自卸車自卸系統受力及仿真分析

司敏捷

中國重汽集團青島重工有限公司 山東 青島 266111

引言

自卸車經常在復雜多變的路況上行駛以及在各種工況下工作，工作條件惡劣，在設計初期必須對自卸車的零部件性能提出更高的要求。自卸系統作為自卸車的關鍵組件，起到舉升卸載、回程作用，其結構可靠性關系到自卸車能否正常工作，以及自卸車的安全性，是影響整車性能的關鍵部件。自卸系統中的上支座作為連接件，連接油缸總成和車箱總成，確保舉升力能作用到箱體；翻轉軸支座連接箱體底部與副車架，起到翻轉支撐作用。自卸車在舉升工作及行駛在顛簸路面時，上支座、翻轉軸支座受到的載荷復雜多變，隨著作業時增長，支座會出現疲勞破壞現象。針對這一問題，本文以市場上某款自卸車U型車箱為研究對象，對自卸系統在舉升卸載、回程整個周期內進行受力分析，并借助CAE軟件對自卸系統部件進行靜力學以及疲勞分析，校核結構強度和疲勞壽命。結合理論分析和仿真分析，有助于在設計初期為自卸系統的結構設計提供方向，提高其可靠性。

1 自卸系統受力分析

1.1 理論分析

由機械原理可知，自卸系統類似一個連桿機構系統，其搖桿（油缸）可以伸縮，為更好的研究自卸系統在舉升、回程整個周期中的受力狀態，對其進行簡化，在舉升初始時刻，箱體開始脫離副車架，經過油缸舉升作用，舉升角達到α，此時箱體主要承受底板翻轉軸在A點的反作用力、貨物加上箱體重量、油缸上支座B點反作用力。始時刻箱體中心距支座A點X方向距離；L1為舉升初始時刻箱體中心距支座B點X方向距離。

1.2 動力學仿真分析

MSC.ADAMS是一款多體動力學仿真分析軟件，可對機械系統的部件定義驅動和約束關系,施加外力或強制運動,構建機械系統的仿真模型，可同時顯示多次仿真結果的動畫以及數據曲線及干涉碰撞檢測等。本文以某自卸車為例，借助ADAMS軟件建立自卸系統樣機模型，以獲取樣機模型在整個工作周期內各關鍵點的受力情況，為自卸系統結構優化設計和受力分析提供依據。在ADAMS中對自卸系統各部件的連接處施加約束，副車架與地面固定連接；油缸第一節末端與副車架上的下支座用轉動副連接；油缸末節與上支座用轉動副連接；翻轉支座與副車架轉軸之間用轉動副連接。對油缸施加移動副，并定義移動驅動，利用階躍函數step(time,x0,h0,x1,h1)對驅動定義直線速度。

2 自卸系統強度及疲勞分析

2.1 支座靜力學分析

依據上述對自卸系統的受力分析，得到了上支座和翻轉軸支座作用力隨時間變化的曲線，借助ABAQUS有限元分析軟件，對上支座和翻轉軸支座進行有限元分析，校核其結構強度剛度是否滿足設計需求。首先在hypermesh中劃分網格，翻轉支座為折彎件，對其抽取中面，劃分四邊形網格，翻轉支座軸筒與支架通過焊縫連接，利用rbe3+實體單元方式模擬焊接連接；上支座為鑄鋼件，對其劃分六面體網格，將網格導入ABAQUS軟件中，定義材料屬性、載荷及邊界條件。在上支座轉軸孔處以及翻轉軸軸筒中心處設置參考點，然后利用coupling連接方式將參考點與軸筒內壁的節點關聯，將載荷施加在參考節點上。對上支架的螺栓孔處施加固定約束；對翻轉軸支架與底板焊接處施加固定約束。分別對上支座和翻轉軸支座進行靜力分析，載荷取上述作用力曲線中的最大值，經過有限元分析，得到支座結構應力分布云圖。從應力云圖可知，上支座最大等效應力為303.65Mpa，出現在螺栓孔連接處，超過了材料的屈服強度，未達到材料抗拉極限；翻轉軸支座的最大等效應力出現在軸筒與支架的焊接處，最大值為177.85Mpa，Q235低碳鋼的焊接材料一般選擇E43型號焊條，該焊條的抗拉強度≥421MPa，在該分析中，焊核是安全的，滿足設計需求。

2.2 支座疲勞分析

疲勞破壞是結構件主要的失效形式，大多數結構在靜載條件滿足設計需求，但是隨著使用時間的累計，逐漸產生疲勞裂紋，最終斷裂失效。疲勞現象發生的原因在于結構在交變應力或應變的作用下發生了性能變化。疲勞分析方法中的名義應力法主要應用于高周疲勞分析，該方法起源于19世紀，是目前應用最為廣泛的疲勞壽命計算方法。該方法首先需要對結構進行靜力學分析，獲取結構危險點出的應力，然后結合材料的S-N曲線，計算危險點部位的應力集中系數，最后根據Miner線性損傷累計法則計算零件的壽命。自卸系統支座在自卸車工作狀態下使用頻次較高，容易出現疲勞失效，借助在ADMAS中分析得到的支座作用力曲線以及在ABAQUS中分析得到的靜力學結果，利用FE-SAFE疲勞分析軟件，對支座進行疲勞分析，計算支座的疲勞壽命。支座在自卸車油缸舉升到回程整個周期內受到的載荷大小，將該載荷曲線作為疲勞載荷譜輸入，對支座進行疲勞壽命估算。在FE-SAFE中設定結構表面粗糙度以及載荷譜，依據軟件自帶Seeger’smethod方法擬合S-N曲線，只需給定材料的抗拉強度、彈性模量即可，最后求解得到結構的疲勞壽命。上支座的危險點處的最低疲勞壽命為372200次循環，油缸經過372200次周期（舉升至回程）后，支座螺栓孔處會發生疲勞破壞，翻轉軸支座危險點處的最低疲勞壽命為3326000次循環，表明經過3326000次周期（舉升至回程）后，翻轉軸支座處會發生疲勞破壞；依據標準《QC/T223-2010自卸車試驗方法》，自卸車自卸系統需要連續舉升超過3000次，保證自卸系統部件不能發生破壞。仿真分析得出的疲勞壽命大于標準所規定的3000次，表明該結構符合設計要求。

3 結語

1）通過理論分析，對自卸車的自卸系統進行了受力分析，并結合ADAMS軟件對自卸系統進行了動態仿真，得到了上支座以及翻轉軸支座作用力變化曲線圖，為自卸系統的設計提供了依據。2）對上支座及翻轉軸支座進了結構靜力分析，校核了其結構強度，結果表明：結構等效應力未超過材料屈服強度，結構強度能滿足設計需求。3）依據靜力學分析結果，對上支座及翻轉軸支座進行了疲勞壽命分析，結果表明：支座結構疲勞壽命大于標準規定數值，滿足設計需求。