某重型道路清障車(chē)托臂結(jié)構(gòu)有限元分析及試驗(yàn)

孫小軍 仇曉明 王艷輝 趙得智

1 徐州徐工隨車(chē)起重機(jī)有限公司 江蘇徐州 221000；2 燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 河北秦皇島 066000

1 引言

道路清障車(chē)是一款用于道路清障的專(zhuān)用汽車(chē)[1]。道路清障車(chē)能將事故車(chē)輛以及違規(guī)停靠的車(chē)輛迅速拖走，在保持道路通暢方面具有非常重要的作用。托舉裝置是道路清障車(chē)中最主要的工作機(jī)構(gòu)之一，主要是對(duì)事故或違規(guī)車(chē)輛進(jìn)行托舉和牽引[2]。

目前國(guó)內(nèi)很多清障車(chē)的設(shè)計(jì)研發(fā)人員還是采用傳統(tǒng)的方法對(duì)清障車(chē)的各部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，也有一部分設(shè)計(jì)人員在清障車(chē)設(shè)計(jì)過(guò)程中使用了有限元方法[3]。但是，對(duì)于一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)大多是先對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，然后進(jìn)行粗略計(jì)算，計(jì)算出的結(jié)果一般不能反映結(jié)構(gòu)真實(shí)的應(yīng)力情況，這就給設(shè)計(jì)的產(chǎn)品帶來(lái)一定的安全隱患。有限元方法[4]可以準(zhǔn)確地展示復(fù)雜結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力狀態(tài)，借助有限元分析還可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的改進(jìn)和優(yōu)化[5]。因此，運(yùn)用有限元方法對(duì)清障車(chē)進(jìn)行深入研究十分必要。

本文利用ANSYS中的APDL語(yǔ)言建立某重型道路清障車(chē)托臂結(jié)構(gòu)的參數(shù)化有限元模型，選取Solid實(shí)體單元建立臂體有限元模型，采用面面接觸單元模擬各節(jié)臂體與滑塊之間的滑動(dòng)副，利用Link單元模擬液壓缸的伸縮，使用Beam單元模擬銷(xiāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。選取托臂的典型工況進(jìn)行應(yīng)力試驗(yàn)，驗(yàn)證有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 托臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

托臂結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由圖可見(jiàn)，托臂由托臂變幅油缸、垂直伸縮油缸、雙胞胎油缸、小變幅油缸、垂直基本臂、垂直一伸臂、水平基本臂、水平一伸臂、水平二伸臂、擺臂、托舉輔具和其他各附件組成。垂直基本臂上鉸點(diǎn)通過(guò)變幅油缸與車(chē)架連接；垂直基本臂下鉸點(diǎn)通過(guò)銷(xiāo)軸與車(chē)架托臂安裝座鉸接；垂直基本臂與垂直一節(jié)臂通過(guò)垂直伸縮油缸連接；水平基本臂與垂直一伸臂通過(guò)銷(xiāo)軸鉸接，利用小變幅油缸控制水平臂的變幅；三節(jié)水平臂之間的連接是通過(guò)雙胞胎伸縮油缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。以豎直平面為基準(zhǔn)，托臂垂直臂可實(shí)現(xiàn)-10°～10°的變幅角度。以水平面為基準(zhǔn)，托臂水平臂可實(shí)現(xiàn)-10°～90°的變幅角度。

圖1 托臂結(jié)構(gòu)示意圖

托臂結(jié)構(gòu)所用材料主要為鋼板和尼龍，其中鋼板共采用了5種類(lèi)型。托臂結(jié)構(gòu)所采用材料的特性參數(shù)如表1所示。

表1 材料特性參數(shù)

3 有限元模型

3.1 建立有限元模型

托臂為復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)，若按實(shí)際結(jié)構(gòu)建立參數(shù)化模型，將會(huì)導(dǎo)致有限元局部網(wǎng)格質(zhì)量較差，影響計(jì)算精度甚至無(wú)法計(jì)算，所以在建立有限元模型時(shí)需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化主要包括以下幾個(gè)方面：第一，省略尺寸較小且不影響結(jié)構(gòu)受力的零件及特征；第二，省略螺母、螺栓、螺釘?shù)冗B接件；第三，某些板材是折彎板，省略折彎圓角。

建立有限元模型時(shí)，選擇的單元類(lèi)型是否恰當(dāng)決定著模型是否能夠進(jìn)行求解，也決定著求解結(jié)果的精度。通常，在保證計(jì)算精度的前提下，應(yīng)盡量選擇維數(shù)低的單元去獲取預(yù)期的結(jié)果，減少求解所用時(shí)間。本模型中主要采用了Targe170、Conta173、Link180、Solid185、Beam188、Mesh200 單元，通過(guò) ANSYS 內(nèi)部的APDL參數(shù)化建模語(yǔ)言，采用自底向上的建模方法建立托臂有限元模型。

3.2 約束及加載

約束：在托臂與車(chē)架連接的油缸端部施加UX、UY、UZ 3個(gè)方向的平動(dòng)約束；在托臂下鉸點(diǎn)銷(xiāo)軸的兩端施加UX、UY、UZ 3個(gè)方向的平動(dòng)約束。

加載：在托載輔具上加載對(duì)稱(chēng)的托舉載荷并考慮托臂自重。托臂約束及加載模型如圖2所示。

3.3 工況分析

選取垂直臂變幅-10°、0°和10°，托臂全伸及全縮共計(jì)6種典型工況進(jìn)行計(jì)算，各工況詳細(xì)參數(shù)如表2所示。

表2 托臂工作典型工作狀態(tài)列表

3.4 各節(jié)臂體強(qiáng)度分析

根據(jù)6種典型工況的計(jì)算結(jié)果，找出各節(jié)臂體的最大受力工況，對(duì)受力最大時(shí)的各節(jié)臂體進(jìn)行分析，確定其強(qiáng)度是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。各節(jié)臂體受力最大時(shí)的等效應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 各臂體最大等效應(yīng)力云圖

根據(jù)圖3各臂體最大等效應(yīng)力云圖可知，垂直一伸臂、水平基本臂、水平一伸臂、水平二伸臂的最大等效應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力460MPa；垂直基本臂及擺臂的最大等效應(yīng)力超出了許用應(yīng)力，但并未超出屈服強(qiáng)度極限690MPa，且超出許用應(yīng)力的區(qū)域較小。所以托臂結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足6種典型工況的強(qiáng)度要求。

4 應(yīng)力試驗(yàn)

應(yīng)力試驗(yàn)采用DH3815N應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，如圖4所示。根據(jù)托臂有限元計(jì)算結(jié)果選取應(yīng)力較大的位置，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，計(jì)算測(cè)試位置的等效應(yīng)力值；然后與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。測(cè)試點(diǎn)位置及編號(hào)如圖5所示，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選取工況二進(jìn)行試驗(yàn)。

圖4 DH3815N應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)

圖5 測(cè)試點(diǎn)位置及編號(hào)示意圖

如圖6所示，選用45°直角型應(yīng)變花進(jìn)行試驗(yàn)。用下列公式來(lái)計(jì)算測(cè)試點(diǎn)的主應(yīng)變、主應(yīng)力及等效應(yīng)力。

主應(yīng)變 ξ1，2為

主應(yīng)力 σ1，2為

等效應(yīng)力σ為

式中：ξ0、ξ45、ξ90分別表示 0°、45°、90°方向應(yīng)變。

圖6 45°直角型應(yīng)變花示意圖

試驗(yàn)后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)按上述方法計(jì)算各測(cè)試點(diǎn)的等效應(yīng)力，并與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

表3 試驗(yàn)應(yīng)力值與計(jì)算應(yīng)力值對(duì)比

由表可見(jiàn)，測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試值和有限元分析值相比的絕對(duì)誤差都很小，試驗(yàn)應(yīng)力值與有限元計(jì)算應(yīng)力值的符合度較好，相對(duì)誤差均在10%以?xún)?nèi)，證明該托臂有限元分析的結(jié)果是正確的。因此，可以將有限元計(jì)算結(jié)果作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論參考。

5 結(jié)論

本文對(duì)托臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，首先選取正確的單元建立參數(shù)化有限元模型，并運(yùn)用恰當(dāng)?shù)姆绞綄⒏鞑考M(jìn)行裝配；然后通過(guò)施加合理的邊界條件和載荷對(duì)托臂模型進(jìn)行了靜力學(xué)分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定了托臂在6種典型工況下的強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，并通過(guò)應(yīng)力試驗(yàn)驗(yàn)證了有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。