車架模塊化加載技術(shù)研究

劉慧芬 張曉強 郭紅輝 崔衛(wèi)國 李 青 陳 霞 王江勇

（山西航天清華裝備有限責任公司，長治046012）

1 引言

車架總成作為型號產(chǎn)品的關(guān)鍵部件，需要在制造完成后進行加載試驗，考核在模擬工況下車架的強度、剛度、焊接質(zhì)量、螺栓連接強度等性能是否滿足設(shè)計要求，檢驗車架設(shè)計和生產(chǎn)的質(zhì)量。

此類加載試驗較普通加載試驗跨度更長，加載力更大。因此，需要設(shè)計橫梁、立柱、平臺，結(jié)合車間地錨，實現(xiàn)加載要求。而橫梁和立柱作為大型結(jié)構(gòu)件，生產(chǎn)周期長、成本高，不滿足現(xiàn)階段型號產(chǎn)品時間緊、任務(wù)重的特點。

本文針對車架總成加載的上述特點，在繼承原先車架加載原理的基礎(chǔ)上，提出了一種模塊化、柔性化的加載方式，并對其結(jié)構(gòu)強度進行了有限元分析，進而提高了車架總成的加載試驗效率。

2 車架總成加載試驗方案設(shè)計

以某型號產(chǎn)品車架總成加載試驗工藝裝備設(shè)計為例，對模塊化加載方式進行闡述。

該車架加載試驗工裝主要包含狀態(tài)一、狀態(tài)二兩種工況的加載，對于狀態(tài)一，由于空間位置的限制，加載工裝采用二力桿加載方式加載，對于狀態(tài)二，加載工裝主要采用油缸對加載點直接加載的方式加載，保證試驗數(shù)據(jù)的準確性。

2.1 狀態(tài)一加載

狀態(tài)一工況的加載工裝設(shè)計如圖1所示，根據(jù)車架的二力桿原理設(shè)計[3]，此次加載的力學原理圖如圖2所示。該方案主要由一個門形梁、一個Qh901-214油缸、拉架、支桿、加力梁、油缸支座、四個工藝支腿等組成。Qh901-214 油缸為現(xiàn)有的工裝油缸，可以直接借用，不僅節(jié)約成本，而且提高了工裝安裝效率，進而提高了試驗效率。

圖1 狀態(tài)一加載工況

圖2 狀態(tài)一力學原理圖

加載時，通過Qh901-214 油缸加載，加載方向豎直向下，加載力通過加力梁施加到拉架、支桿及車架組成的固定三角形上，根據(jù)二力桿力學原理，使其分解為拉架向前的拉力（FT）和支桿向下的壓力（FY），通過控制油缸的油壓，即可滿足車架加載載荷的角度及大小要求。

2.2 狀態(tài)二加載

狀態(tài)二工況的加載工裝設(shè)計如圖3所示，此次加載的力學原理圖如圖4所示。該方案主要由兩個門形梁、一個連接梁、三個Qh901-214 油缸、三個連桿、四個工藝支腿、擋板及配重等組成。其中兩個門形梁上面用連接梁連接成為一整體受力桁架結(jié)構(gòu)形式。起豎支耳處載荷的施加主要通過調(diào)整支耳與車架的相對位置，來滿足起豎支耳處加載角度及加載力要求；尾梁回轉(zhuǎn)中心處載荷的施加主要通過調(diào)整車架位置來滿足尾梁回轉(zhuǎn)支耳處加載角度及加載載荷要求。

圖3 狀態(tài)二加載工況

圖4 狀態(tài)二力學原理圖

3 模塊化設(shè)計

3.1 標準梁的設(shè)計

標準梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5所示，目前，設(shè)計有400mm×400mm 和600mm×600mm 兩種規(guī)格的標準梁。400mm×400mm 標準梁孔軸向距130mm，橫向孔距260mm。安裝孔Φ26mm；最短910mm，最長4030mm，共有7 種規(guī)格，如表1所示。

圖5 標準梁模型圖

表1 400mm×400mm 標準梁數(shù)量統(tǒng)計表

600mm×600mm 標準梁孔軸向距200mm，橫向孔距4000mm。安裝孔Φ34mm；最短800mm，最長5600mm，共有7 種規(guī)格，如表2所示。

表2 600mm×600mm 標準梁數(shù)量統(tǒng)計表

由于該標準梁結(jié)構(gòu)的特殊性，可以通過拼接的方式拼搭成需要的結(jié)構(gòu)，來滿足不同的加載需求。

該方案中標準梁組合體1 由兩根600mm×600mm×2400mm 和兩根600mm×600mm×3200mm 的標準梁拼搭而成，如圖6所示。標準梁組合體2 由兩個門型梁和一根400mm×400mm×3510mm 的標準梁拼搭而成，如圖7所示。兩個門型梁分別由兩根600mm×60 0mm×2400mm、兩根600mm×600mm×3200mm 標準梁、兩根600mm×600mm×2400mm 和兩根600mm×6 00mm×4800mm 標準梁拼搭而成。如此采用標準梁拼搭的方式，結(jié)構(gòu)可變性強，實現(xiàn)了模塊化設(shè)計。該方法不僅節(jié)約了成本，而且提高了工裝安裝效率，提升了整體試驗進度，滿足現(xiàn)階段生產(chǎn)任務(wù)重、周期短的生產(chǎn)需求。

圖6 標準梁組合體1

圖7 標準梁組合體2

3.2 地軌的設(shè)計

地軌接口形式采用T 形槽結(jié)構(gòu)，T 形槽與被固定工件的連接方式采用T形槽用螺母和雙頭螺柱（螺栓）或壓板和T 形槽用螺母、雙頭螺柱的連接方式，雙頭螺柱或螺栓采用M30-8.8 級，單個螺柱或螺栓可提供33.7t 的拉力，T 形槽可采用非標形式。

地軌總長20m，寬6m，槽間距600mm。螺柱或螺栓在T 形槽內(nèi)布置間距約200mm，每根地軌每米承受拉力33.7t×5=168.5t。該地軌面積之大，受力之大，可以在任意位置布置所需連接的零部件，實現(xiàn)了柔性化加載。

4 關(guān)鍵零組件的計算與分析

為了保證加載的安全可靠性，對車架加載工裝的關(guān)鍵零組件建立有限元模型并對其進行有限元分析，根據(jù)強度校核理論分析有限元結(jié)果，并優(yōu)化設(shè)計。

4.1 標準梁組合體1 的有限元分析

采用四面體進行網(wǎng)格劃分，在連接油缸支耳的部位進行網(wǎng)格加密，并按狀態(tài)一對該標準梁組合體施加邊界條件，得到了標準梁組合體1 的有限元分析結(jié)果，其應(yīng)力云圖如圖8所示，總位移云圖如圖9所示。

圖8 標準梁組合體1 應(yīng)力云圖

圖9 標準梁組合體1 總位移云圖

從圖8可以看出，標準梁組合體1 最大應(yīng)力101.55MPa，發(fā)生在油缸支耳內(nèi)孔處，標準梁材料為Q345A，材料的屈服極限為345MPa，安全系數(shù)為3.4。滿足車架加載要求。

從圖9可以看出，標準梁組合體1 的最大變形位置在油缸支座耳孔處，最大位移為0.35mm，變形量小，滿足加載要求。

4.2 標準梁組合體2 的有限元分析

對標準梁組合體2 進行四面體網(wǎng)格劃分并按狀態(tài)二工況的最大加載載荷對施加邊界條件，通過仿真求解得到了標準梁組合體2 的有限元分析結(jié)果，其應(yīng)力云圖如圖10所示，總位移云圖如圖11所示。

從圖10可以看出，狀態(tài)二最大應(yīng)力119.72MPa，但發(fā)生在標準梁底面通孔內(nèi)，屬于部分應(yīng)力集中效應(yīng)，加載梁最大應(yīng)力為72MPa，安全系數(shù)為4.8，滿足車架加載要求。

從圖11可以看出，標準梁組合體2 的整體最大變形量為0.88mm，變形量小，滿足加載要求。

圖10 標準梁組合體2 應(yīng)力云圖

圖11 標準梁組合體2 總位移云圖

5 結(jié)束語

標準梁組合體不僅結(jié)構(gòu)可變性強，而且標準梁數(shù)量多、規(guī)格全，基本可以滿足多數(shù)車架加載的要求，實現(xiàn)了模塊化設(shè)計。而且整個試驗均是在地軌上進行的，該地軌長20m，寬6m，基本可以滿足大多數(shù)車架的加載試驗，連接位置、連接方式可根據(jù)實際需要選擇，實現(xiàn)了柔性化設(shè)計。

模塊化、柔性化加載工裝設(shè)計，不僅可以節(jié)約成本，而且工裝安裝效率得以提高，進而提升了整體試驗進度，是未來加載試驗工裝的整體趨勢。