此,实际的自卸车车厢如果不经过改造就直接建立模型进行网格划分,计算需要更多的计算机资源和时间。因此,在创建用于构建网格的有限元模型之前,通常有必要对其进行分析和简化。模态分析不需要计算节点和单元的应力,只需要计算结构的固有频率和振型。对于结构的固有频率和振型,如果结构的质量分布准确,为了加快计算速度,对模型做了合理的简化,车厢底板下部、两侧挡板外部和前挡板外部加强肋板的焊接坡口省略;车厢底板的悬挂孔省略;车厢外围(包括肋板)的倒角省略;还有其他一些小面均略去。

  图4.1车厢模型

  5车厢的强度分析与模态分析

  5.1ANSYS软件介绍

  ANSYS是应用非常广泛的一个分析软件,该软件提供了多种类型的设备来模拟项目中的不同材料和结构。其中前处理主要是建立几何模型与有限元网格划分,Ansys的前处理相对于功能来说简单一些,这些模块颇多,不过在计算部分差别不大,这些模块是由很多厉害的软件一齐合成的,此软件的优点在于多物理场和非线性问题的有限元分析,对于其他方面的分析也有很多,ANSYS可以在不同的计算机外围设备上运行不同版本的软件:

  5.1.2分阶段加速解决方案

  基于可变ANSYS技术,ANSYS VT加速器是一种数学方法,可以通过减少迭代总数来在多个阶段中加快分析速度。这包括收敛迭代,不退化时间,或两者兼而有之。收敛迭代的示例是没有接触或塑性的非线性静态分析,两种组合的示例,非线性结构或热瞬态。

  5.1.3网格变形和优化

  对于许多单位而言,优化分析中的最大障碍是无法更改CAD模型以及实体参数无法反映几何变化,或学习。ANSYS WORKBENCH将ANSYS和ANSYS CFX技术结合在一起。最新版本还提供了独特的过程管理工具,可在短时间内解决复杂的多物理场问题,并扩展了仿真范围。

  5.1.4线性和非线性动力学

  这个新版本结合了先进的诊断功能和扩展的仿真功能。线性和非线性结构的变化以及电流应力分析与模拟环境无关。在频繁的反应以及刚性物体和运动物体之间的剧烈移动时,用户可以选择一组机械运动。利用线性高度,非线性精度和精确匹配以及它们的其他功能的组合进行自动连接检测,包括简单和复杂的连接和极限支撑,几何形状,材料和非线性接触,动力学分析和系统关系。

  延续工作台的主要旋律,我们可以提供功能强大的分析软件,全自动或由用户亲自控制。核心网格处理技术已经过足够硬化,可以在工作台应用程序之间共享网格。另外,双向参数交互界面的鲁棒性得到了提高。ANSYS和regCFTDM;将网格的一些新功能与模型的详细处理功能相结合,可提供一整套用于模拟现实世界的网格工具,例如散热和汽车引擎盖下的汽车碰撞分析。

  5.2有限元概述

  最终元素分析涉及以更快的方式解决简单的问题并将其解决。它由少量连接的子域(称为域解决方案域),限制设置,每个元素的简单且适当的估算方法,然后解决总体满意度组成,这就是处理方法。此处理方法不是恰当的处理方法。这是个相似的处理方法,原先的问题已被一个较单纯的题目替代。在众多实际问题当中,找到合适的处理方法比较困难。但是,特定的方法元素具有很高的计算复杂度,并且可以接受多种复杂形式。因此,最终元素法是一种有效的工程分析方法。

  该系统与解决问题的替代方法之间的主要区别在于,它必须在较小的子域中使用。在1960年代中期,首先介绍功能系统计算理论概念的Clough教授将其更明确地描述为:“有限元方式=Rayleigh Ritz方式+功能式”,即具有保证金是Rayleigh Ritz当地的法律地位。与解决(通常是困难的)可以满足整个状态的函数的瑞利·里兹系统不同,有限的系统在简单的几何系统(例如三角形或三角形)的元素域中定义函数。是解决这两个问题的系统方法。

  使用有限元方法可以分析几乎所有复杂的工程结构,获得有关结构力学性能的各种信息并评估工程结构。分析工程事故。有限元方法在设计过程中起着至关重要的作用。

  5.3ANSYS Workbench15.0概述

  Workbench 15.0为一个较为大的分析软件,此版本应用的也比较广泛。在7.0之后,公司推出了两种版型,一种是经典版,另一种是Workbench版。

  终于努力了数年之后,公司在22年发布了7.0的时候正式推出了前后处理和软件集成环境。到.版本发布的时候,已经提升了软件的各种性能,深深受到了人们的喜爱。

  ANSYS15.0版本中的Workbench版本是2014年发布,第一代工作台的各种优点的遗产已经发生了重大变化,连同15.0版本可视为第二代Workbench(Workbench 2.0),最大的变化是它提供了新的项目显示功能以及可以通过拖放操作执行的基本物理分析过程。

  对于结构参数变化设计点求解来说,更新结构可以就地执行;能在结构设计中提交工作。当计算完成后,项目可以综合所有获得的结果;老版本中一次只能结合一个设计点。以上两大改进减少了仿真的时间,尤其是多个设计点同时仿真求解时效果很显著。此技术用于满足固态、液态、气态之间相互作用的力学仿真,对于经常使用的用户,此软件有更好的用处[8]。

  5.4车厢的强度分析

  如图5.2所示,首先根据车厢的材料、密度、泊松比的参数在ANSYS中进行设置。对于16Mn材料来说,弹性模量为206Gpa,泊松比为u=0.3,密度为ρ=7.85g/cm3。

  图5.2参数设置

  网格划分如图5.2所示。使用自动划分功能对车架的装配体进行网格划分,网格参数如图5.3所示,节点数为65312,单元数为65791。

  图5.2车厢模型的网格划分

  5.5车厢弯曲工作状况的分析

  此工况主要模拟车厢在满载情况下,车辆匀速或者静止状态下由于道路不平车厢产生的形变量以及所受应力的情况,将车厢底部约束,在车厢内部施加200吨的载荷,进行计算,计算结果如下图所示:最大位移量为3.16mm,最大应力为46.8Mpa。

  图5.3

  图5.4

  5.6制动工作状况

  制动工况主要模拟车辆在紧急刹车的情况下所受的最大位移量和应力情况,在水平弯曲的情况下施加1.4g的制动减速度。计算结果如下图所示:最大位移量为3.11,最大应力为47.38Mpa。

  图5.5满载制动位移云图

  图5.6满载制动工况应力云图

  5.7车厢的模态分析

  车厢的模态分析是用来确定车厢的布局设计或者零件的频率与振型,是在设计中受载时的重要参数。与此同时,也可以用来分析动力学问题。把模型导入ANSYS的model模块,不施加任何载荷与约束分析车厢的位移量。由于车厢震动不属于高阶模态,前四阶几乎为零,所以通常选择六阶模态。车架的模态分析总共分为6阶,共振频率按照从小到大到大排,想要符合要求,最大位移量不能超过10mm。通过模态分析可以得出每一阶模态在频率范围内的特性,据可以分析出在不同振源作用下的实际工作状态的响应。根据这种问题,就可以建立结构振动方程。

  (5.1)

  式中,[M]为结构的整体质量阵;[K]为结构的整体刚度阵;{D}为结构的整体位移向量。设

  (5.2)

  将(5.2)式代入(5.1)式可得:

  (5.3)

  以上就是模态分析的过程,通过求解这两个方程得出频率以及振型。

  图5.7设计参数

  图5.8车厢的六阶模态

  5.8分析结果总结

  强度分析中由车厢种变形云图可以看出,车厢的前端变形最小,中间部分的变形最大。这是因为车厢货物和各个部分的载荷在中间部分承载引起的。。因此这几种工况分析都符合实际情况。

  模态分析中由车厢的弯矩分析中可以看出,车厢的六阶模态的位移量最大,其值为3.16mm。从扭矩分析中可以看出车厢的六阶模态位移量最大,其值为3.11mm。从共振频率来看,六阶的共振频率最大,其值为7.96Hz。本文设计的安全系数为n=1.07,车架的结构强度满足要求[9-12]。