道路清障車托舉裝置有限元分析與實(shí)驗(yàn)研究

李 偉，王基月，肖新科

（1.鄭州科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450064；2.南陽(yáng)理工學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473004）

1 引言

道路清障車為一款清除道路車輛的專用車輛。就是將發(fā)生故障的車輛托離事故區(qū)域，確保道路順利通行。道路清障車的一個(gè)重要功能是托舉功能，托舉裝置的結(jié)構(gòu)可靠性直接影響車輛的工作性能。目前，有限元計(jì)算方法已經(jīng)在道路清障車的設(shè)計(jì)過(guò)程中普遍應(yīng)用，但是對(duì)于道路清障車的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的計(jì)算，還只停留在依靠一些簡(jiǎn)化模型進(jìn)行粗略估算，很難反映某些局部的真實(shí)應(yīng)力狀況，這樣就導(dǎo)致了對(duì)結(jié)構(gòu)分析的不清楚，產(chǎn)品設(shè)計(jì)出來(lái)，可能存在很大的安全隱患，很可能導(dǎo)致意外事故的發(fā)生。無(wú)論從設(shè)計(jì)人員還是用戶角度來(lái)考慮，對(duì)道路清障車托舉裝置的結(jié)構(gòu)分析和實(shí)驗(yàn)研究都比較重要。

首先，對(duì)企業(yè)提供的道路清障車托舉裝置幾何模型，運(yùn)用Hyper Mesh軟件進(jìn)行處理，建立道路清障車該部分有限元模型。在模型建立完成后，利用ANSYS軟件施加約束和載荷，對(duì)托臂、搖臂在托牽工況下進(jìn)行了靜力學(xué)分析，分析托舉裝置各部件的應(yīng)力情況。其次，應(yīng)用LMS公司的scandas動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試設(shè)備對(duì)托臂、搖臂及副車架進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，托臂9個(gè)測(cè)點(diǎn)，搖臂6個(gè)測(cè)點(diǎn)，副車架4個(gè)測(cè)點(diǎn)，整理了相關(guān)各部件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。最后，對(duì)托臂和搖臂計(jì)算和測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果驗(yàn)證了托舉裝置的模型正確性，提出了托臂危險(xiǎn)區(qū)域的改進(jìn)意見，為同類型道路清障車托舉裝置的計(jì)算分析和實(shí)驗(yàn)研究提供了參考。

2 托舉裝置的有限元模型

托臂有限元分析模型，如圖1所示。根據(jù)某清障車生產(chǎn)企業(yè)提供的三維模型，利用Hyper Mesh建立了托臂的有限元模型，托臂結(jié)構(gòu)形式主要有廂型結(jié)構(gòu)的伸縮臂體和一些支撐板組成，該模型的建模采用四面體二次單元，各節(jié)伸縮臂之間通過(guò)接觸約束連接，為了載荷和邊界條件施加方便，載荷點(diǎn)處采用力分布式約束方程。支撐板、耳板通過(guò)焊接實(shí)現(xiàn)剛性連接的，搖臂與托臂連接銷軸處，施加（X、Y、Z）方向的平動(dòng)約束和釋放繞銷軸旋轉(zhuǎn)的自由度，加載載荷以托臂實(shí)際各工況施加即可，如表1所示。

圖1 托臂有限元分析模型Fig.1 Finite Element Analysis Model of the Bracket Arm

表1 道路清障車分析工況Tab.1 Road Repair Car Analysis Conditions

托臂、搖臂材質(zhì)為Q345，屈服極限為345MPa，材料的彈性模量為210GPa，泊松比設(shè)置0.3，材料密度為7800kg/m3。

3 仿真分析結(jié)果及測(cè)點(diǎn)位置

在托臂全伸和全縮工況下，對(duì)托臂和搖臂模型進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，由于測(cè)點(diǎn)較多，分析結(jié)果以托舉裝置全伸工況進(jìn)行托臂和搖臂受力分析介紹，如圖2所示。全縮工況只給出分析結(jié)果關(guān)鍵數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試的相關(guān)測(cè)點(diǎn)已在分析結(jié)果中標(biāo)出，共9個(gè)測(cè)點(diǎn)位置，前8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)稱布置，為了驗(yàn)證托臂模型的正確性，8個(gè)測(cè)點(diǎn)用來(lái)對(duì)比計(jì)算應(yīng)力。如圖3所示。9點(diǎn)處在應(yīng)力集中的位置，應(yīng)力梯度比較大，所以僅僅用來(lái)判斷測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)力是否較大，不進(jìn)行應(yīng)力對(duì)比。托舉裝置分析結(jié)果，如表2所示。

圖2 全伸工況分析模型Fig.2 The Working Condition Model of Full Stretch

托臂全伸工況1點(diǎn)和2點(diǎn)應(yīng)力值分別為497.6MPa和540MPa，均超過(guò)了材料的屈服極限，所以測(cè)試值對(duì)比僅微應(yīng)變可以參考，因該區(qū)域材料發(fā)生塑變，應(yīng)力無(wú)法用于對(duì)比。而其他部位的應(yīng)力相對(duì)較小。主要原因是測(cè)點(diǎn)1和2位于耳板根部位置，該位置承受很大的彎矩，應(yīng)力最大，測(cè)點(diǎn)3和4，測(cè)點(diǎn)5和6距離載荷位置相對(duì)較近，應(yīng)力較小。測(cè)點(diǎn)9的位置為應(yīng)力集中區(qū)域點(diǎn)，應(yīng)力值大。各測(cè)點(diǎn)分析結(jié)果，如表2所示。搖臂6個(gè)測(cè)點(diǎn)位置對(duì)稱分布，其分析結(jié)果，如圖4所示。全伸工況下測(cè)點(diǎn)5和6應(yīng)力最大，但該部位主要承受的是壓應(yīng)力，強(qiáng)度滿足要求。測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4的應(yīng)力梯度很大，而應(yīng)力值是嚴(yán)格按照測(cè)量位置提取的應(yīng)力，上下或者左右偏差1mm，就會(huì)引起不小的應(yīng)力變化，所以，測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4在進(jìn)行貼片時(shí)，要盡量保證與應(yīng)力云圖上的位置一致。測(cè)點(diǎn)的分析結(jié)果，如表3所示。

圖3 托臂應(yīng)力云圖和測(cè)點(diǎn)位置Fig.3 Arm Stress Nephogram and Observation Points

表2 道路清障車托臂各點(diǎn)應(yīng)力分析結(jié)果Tab.2 Road Repair Car Arm Each Point Stress Analysis Results

表3 道路清障車搖臂各點(diǎn)應(yīng)力分析結(jié)果Tab.3 Rocker Arm Each Point Stress Analysis Results

圖4 搖臂應(yīng)力云圖和測(cè)點(diǎn)位置Fig.4 Rocker Arm Stress Nephogram and Observation Points

4 應(yīng)力實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)據(jù)對(duì)比分析

為了驗(yàn)證有限元模型，對(duì)相關(guān)分析車輛進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)試設(shè)備為L(zhǎng)MS公司的scandas動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀器。測(cè)試工況除了仿真工況外，增加了車輛行駛工況的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。除了托臂和搖臂測(cè)試外，額外增加了副車架的應(yīng)力測(cè)試。副車架一共布置了4個(gè)測(cè)點(diǎn)，各點(diǎn)均采用應(yīng)變片進(jìn)行貼片，具體位置，如圖5所示。道路清障車測(cè)試工況，如表4所示。

表4 道路清障車測(cè)試工況Tab.4 Road Repair Car Test Conditions

4.1 測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果

在所有實(shí)驗(yàn)工況下，儀器實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)為應(yīng)變片的微應(yīng)變，為了更加直觀的與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，將其直接轉(zhuǎn)換成應(yīng)力值，測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)，如表5所示。托臂上的測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2實(shí)測(cè)應(yīng)力值超出材料屈服極限，測(cè)點(diǎn)區(qū)域發(fā)生了塑性變形；托臂全縮工況搖臂的受力最大，測(cè)點(diǎn)5的應(yīng)力值為-336.4MPa，測(cè)點(diǎn)6的應(yīng)力值為-340.3MPa，該區(qū)域主要承受壓應(yīng)力，滿足工作要求，清障車車架上各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力值均較小。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，后續(xù)可以對(duì)副車架行結(jié)構(gòu)減重優(yōu)化，但要保證其結(jié)構(gòu)的可靠性。而托臂局部位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度改進(jìn)工作。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，如圖6所示。

表5 道路清障車各點(diǎn)應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.5 Road Repair Car Each Point Stress Test Data

圖5 副車架的測(cè)點(diǎn)位置Fig.5 Measuring Point Location of Auxiliary Frame

圖6 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 Test on Site

行駛工況：載荷5 t，選取特定的顛簸路面，時(shí)速18km/h下測(cè)試，在試驗(yàn)狀態(tài)下，托臂測(cè)點(diǎn)的時(shí)間-應(yīng)變歷程曲線，如圖7所示。

提取測(cè)點(diǎn)滿載靜止和行駛沖擊（max）的應(yīng)變值，將其轉(zhuǎn)化為應(yīng)力值，測(cè)試數(shù)據(jù)，如表6所示。托臂測(cè)點(diǎn)1和2的應(yīng)力均超出了材料的屈服極限。測(cè)點(diǎn)1滿載靜止和行駛沖擊（max）測(cè)得的微應(yīng)變?yōu)?977和4127，測(cè)點(diǎn)2滿載靜止和行駛沖擊（max）測(cè)得的微應(yīng)變?yōu)?507和3468，由于產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力與應(yīng)變不在滿足線性關(guān)系，表中差異為應(yīng)變的差異，其余各點(diǎn)為應(yīng)力的差異。

圖7 托臂部分測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)間歷程曲線Fig.7 The Strain Time History Curve of Some Stations of the Bracket Arm

表6 行駛狀態(tài)托臂測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.6 Driving State Test Data of the Bracket Arm

4.2 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

工況一：托臂測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的測(cè)試和計(jì)算值均超過(guò)材料的屈服極限，所以測(cè)試值僅微應(yīng)變可以參考，應(yīng)力無(wú)法用于對(duì)比；測(cè)點(diǎn)7和8誤差最大，誤差也只有8%左右，其它點(diǎn)測(cè)試值和計(jì)算值十分相近。

搖臂測(cè)點(diǎn)2與測(cè)點(diǎn)1的測(cè)試值不對(duì)稱，是由于載荷不對(duì)稱和裝配偏差引起的，而計(jì)算值左右相差不大，所以引起測(cè)點(diǎn)2的誤差較大。測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4貼片附近的應(yīng)力梯度很大，測(cè)點(diǎn)3左右相差4mm的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分別為107MPa、164MPa，測(cè)點(diǎn)4左右相差4mm的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分別為100MPa、156MPa，而應(yīng)力值是嚴(yán)格按照測(cè)量位置提取的應(yīng)力，而實(shí)際貼片試驗(yàn)中，貼片位置難免會(huì)有誤差，即使上下或者左右偏差1mm，就會(huì)引起不小的應(yīng)力變化，因此，點(diǎn)3和點(diǎn)4的測(cè)試誤差會(huì)有點(diǎn)偏大。

工況二：托臂的連接支架的裝備左右不對(duì)稱，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值大小不一致，而有限元模型中是嚴(yán)格的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)5的誤差比較大；而測(cè)點(diǎn)8也是由于托舉載荷左右不對(duì)稱，導(dǎo)致測(cè)試值有一定的差異，引起的對(duì)比誤差較大。搖臂測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4貼片附近的應(yīng)力梯度很大，因貼片位置已在工況1確定，搖臂在該位置貼片存在一定誤差，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4的偏差稍大。

表7 測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值誤差分析表Tab.7 The Error Analysis of the Measuring Point Stress Value Table

5 結(jié)論

以某種類型的清障車托舉裝置為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行有限元分析和應(yīng)力測(cè)試，對(duì)計(jì)算和測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，各測(cè)點(diǎn)測(cè)試值與有限元計(jì)算值應(yīng)力趨勢(shì)一致，兩者誤差控制在10%以內(nèi)，數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果驗(yàn)證了模型的正確性。托臂1點(diǎn)和2點(diǎn)的測(cè)試值和計(jì)算值均已超過(guò)屈服極限，該點(diǎn)位置區(qū)域材料雖發(fā)生了塑性變形。但滿足材料抗拉強(qiáng)度的工作要求。在后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，應(yīng)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡可能的對(duì)該部位受力控制在材料的彈性工作范圍內(nèi)。計(jì)算分析結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究的分析方法，對(duì)托舉裝置進(jìn)行下一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可靠的技術(shù)參考，對(duì)相關(guān)清障車新結(jié)構(gòu)托舉裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化分析，具有一定的借鑒意義。