基于SimSolid的礦用特種車輛擺架結構分析*

張娜

(山西天地煤機裝備有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

煤礦井下巷道狹窄，工作環境惡劣，地面多為煤泥和積水，車輛在此類凹凸路面行駛時車身顛簸反復。因此，要求作業車輛能夠提供充足的動力，且路況適應能力強。

目前，鉸接型雙橋驅動的防爆車輛在井下輔助運輸中應用較多。在鉸接車輛中，擺動車架對整車的穩定性和可靠性起到很大的作用[1-2]，因此,有必要對擺架結構進行研究，實現優化車輛結構設計的目的。

1 結構原理

1.1 整車結構

本文所研究的礦用蓄電池車主要用于煤礦井下清理工作面，運輸煤炭、錨桿、皮帶等輔助材料及裝卸、搬運溜槽等[3]。其傳動系統的結構如圖1所示。

將前橋剛性固連于前車架。后橋部分則將擺架鉸接在后車架上，保證車輛在不平整的路面行駛時，后橋可以繞其縱軸擺動一定的角度，改善車輪的附著條件，避免一側離地，從而得到較好的穩定性。

1.2 擺架結構

井下特種車輛，按照試用車型的不同，常用的橫向擺動方式有兩種[4]：

1-前橋； 2-傳動軸； 3-減速器； 4-擺架； 5-后橋。

1) 在中央鉸接處設置回轉支承擺動結構，通過前后車架的相對擺動實現整車的橫向擺動。中央鉸接部與前橋通過回轉支承相連，并可通過限位塊來控制轉角大小,從而繞其轉動。

2) 整車的前、后機架不發生相對擺動，后橋通過擺架鉸接在后機架上，擺架上的限位塊用來限制后橋擺動角度，一般在±8°左右。

本文所研究的擺動車架機構是第二種，與后橋通過驅動橋緊固筋相連。在Solidworks中建立相關的三維模型，具體結構如圖2所示。

圖2 擺動車架布置圖

2 擺架結構強度分析

本文研究的擺架結構為一個焊接件，由主板、連接板、筋板、擺架主體等部分組成，材料為Q550，屈服極限為550 MPa。擺架主體、驅動橋緊固筋用螺栓與后橋固連在一起。

本文所研究的井下蓄電池車整車自重2.1×104kg，額定載荷為7×103kg，對后橋取距得到后橋承受載荷N=147 000 N，擺架限定角度7°。在極限工況下進行分析，需要加一個負荷系數，取最小負荷系數為1.3、最大負荷系數為1.9進行校對，得到相應的Nmin=36 895.3 N,Nmax=67 584.9 N。

2.1 SimSolid軟件的特點

SimSolid是一款新型結構仿真軟件，能在電腦上實現復雜裝配模型的仿真分析，分析能力強。它采用新的計算方法，直接使用原始幾何模型，無需網格劃分，是傳統CAE軟件或CAD嵌入仿真工具分析能力的補充。它將分析范圍擴展到更復雜的或更大的裝配體，并能在幾秒到幾分鐘內提供分析結果。

使用SimSolid進行有限元分析[5]，需要注意以下幾點：

1) 分析時可以使用CAD自身格式幾何體，即可以容忍不精確的幾何體。SimSolid可以對所有幾何細節進行分析，如孔、圓角及其他小特征等。即使有奇異面過渡、小碎片表面等復雜表面，也可保持不變。

2) 無需合并裝配。大多數傳統的有限元分析應用程序推薦進行合并裝配，以幫助網格化，并消除復雜和繁瑣的特殊元素連接。使用SimSolid，無需此操作，只需始終將所有CAD部件分開。

3) 無需擔心大型裝配體。使用SimSolid可以保留螺栓、螺母和墊圈等小零件。即使是帶螺紋的螺栓也可以。SimSolid獨特的自適應解決方案流程可以在具有數百個零件的模型上高效工作。

4) 允許有不完美的連接幾何形狀。 在SimSolid中，裝配零件連接容許間隙(不接觸的幾何形狀)和穿透(重疊的幾何形狀)。它的裝配連接設置簡單、便捷，在處理不規則的接觸面方面是目前業界領先的。

2.2 分析結果

首先導入零件，創建一個新的分析，指定接觸條件，創建連接，設置材料屬性，并創建邊界條件，就可以指定分析過程，得到應力分布圖和應變圖。

1) 圖3為額定值的1.3倍載荷時的應力分布圖和應變圖。從圖3中可以看到，應力最大值為299.00 MPa,對應的擺架最大變形值為1.75 mm，運行速度極快。

2) 將擺架的應力加載至1.9倍，重新計算，可在原來的基礎上修改載荷大小，或者復制模型，重新加載。兩者的計算速度都很快，只是前者在設計樹中顯示1個模型，后者可以看到2個。最終可以得到圖4所示的云圖。從新得到的應力圖中可以發現，載荷變大后，應力最大值為474.40 MPa,擺架最大變形值為2.77 mm。整個仿真過程運行速度極快，縮短了運算時間，是傳統的有限元分析所不能比擬的。

圖3 1.3倍負荷系數下的受力云圖

圖4 1.9倍負荷系數下的受力云圖

3 對比分析

為了驗證SimSolid軟件分析結果的可靠性，將擺架模型在ANSYS中同樣工況下進行分析，并與前面的分析結果進行對比，計算所得結果的誤差，判斷分析的合理性。

在ANSYS中分析時，需要根據實際情況簡化模型，模型導入后仍需要劃分網格，其余分析與SimSolid基本相同。1.9倍和1.3倍負荷系數的分析結果分別見圖5、圖6。

1) 1.9倍負荷系數時該結構最大應力值是450.70 MPa，最大變形量是2.63 mm。

圖5 1.9倍負荷系數下的受力云圖

圖6 1.3倍負荷系數下的受力云圖

2) 1.3倍負荷系數時該結構最大應力值是276.70 MPa，最大變形量是1.62 mm。

3) 將兩次分析所得到的結果進行匯總，如表1所示。由表1可知,SimSolid和ANSYS兩種軟件在u1=1.3時的應力分析誤差為8.05%,應變分析誤差為8.22%;在μ2=1.9時的應力分析誤差為5.26%,應變分析誤差為5.32%。

表1 兩種分析軟件對比

對比表1的誤差可知，此次分析結果可靠，誤差小(在誤差允許的范圍內)。本文所選用的材料為Q550,其對應的屈服極限為550 MPa。在此次分析中，載荷取最大的1.9倍時，擺架的極限應力為474.40 MPa,可滿足這一工況，證明本文所研究的擺架結構是合理的。

4 結論

通過上面的分析可以看出，基于SimSolid的擺架結構的分析，在誤差允許的范圍內，結構設計可靠，運算速度極高，充分說明該新型有限元分析軟件具有獨特的優勢，可以廣泛應用于產品設計的初期，預估產品方案的可行性，節省了分析時間，提高了產品設計效率。