基于ANSYS的裝載機前車架結(jié)構(gòu)的有限元分析

潘芳秦，王虎奇，王 健

（廣西科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，廣西 柳州545006）

0 引言

裝載機前車架與裝配在其上的其余部件形成配合，是工作裝置的基礎(chǔ)部件，前車架的強度、剛度決定著整個機械的使用性能[1]。本論文使用有限元分析軟件ANSYS對某裝載機前車架作靜力分析，獲得在各典型工況下的整體應(yīng)力應(yīng)變分布情況。這樣就為裝載機前車架的設(shè)計提供理論支持，達(dá)到了縮短設(shè)計周期、盡量增加經(jīng)濟效益的目的。

1 前車架有限元模型建立

在ANSYS中建立前車架的模型。如圖1所示，選用SOLID45號實體單元，因為該單元用在構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)的。單元用8個節(jié)點來定義，每個節(jié)點有X，Y，Z方向的3個平移自由度。

圖1 前車架三維圖

前車架結(jié)構(gòu)材料用的是16Mn，特性參數(shù)取為：彈性模量 2e5 MPa，泊松比 0.27，密度 7.854E-6kg/mm3，摩擦系數(shù)0.25.

考慮到由于建模的時候模型很復(fù)雜，使用了很多很小的線段。若直接用自由網(wǎng)格劃分的方式進行劃分會出現(xiàn)許多困難，這里先控制模型局部線段的劃分長度，然后再用自由劃網(wǎng)格的方法進行網(wǎng)格劃分，如圖2所示是前車架有限元劃網(wǎng)格后的模型，劃分單元數(shù)299 351，節(jié)點數(shù)88 834.

圖2 前車架有限元模型

前車架這種機構(gòu)與工作裝置、前車橋和后車架相連接，如圖3所示是裝載機整車圖。為了分析的方便，本文將用于連接前車架與后車架E，F(xiàn)點的銷子固定起來；固定住前車架與車橋，并限制住車橋下棱線兩頭節(jié)點沿Y向的平動自由度。

圖3 裝載機整車示意圖[3]

將前車架受到的載荷施加在前車架銷子的中心A1，A2，B，C1，C2 點；當(dāng)工況有驅(qū)動力時，將驅(qū)動力施加在三棱柱下母線兩端G1、G2點；當(dāng)工況有轉(zhuǎn)向力時，施加轉(zhuǎn)向力于鉸銷中心D1、D2點[2]。各鉸銷及限定處如圖4所示。

圖4 前車架載荷作用位置簡圖[4]

2 前車架載荷的計算

據(jù)廠家的資料可以知道，工作裝置與前車架的重量：工作裝置為38.75 kN；前車架為15.5 kN.其中：動臂11.55 kN；搖臂2.7 kN；拉桿0.5 kN；鏟斗15 kN；動臂油缸3.0 kN；搖臂油缸3.0 kN.

為了確保計算載荷的確切性，使用計算機采用等效的方法計算工作裝置對前車架作用的載荷[5]。共分8種工況。

表1給出了2種特殊工況下工作裝置受到的載荷，參數(shù)h與a分別是：h為鏟斗與動臂的鉸結(jié)點到地面的垂直距離，mm；a為鏟斗底部和水平面的夾角，（°）.

表1 工作裝置2種典型工況的載荷描述

由表1給出的2種典型工況下工作裝置受到的載荷，綜合分析并采用等效法求得前車架所受到的所有載荷如表2所示。

表2 前車架2種工況所受到的所有載荷

邊界條件：

前車架與前車橋在下面相連接，并與后車架連接于后面[6]。因為這些非靜定的連接使得前車橋與后車架的剛度決定著前車架的應(yīng)力與變形是肯定的，所以如果要使結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計更精確，就要對裝載機作整體的分析和優(yōu)化，或采用結(jié)構(gòu)系統(tǒng)全局協(xié)調(diào)優(yōu)化，該技術(shù)是陳樹勛教授提出的，本文把前車架單獨立出來進行分析，必定會產(chǎn)生一定誤差。為了減少這種誤差以達(dá)到盡可能得與實際情況相符合的目的，按照上面所述將用于連接前車架與后車架E，F(xiàn)點的銷子固定起來；將前車架與車橋固定，并將車橋下棱線兩端節(jié)點的平動自由度沿Y向約束起來。

3 前車架結(jié)構(gòu)有限元分析

在上述模型的基礎(chǔ)上，分析裝載機在最大掘起力、傾覆崛起、動臂最大掘起力的正載偏載六種工況，以及水平插入正載、最大掘起和剩余牽引正載共八種工況下前車架應(yīng)力和變形分布情況[7]。限于篇幅，這里不一一列出所有工況的的應(yīng)力和變形分布圖，只列出上面提到的兩種工況下的分布圖。發(fā)現(xiàn)當(dāng)裝載機在最大掘起力偏載工況時，前車架最大復(fù)合應(yīng)力達(dá)到了336.065 MPa，而當(dāng)最大掘起和剩余牽引力正載工況時最大位移是1.89 mm.兩種典型工況的應(yīng)力和位移如圖5～圖8所示。

圖5 最大掘起力偏載應(yīng)力分布

圖6 最大掘起力偏載位移分布

圖7 最大掘起和剩余牽引力正載位移分布

圖8 最大掘起和剩余牽引力正載位移分布

從以上的應(yīng)力和變形分布圖可以看出：前車架在鉸銷E處有較大形變，其上部翼箱的外側(cè)有較大形變；限位部分受到的和鉸銷F處受到的應(yīng)力都較大；翼箱與后背板相交的地方應(yīng)力較大;翼箱與翻斗油缸的車架前板、后板受到的應(yīng)力大。出現(xiàn)上半部分應(yīng)力與變形大，下半部分應(yīng)力與變形小的情況的主要原因是：施加在前車架上半部分的動臂支持力、油缸力和翻斗油缸力與施加于其下半部分的力相比大得多，并且基本上是導(dǎo)致前車架上半部分變形的均衡力。從以上工況的應(yīng)力與變形可以看到：偏載工況的最大應(yīng)力和變形部位比正載工況高到9%～30%之間。刮雪工況是最不安全的，次之是最大崛起工況和水平插入工況。

4 總結(jié)

本文以裝載機前車架為研究對象進行有限元的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形分布情況分析，為實際的裝載機設(shè)計制造提供了可靠的研究數(shù)據(jù)和一定的理論基礎(chǔ)。

參考文獻：

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[2]李會勛.CLG856型輪式裝載機前車架結(jié)構(gòu)載荷計算、有限元分析與優(yōu)化設(shè)計[D].南寧：廣西大學(xué)，2006.

[3]崔盼超.裝載機前車架強度與局部焊接應(yīng)力分析[D].廈門：集美大學(xué)，2012.

[4]陳樹勛，梁光明，李會勛.輪式裝載機前車架結(jié)構(gòu)載荷計算、有限元分析與優(yōu)化設(shè)計[J].工程機械，2007（06）：37-42，120.

[5]李宗玉，石沛林.ZL50型裝載機前車架的有限元分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2011（5）：26-30.

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[7]黃少杰.裝載機前車架結(jié)構(gòu)改進及關(guān)鍵焊縫焊接工藝研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2015.