智能噴霧車駕駛室強度分析及結構優化

2015-08-09 02:29:32申江峰何玉靜余泳昌

河南科技 2015年9期

申江峰何玉靜余泳昌

（河南農業大學，河南鄭州 450002）

人們在農業生產中不僅要求高的工作效率和質量，而且對農業生產中安全性的要求也越來越高。本文根據這一觀點把有限元理論應用在智能噴霧車駕駛室的設計上，確保駕駛員在駕駛室中能夠安全地工作。傳統的駕駛室由于在幾何建模時采用了過多的簡化處理，使得計算結果不夠精確，在具體結構設計時往往采用偏于安全的放大，來彌補理論設計誤差的影響，不僅費時費工，而且造成資源的過度消耗?，F代產品正朝著高速、高效、高精度、高性能、低成本等方向發展，傳統的設計方法已無法滿足現在的需求。近年來，在數值分析方法和計算機技術的支持下，有限元分析方法為解決這些復雜的計算問題提供了有效的途徑，即使在解決復雜工程問題時也不需做很多簡化，而且速度快、計算精度高，在實際工程應用中，有限元分析軟件和CAD系統的集成應用使得設計水平發生了質的飛躍。本文應用非線性有限元方法和彈塑性理論對拖拉機駕駛室的安全強度進行了分析和預估，以期能實現在設計階段對拖拉機駕駛室進行安全強度預估［1-2］。

1 駕駛室的安全強度準則

駕駛室是駕駛員工作的一個關鍵位置，保證駕駛室的安全既保證了駕駛員的人身安全同時也能保證噴霧車的正常行駛和工作。因此，在發生落物事故時，駕駛室能保護駕駛員不被下落物體擊中；在發生翻車事故時，遇到較軟的地面保護結構能夠扎入地面并支撐機器的自重，遇到硬地面時保護結構能發生塑形變形吸收沖擊量，并能承受一定的載荷，保證駕駛室留有足夠的空間，這就是其安全準則。該準則和駕駛室的強度和剛度有關，因而要對駕駛室的強度和剛度進行分析［3］。

1.1 強度分析

強度是指材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。而強度分析是結構在常溫條件下承受載荷的能力。然而對空間幾何結構來說，需要計算它的3個主應力，即σ1、σ2、σ3。通過應力強度理論分析可計算出等效應力，而強度設計要求可以通過材料失效準則來判定。

由于其他不可預料因素，通常情況下則會對其結構預留強度儲備，即安全系數S。針對結構不同的使用場合和設計要求，安全系數S 會有所不同，故產生了許用應力。許用應力是材料極限強度與安全系數的比值，即

駕駛室在受到沖擊的情況下，駕駛室受到的應力σ應小于等于許用應力［σ］，即σ≤［σ］。

1.2 剛度分析

剛度是指材料或結構在受力時抵抗彈性變形的能力，是材料或結構彈性變形難易程度的一個象征。剛度分析是計算結構在受力時產生的彈性變形是否在允許的限度內。例如，結構零件會出現以下情況：零件本身并沒有超出許用強度，只是內部零件間產生了干涉，從而導致產品失效。這說明結構剛度不足，在滿足強度要求時并不一定也滿足了剛度要求。因此，零件剛度分析也尤為重要。

若要確定結構是否變形，首先需要對其進行剛度分析。結構剛度受許多因素影響，它的變形也受結構本身形狀的影響而有所不同，同時也與結構材料的性能有關。因此，在實現同種功能的兩個產品設計時，有時使用材料少的產品具有較好的剛度效能［4-5］。

1.3 應力與應變

應力是指單位面積上所承受的力，而應變是材料在載荷作用下其形狀和尺寸發生變化的一種現象，它可以用變形量與原來尺寸的比值來表示。

若要對結構進行應力和應變計算，需要對對應的結構強度和剛度進行分析。應力與變形都與載荷有關，其間也必然有一定的關聯，于是引入了應變這一概念。假如長度為l，彈性模量為E，橫截面積為A 的構件在載荷p的作用下發生大小δ的變形。

應變ε為構件單位長度的變形量，為無單位物理量，其表達式為：

式中：δ為構件的變形量；

l為構件的原長。

應力δ與載荷橫截面積有如下關系：

式中：P為構件截面承受的載荷；

A為構件受力面積。

應力與應變存在如下關系:

式中：E為材料的彈性模量.

根據以上公式即可推導出結構在載荷作用下的變形:

如果設定k=A*E/L，則可以推導出P=k*δ，如果k為常數，那么構件的變形量與載荷大小成正比，這也就是著名的胡克定律。

通過對材料數據的輸入、約束的定義以及網格的劃分，計算機可以計算出結構的整體剛度矩陣，再依據剛度與載荷的關系推導出應變和變形，最后再根據材料的本構關系計算出單元的應力。

2 駕駛室模型的建立

2.1 三維模型的建立

利用solidworks 軟件中的焊件和鈑金命令創建駕駛室的三維模型，如圖1。駕駛室主要結構參數為：駕駛室框架長度為2 040mm，駕駛室頂寬為740mm，底寬為1 050mm，采用40X40X4的方鋼為標準件，頂部、前部、后部、底部均為鋼板，底板與車架固連在一起。

圖1 駕駛室三維模型

2.2 網格劃分、定義材料及單元模型

將3D 實體模型導入ANSYS Workbench［6-8］中，然后建立坐標系統，劃分網格單元數后為45 868個，節點數為269 922個，如圖2所示。

圖2 駕駛室網格劃分

單元類型為：采用三維20個節點的B4固定結構單元，該單元通過20個節點來定義，每個節點沿著x、y、z平行的自由度，可具有任意空間的各向異性，當單元退化為四面體或正四面體時，則相應的退化形函數被自動使用。

駕駛室框架、底板材料為優質碳素鋼08AL，頂板、后板、前圍采用20號鋼。所用材料的密度為7.85×103kg/m3，彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.3，08AL的抗拉強度為325MPa，屈服極限為195MPa，20 號鋼的抗拉強度為410MPa，屈服極限為245MPa［6］。

3 有限元分析過程及結果

本文采用智能噴霧車的質量為3 000kg，按照下表進行駕駛室實驗模擬。

表1 駕駛室安全強度驗收條件

3.1 側向加載仿真過程

底板固定，將側向載荷施加在駕駛室框架側面，且載荷中心距底板面600mm，直至駕駛室吸收的能量達到1.75m，即1.75×3 000=5 250J 時為止。在加載過程中，若有構件侵入駕駛室，或者應力達到許用應力，則駕駛室強度不合格，停止計算。加載后得到的側壓應力云圖如圖3，側壓應變云圖如圖4，側壓變形云圖如圖5。

綜上所述，側壓加載時，駕駛室在達到標準要求的承載能力過程中沒有任何構件侵入，因此結構強度滿足性能要求。

3.2 前壓加載仿真過程

底板固定，將前向載荷施加在駕駛室前圍鋼板上，且載荷中心距底板面300mm，載荷大小為20X3 000=60 000N。與此同時，在駕駛室框架斜面鋼架上施加均布載荷2Mpa。在加載過程中，若有構件侵入駕駛室，或者應力達到許用應力，則駕駛室強度不合格，停止計算。加載后得到的前壓應力云圖如圖6，前壓應變云圖如圖7，前壓變形云圖如圖8［7-8］。