支架有限元分析與結構改進

2013-06-19 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

應用ANSYS軟件對自卸車新型特種支架進行建模和分析,主要分析了支架在靜力作用下的強度和剛度,并針對不足進行結構改進。分析結果表明新支架結構的強度和剛度滿足使用要求,并且應力分布均勻,提高了使用壽命,為后續(xù)的結構優(yōu)化設計提供了經驗和參考。

0 前言

SGA3723型礦用汽車是北京首鋼重型汽車制造廠與北京科技大學合作,在SGA3722的基礎上共同研制開發(fā)的重型礦用運輸汽車,適用于露天礦山、煤碳、水利、電力以及建筑工地運送散裝物料。已經生產多年的SGA3722礦用汽車目前所用的駕駛室支架與水箱支座、水箱罩支撐分別獨立布置;結構復雜。各種不同厚度、形狀各異的鋼板和鋼梁組焊而成的復雜箱形構件,存在著質量大、成本高、焊接工藝性差、生產周期長等諸多缺陷。為了降低原料消耗、提高產品結構工藝性、縮短生產周期和提高生產效益,廠家擬對原車進行結構改進設計。

1 新支架結構設計

針對上述問題,在新車設計中作以下改進:

(1)將駕駛室支撐、水箱支撐、水箱罩及走臺支撐合為一體。在滿足使用要求的情況下,簡化結構設計方案,減輕總成的重量、節(jié)省布置空間。

(2)合理布置肋板位置。在設計中由于此支架右側與水箱出水管干涉,考慮到管路的拆裝方便,在前面板上開出缺口。因此,背面肋板也要相應移位。

(3)留出車燈安裝位置。在不過分削弱結構強度的前提下,與照明設計師共同確定前照燈的安裝孔以達到美觀協(xié)調。

各板材均選用Q235組焊而成。

改進結構由面板、肋板、側面裝飾板、底板以及梯子總成焊接而成,此結構由經驗設計完成,還必須對其進行定量分析,以驗證結構的可行性并確定最終的設計參數。

2 有限元建模

2.1 模型簡化

在汽車CAD/CAE技術中,有限元分析方法和軟件技術占據了一個極其重要的位置。對于復雜結構,進行力學性能的研究及優(yōu)化設計,有限元方法被證明是一種最為成功,應用最廣泛的近似分析方法。ANSYS常用的建模方法有2種:(1)在通用CAD軟件中建模,并以IGES、STEP等格式導入或者用專為UG、proe、CATIA配置的專用接口程序將其所建模型直接轉換過來;(2)用ANSYS前處理模塊直接進行建模。

利用ANSYS有限元分析軟件進行新支架實體建模,假設焊接的強度足夠大,將支架的有限元模型看成剛性連接的整件,不考慮零件焊縫裝配搭接情況以及螺栓孔及倒角對結構的影響,不計梯子總成的影響。這樣簡化處理有利于進行有限元分析計算。

2.2 單元選擇

由于此結構件都是由板壁類零件組成,這類板件厚度方向尺寸與長寬方向尺寸相比要小得多。承載時除在其平面內受拉壓外,還承受彎扭作用,所以采用殼單元shell63來模擬,它是四節(jié)點三維彈性殼單元,每節(jié)點有6個自由度。該類型單元適用于薄壁或薄殼結構的純薄膜應力,純彎曲應力以及2種應力綜合分析,另外,還可用于復合層分析。

2.3 劃分網格

對于不同的板材,需要定義不同的實常數。劃分網格前手動定義單元大小,對要求精度高的地方,單獨劃分。

2.4 施加載荷

根據載荷施加的實際情況建立有限元模型過程中,分別在面板頂端相應位置定義加載平面,通過搭接命令將加載面與模型連接成整體。

2.5 約束與邊界條件

在設計中,支架自身采用焊接組裝,然后通過螺栓聯接將底板與車架固連,其頂端面與各支座總成采用螺栓聯接。所以需要約束底板的全部自由度。根據上述有限原則,建立支架結構有限元模型。

3 計算結果

建立上述有限元模型后,通過有限元分析軟件ANSYS進行分析計算。

由于礦用汽車作業(yè)條件非常惡劣,其支架要承受上部駕駛室和水箱自重、走臺自重、慣性沖擊力、轉彎側傾力等不同工況下載荷?？紤]到礦用汽車的實際作業(yè)環(huán)境,在進行靜力學分析時。動載荷系數取2.0,安全系數取1.5.所以材料實際應力應滿足

從應力云圖發(fā)現,為了使肋板避開水箱管路,水箱支座下的肋板進行偏置引起局部位置應力嚴重,達到94.4MPa,超出了許用應力范圍,必須予以改進。

4 結構改進

(1) 為提高支架強度,在水箱支座下部增加適當長度的加強肋,以不干涉水管為宜。

(2)為提高剛度,在新加肋的對面增加通長的肋板。

修正模型后重新進行有限元分析,由分析結果可見:板件最大應力降低到31.2MPa,這是由于新加入的肋板承擔了水箱座傳遞的載荷,肋板位于水箱支座正下方,有效地減少了偏置帶來的應力集中現象。表1列出了支架結構改進前后強度和剛度對比,可見改進結構不但降低了結構應力,使各部件受力均勻,而且提高了結構的剛度,各方向的變形減小。

支架有限元分析與結構改進ansys仿真分析圖片4