基于ANSYS的散料運輸車底架的靜態及模態分析

張毅杰，孔令瓊，施杰，鄒歡

（云南農業大學a.工程技術學院，b.水利水電與建筑學院;云南昆明 650201）

0 引言

隨著我國鐵道線路結構朝著高速、重型化方向迅猛發展，對大型養路機械的技術要求越來越高。本文研究的散料自動裝卸運輸車是某大型養路機械廠在引進國外技術的基礎上，通過自主創新研發的新型養路機械，該車底架是承受物料的關鍵部件，其結構強度是否滿足要求是設計的一個關鍵指標。如何運用現代設計方法對底架進行工程分析，以期在底架投入使用之前，預先發現潛在的設計問題從而進行設計改進，無疑是一個值得研究的重要課題。本文運用有限元方法，基于ANSYS分析軟件對底架進行了靜態和模態分析，分析結果為底架的設計改進提供了有益的參考和依據。

1 有限元分析基本原理［1］

有限元分析可應用于多種類型的物理問題，它是將彈性連續體劃分成有限個小單元，單元在節點處相互連接，單元組稱為網格。運用相對簡單的方程來描述每個單元行為，用各個小單元力學特性的總和來體現整個連續體的力學特征。

有限元分析求解的三個基本方程:

表示單元應變εe與節點位移δe的關系矩陣，B稱應變矩陣。

表示單元應力以節點位移來表示的方程，其中D[]為單元彈性矩陣。

表示由虛功原理導出的節點力以節點位移表示的方程，其中單元剛度矩陣。

2 底架結構綜述

2.1 散料自動裝卸運輸車結構概述

該散料車承載主體結構為物料儲運箱及其下面支撐的集裝箱平板車，車體模型圖如圖1所示。

由于平板車直接選用鐵路標準件，其結構強度易于保證。而位于物料儲運箱最下端的底架由橫梁和縱梁交錯構成，結構和受力較為復雜，其靜力特性和動態特性成為結構分析中的關鍵問題。

圖1 散料車立體模型

2.2 底架受力分析

底架主體結構由九根橫梁和一根縱梁組成，橫梁和縱梁分別采用16Mn方形和矩形鋼管，底架局部結構如圖2所示。

圖2 底架局部示意圖

各橫梁兩端焊接在儲運箱側架上，側架又焊接在車體機架上，兩側受到的力基本上由側架和機架承受，而來自鏈條式傳送帶的物料載荷主要集中在底架中部，即中間的縱梁上，因此，中間縱梁與各橫梁銜接處是結構分析的重點。底架受力示意見圖3。

圖3 受力示意圖

圖中FA、FB、FC分別為滿載物料的均布載荷按每240mm等分處理后施加在兩端和中間的力，計算結果見表1。

表1 各支點承載

3 底架靜態分析

3.1 創建底架有限元模型

3.1.1 創建底架幾何模型

由于底架模型相對簡單，再者為了避免異構CAD模型轉換中存在的幾何信息容易丟失、無法參數化修改等一系列問題，因此在ANSYS中直接建立底架的幾何模型。

3.1.2 單元選擇

選用殼單元Shell181，該單元能很細致的描述面與面之間的連接，從而詳細分析縱、橫梁銜接處的應力和應變情況。

3.1.3 約束方式

由圖3所示的底架與平車結構聯接特點可知，1、3、5、7、9處不僅位于儲運箱與平車相聯的支架處，而且下端還有若干加強筋加強，因此其所對應的橫梁強度和剛度遠大于 2、4、6、8 處的強度和剛度。

圖3 底架與平車聯接處結構

由以上分析，位移約束處理為:1、3、5、7、9 處橫梁兩端全約束;2、4、6、8處橫梁兩端y向約束。

最終創建的添加約束后底架的有限元模型如圖4所示。

圖4 添加約束后有限元模型

3.2 靜強度分析

在散料車滿載靜止狀態下，將底架自重和計算得到的面載荷施加到縱梁上后，得到應力云圖如圖5所示。

圖5 滿載靜止下的局部應力云圖

由圖可知應力峰值出現在縱橫梁交錯中心處，最大值為143MPa，而當安全系數為2時的16Mn材料的許用應力在175MPa左右。因此，底架在靜止滿載時強度符合要求。

3.3 動強度分析

散料車實際工作中，底架受載較靜強度分析復雜得多。現針對三種典型工況，在靜強度分析的基礎上，進一步分析底架的動強度。

3.3.1 滿載快速傳料輸送工況

當散料車以最大加速度滿載快速傳料時，是底架所處的危險工況之一。由總體設計計算可知，快速傳料時的最大加速度為0.15m/s2，底架此時除受物料載荷和自重外，還承受滿載物料快速啟動時的慣性力，慣性沖擊力為0.001N/mm2，將各部分載荷施加在底架后的應力云圖如圖6所示。應力幅值為157MPa。

圖6 滿載快速傳料工況應力云圖

3.3.2 滿載最大聯掛速度行駛工況

散料車以最大聯掛速度120km/h行駛時，由于高速行駛是沖擊和振動的主要發生源，因此，必須考慮動載荷因素對強度的影響。圖7為考慮動載荷因素后的底架應力云圖，應力幅值為178MPa。

圖7 最大聯掛速度行駛工況應力云圖

3.3.3 緊急制動工況

當滿載運行的散料車緊急制動時，較大的沖擊載荷會施加在底架上。現以最高時速120km/h滿載運行的散料車在20s內緊急制動這一最危險情況，對底架進行有限元分析，分析結果如圖8所示。應力幅值為189MPa。

圖8 滿載緊急制動工況應力云圖

3.4 靜態分析結論

散料車底架的有限元靜力分析結果如表2所示:

表2 各工況下的強度分析結果

有限元分析表明，最大應力出現在圖3所示的2、4、6、8處橫梁和縱梁的交錯中心處。該底架靜強度滿足要求;但動強度分析表明，在滿載最大聯掛速度運行工況和滿載緊急制動工況下強度不足，由于養路機械產品的特殊性，必須提高底架動強度以確保散料自動裝卸運輸車較高的可靠性。

4 底架模態分析

4.1 模態計算結果

由于低階振動對一般的工程結構影響最為顯著［2，3］，因此在ANSYS中僅提取前10階的固有頻率和振型進行模態分析。其中各階振型圖如圖9所示，計算結果見表3。

圖9 底架各階振型圖

4.2 模態結果分析

據相關資料和數據，散料車發動機在正常運行下的爆發頻率為33.3～50Hz，鐵路軌道激振頻率多在11Hz附近［4］。由模態計算結果可以發現，低階頻率一階彎曲和一階扭轉頻率值均低于發動機爆發頻率，避免了底架的整體共振;但第4、5階固有頻率十分接近軌道激振頻率11Hz，易引起局部結構共振;另外，一階彎曲模態和一階扭轉模態的固有頻率間隔較小，兩種模態頻率應該至少錯開3Hz以上，以免發生耦合效應［5］。

5 結論

1）通過基于ANSYS的有限元靜力分析可知底架在滿載最大聯掛速度行駛工況和滿載緊急制動工況下的動強度略有不足，且最大應力出現在縱梁與橫梁的銜接處，因此，需要針對縱橫梁銜接處進行結構改進以提高底架強度。

2）通過基于ANSYS的自由模態分析可知，整體上底架動態特性基本符合底架設計要求，但由于第4、5階固有頻率與鐵軌外部激振頻率十分接近，易出現結構共振。分析結果為后續結構改進剔除有害振型及響應分析提供了重要依據。

表3 模態計算結果及振型特征

［1］薛守義.有限單元法［M］.北京:中國建材工業出版社，2005.2.

［2］尹輝俊，韋志林，沈光烈.貨車車架的有限元分析［J］.機械設計，2005，22（11）:26-28.

［3］張潤生，侯煒.車架剛度及強度的有限元分析［J］.拖拉機與農用運輸車，2007，34（4）:29-33.

［4］中華人民共和國鐵道部TB/Tl335-1996.鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范［s］.北京:中國標準出版社，1996.

［5］李傳博.客車車身有限元建模與靜動態特性分析［D］.合肥:合肥工業大學，2010.

［6］張毅杰.散料自動裝卸運輸車底架的有限元分析及試驗研究［D］.昆明:昆明理工大學，2008.