基于有限單元法鉸接式車輛后車架優化分析

李秀芬，王景妍，王 康，高德峰

（黃河科技學院，河南 鄭州 450006）

1 引言

鉸接式車輛具有較好的轉向特性，被廣泛應用于地下巷道或狹窄空間礦山開采中。其運行具有固定的路徑和裝載特性，由于鉸接點的存在，車體受力比剛性連接車輛復雜，同時此類車輛在裝載過程中會出現前后輪單獨離開地面的狀態，因此在設計過程中，需要對受力進行分析，根據分析結果對結構進行優化[1]。后車體包裹有發動機及其他設備，所受載荷更為復雜，因此，對其進行分析，具有重要的應用價值。

國內外學者對鉸接式車輛的設計進行了一定研究：文獻[2]采用自由度耦合技術對某鉸接車的鉸接點傳力進行分析，獲取不同工況下的傳力特點；文獻[3]采用復數矢量法對某鉸接式車輛進行運動分析，獲取不同結構質心位置的加速度變化；文獻[4]運用SAP5程序對某鉸接車輛的車體結構進行模態分析；文獻[5]采用有限元結構分析和試驗數據相結合的方法，對某裝置結構布局進行優化設計。

針對某鉸接式車輛的后車體進行結構優化設計，根據車體的整體受力情況，分析后車體和后車架的受力，在此基礎上，基于有限單元法搭建后車體的強度分析模型；選取水平插入工況、后輪離地工況和前輪離地等三種典型工況，進行強度分析，獲取各種工況下的應力極值點，對極值點進行優化設計；基于應變花法，對優化后的實車結構進行測試分析，選取應力最大值的位置進行分析，并與仿真結果進行對比，以此檢驗分析的可靠性。

2 后車架受力分析

2.1 整車受力

鉸接式車輛在水平插入工況，鏟斗對稱水平受力，工作裝置液壓缸閉鎖[6]。其受力圖，如圖1 所示。

圖1 整車插入工況Fig.1 Complete Vehicle Insertion Conditions

對后輪接地處取矩，則ΣM=0 得：

式中：L2—質心到前輪中心的距離。

在這種工況中，由發動機傳到驅動輪上的切線牽引力必定大于鏟斗插入料堆的阻力和滾動阻力之和[7]，因此，牽引力按輪胎和地面的附著情況確定。

把式（4）式代入到式（3）中，得到鏟斗插入料堆的阻力計算公式為：

式中：φ—附著系數。

2.2 后車體受力

中央鉸接處受力，如圖2 所示。

圖2 后車體整體受力圖Fig.2 The Overall Force Diagram of the Rear Body

由力矩平衡原理建立力學平衡方程：

由ΣX=0 得；

由ΣZ=0 得；

對下鉸接點取距，由ΣM=0 得：

由上式得：

2.3 后車架受力

后車架受力，如圖3 所示。

圖3 后車架受力分析簡圖Fig.3 Schematic Diagram of the Force Analysis of the Rear Frame

由ΣX=0 得；

由ΣZ=0 得；

對下鉸接點取距，由ΣM=0 得：

3 基于有限單元法后車架強度分析

3.1 后車體邊界條件處理

圖4 后車體約束示意圖Fig.4 Rear Car Body Constraint Diagram

后車體在插入工況和前輪離地工況下所受到的力和約束的示意圖，如圖4（a）所示。由實際工作的情況可知，在前進和鏟裝過程中，擺動架只有前側的受到軸向力的作用[8-9]。在對后車體添加約束時，對后車體與擺動架連接處約束做如下處理：擺動架與后車體連接的前側為固定鉸支；后側為移動鉸支。車體在后輪離地工況下所受到的力和約束的示意圖，如圖4（b）所示。

3.2 后車架強度分析

選取水平插入工況、后輪離地工況和前輪離地三種典型工況，對后車架進行強度分析[10]。

3.2.1 水平插入工況

此工況分析結果，如圖5 所示。

圖5 后車架在水平插入工況下強度分析Fig.5 Strength Analysis of the Rear Frame Under Horizontal Insertion

由圖可知，較大應力主要集中在后車架的前半部分，應力較大的部件主要有下鋼帶、與前車架相連的軸承板、左右側板、蓋板和與擺動架相連的前軸承板。放大圖中N 處和O 處。N 處是下崗帶和軸承板的前端部分。較大的應力在這里分布較密集而均勻，一般都在10MPa 左右，其中在有側板與軸承板的焊接處應力突然增大，最大應力為45.2MPa，說明此處有應力集中問題。O 處放大圖的上邊是右側板與上鋼帶的焊接位置，此處有較大的應力，但最大應力為21.2MPa。在右側板與蓋板和與擺動架連接的軸承板的焊接處有較大的應力，最大應力就發生在蓋板、左側板和軸承板的焊接處。在后車架的焊接過程中，應對此處予以重視。后車架在此工況中的最大應力為77.6MPa，第三個和第四個節點是在右側板與軸承板的焊接處。

3.2.2 前輪離地工況

該工況分析結果，如圖6 所示。由圖可知，較大的應力主要分布在整個車架的前端，在下鋼帶前端，軸承板前端、隔板以及與擺動架連接的軸承板處。如圖可知，軸承板與上隔板的焊接處有較大的應力，應力變化平穩，從兩邊向中間逐漸增大，最大應力為25.8MPa。在左側板與軸承板的焊接處有最大應力，此處容易出現應力集中。在下鋼帶的鉸接孔周圍也有較大的應力分布。在與擺動架相連的前軸承板圖中，較大的應力主要分布在鉸接孔的上端，最大應力為41.6MPa。后車架在此工況中，應力最大值為118.9MPa。因此，這兩個位置在車架制造的各個環節給予重視[11]。

圖6 后車架在前輪離地工況下強度分析Fig.6 Strength Analysis of the Rear Frame

3.2.3 后輪離地工況

該工況分析結果，如圖7 所示。

圖7 后車架在后輪離地工況強度分析Fig.7 Strength Analysis of the Rear Frame in the Rear Wheel off the Ground

由圖可知，在此工況下，較大應力主要分布在側板上和下隔板上。在R 處的放大圖中，側板與上鋼帶的焊接處有較大應力，應力從車架的前后兩端向中間逐漸增大，且過度比較平緩。側板與下蓋板的焊接處1 有最大應力，在此處周圍應力過度平緩，但在最大應力處，應力急劇變化，在實際生產中可能存在應力集中現象。在S 處的放大圖中，在軸承板上部的隔板中部有較大應力，應力從兩端向中部逐漸增大，最大值為36.2MPa。在軸承板上的中間軸孔以及下鋼帶上的軸孔周圍有較大的應力，這些部分最大的應力值如圖中的S 處放大圖所示。在此工況下，后車架上的最大應力為64.0MPa。

綜合以上分析，在三種典型工況中，后車架在前輪離地工況下的應力最大。最大應力值為1029MPa，后車架的焊接材料主要是Q345A，其屈服極限為35MPa。在三種工況下，后車架的左右側板和蓋板以及軸承板的焊接處，即圖7（c）中的1 處始終有較高的應力，而且在后輪離地工況和水平插入工況中出現了這個車架的應力最大值。在前輪離地工況中，應力的最大值出現在左側板端部與軸承板的焊接處，此處在實際中可能有應力集中現象。與擺動架相連的前軸承板、下鋼帶、隔板以及軸承板前端在三種工況中都有較高的應力帶。為此，在焊接和檢驗環節應對這些地方予以重視。整個后車架的后半部分在三種工況下應力均很小。

3.3 后車架結構優化

根據后車架強度分析結果，后車體整體滿足材料的使用要求，但部分區域出現了應力集中，因此對設計方案進行適當調整，具體方法為，在尖角位置處采用較大的圓弧過渡，以避免應力集中；將原來的鑄件和焊接件的組合體改為全焊接件；提高焊縫的厚度和焊接的質量[12]；根據整車的設計要求，將原來6°的內傾角改為3.5°。

4 實車測試

采用應變片式應力測試系統對實車進行測試，主要實驗設備及實驗用車，如圖8 所示。

圖8 實驗設備及用車Fig.8 Experimental Equipment and Vehicles

在測試過程中應用應變花，其電阻值為120Ω，其是由三個電阻應變片構成的，測定0°、45°、90°三個選定方向上的線應變[13]。根據分析結果，在后車體的上鉸接板的上側板、與擺動架相連的前軸承板等處布置應變片。布置點，如圖9 所示。

圖9 應變花貼片位置Fig.9 Strain Flower Patch Position

測試過程中，三個方向的應變為：ε0、ε45、ε90，則可得主應變ε1、ε2為：

由主應變，可以獲得被測單元的主應力：

式中：E—被測單元的彈性模量；μ—被測物體泊松比。則材料的等效應力為：

車輛從空載運行開始，進行測試，整個過程包括水平插入工況、產裝工況、前輪離地工況、后輪離地工況等，測試點應力隨時間變化曲線，如圖10 所示。

圖10 測點應力變化曲線Fig.10 Measuring Point Stress Curve

由圖可知，在整個測試過程中，兩個測點的應力波動變化，最大值分別為56.7MPa、109.45MPa 分別與仿真值進行比較，如表1 所示。由分析結果可知，結構優化后，應力最大值均有一定程度的降低，而優化后實測值的最大值與仿真值之間的誤差在6%以內，都小于優化前的數值，表明優化方案是可行的，降低了極值點的應力值，同時也表明仿真分析是可靠的。

表1 測量點的最大值對比Tab.1 Measurement Point Extreme Table

5 結論

（1）在不同的運行工況下，后車體各部分的強度均可以滿足要求，但局部位置存在應力集中的現象，其中應力值較大的部位主要集中在后車體的上、下鉸接板處及軸承安裝處；

（2）擺動架前側擺動軸承板和上鉸接處上側板的應力值較大，采取一定的措施進行結構優化設計，保證安全系數達到使用要求；

（3）采用應變花對優化后實車的應力值進行測試，測點的最大值分別為56.7MPa、109.45MPa，與仿真值之間的誤差小于6%，同時均小于優化前的數值，表明優化方案是可行的，優化設計結果是可靠的。