基于ABAQUS的拖拉機防翻架有限元分析

徐廣生

（信陽市農業機械化技術試驗推廣站，河南信陽464000）

1 ABAQUS中有限元模式的構建方法

ABAQUS軟件在應用過程中，由10個主要模塊：Interaction、Property、Assembly、Visualization、Sketch、Visualization、Sketch、Load、Part、Mesh、Job。在軟件運行過程中，根據順序進行建造模型、數據處理和分析計算。

ABAQUS/CAE的運行原理是在設備安裝的具體參數和零件的基礎上建立有限元模型。首先在Part模塊上建立拖拉機零件，接下來使用Property分析材料特性并且對零件進行切面，在界面上標注材料特性，然后使用Assembly模塊對構建的零件模型進行拼接，得到一個完整的三維模型。在Step模塊中對構建的三維模型進行計算變量和定義分析。在Interaction模塊中按照編程好的程序進行定義零部件的接觸屬性，接觸屬性也可當做載荷的極限約束。在Load模塊中設定好載荷值以及相應接觸條件。使用Mesh模塊對模型進行網格劃分。網格劃分結束后，構建的有限元模型就在軟件上初步形成了，模型中的主要數據全部儲存在建立的數據庫當中。模型構建結束后，運用Job模塊進行提交結果，進行模型的診斷、分析以及計算，上述步驟完成后，將最后的結果輸入到專門的數據庫，用于后期處理各種機械模型。

2 建立基礎模型

2.1 構建仿真有限元模型

拖拉機在使用過程中對部件的強度和剛度要求較高，特別是對防翻架的要求更高。與此同時，防翻架還要具有一定彈性，避免出現事故時對駕駛員造成傷害。因此，拖拉機的防翻架設計要充分考慮到使用材料的屬性。

2.2 建立三維模型

圖1 防翻架三維模型

圖2 網格劃分模型

當前拖拉機所使用的防翻架通常是由兩側立足、上下框架組成。上部框架所使用的材料是鋼板和鋼管的組合體，下部立柱為鋼管、加強筋和連接板組成。在保證有限元分析的前提下，對構建的模型進行適當精簡，運用軟件建立的防翻架，如圖1所示。內頂離座位的高度通常設置為1200mm，在座位上面758mm處安裝600mm寬的防護裝置。在拖拉機方向盤處加裝寬度為588mm的防護裝置，在座位水平800mm處與防護裝置的距離應該在400mm。

2.3 材料屬性

在進行拖拉機防翻架設計時，選用的材料是Q345，該材料的彈性系數是2.53×105MPa，在單向受拉或受壓時，橫向正應變與軸向正應變的絕對值的比值為0.33，密度為6.7×10-6kg/mm，材料的變形速度為10-6m/s。

2.4 網格劃分

在設計拖拉機防翻架時，應用的是鋼材和矩形鋼管，為了提高網格劃分的準確度，使計算過程相對簡便，使用殼單元座位加強筋和鋼板的替代品，使用梁單元代替細長零部件。防翻架網格劃分模型，如圖2所示。

2.5 材料負荷大小的計算以及邊界條件的設定

假設拖拉機設計的質量為1933kg，拖拉機后軸的負荷指數是59.3%，后輪間的距離為1400mm。因為ABAQUS軟件無法進行施加作用力，所以在進行仿真分析時，用移動距離來替換施加作用力效果，經過計算，使距離能夠精確代替作用力施加的效果。①第1次縱向距離變化：在模型頂端的左后方施加244mm的水平距離，此時可以滿足設計要求的負荷，完成后恢復到初始狀態。②第1次擠壓變形：運用IMPORT功能，將步驟①中的結果輸入到其中，在模型頂端施加負荷377kN，施加一段時間后，恢復初始狀態。③側方向施加負荷：將步驟②中的結果輸入到軟件中，在模型的右側施加位移245mm，此距離可以代表施加負荷的大小，然后恢復初始狀態。④第二次擠壓變形：將步驟③的結果輸入到軟件中，在模型頂端施加向下33.7kN的負荷，施加結束后，恢復初始狀態。⑤側向施加負荷：將步驟④的結果輸入到軟件中，然后，在模型頂端施加向右122mm的水平距離，這段距離代替施加負荷的效果，之后恢復初始狀態。經過這五步操作，拖拉機防翻架承載相應的負荷后，駕駛室空間未超出國家標準。所以防翻架的設計能夠起到保護作用。

3 結語

在設計拖拉機防翻架時，運用ABAQUS有限元分析法，可以對拖拉機防翻架的安全性進行精準預測，通過多次對比分析確定最安全的設計方案，同時減少設計時間和試驗的資金投入。