某型裝載機車門扭轉剛度分析及優化*

黃桂華,陳 力,楊晉博,覃 敏,周新星

(1.廣西威翔機械有限公司, 廣西 柳州 545007; 2.廣西科技大學 機械與汽車工程學院, 廣西 柳州 545006)

0 引 言

裝載機車門在工作時需要承受各種力的作用,其中扭轉力是一種常見的工況。如果車門在扭轉工況下的剛度不足,可能會導致車門變形或受力過度,從而影響其使用壽命,嚴重時甚至危及車上人員的安全。

工程機械車門扭轉剛度優化方面,工程師主要采用有限元分析和結構優化方法,通過優化車門結構和材料,提高車門的扭轉剛度和使用壽命,同時降低車門的重量和成本。車門的剛度優化主要集中在車門結構參數的優化設計[1]、車門剛度測試和分析[2]幾個方面。筆者主要采用有限元分析方法,針對扭轉工況車門剛度不足進行結構優化。由于車門部件較多,采用有限元分析中的靈敏度分析[3],篩選出對剛度影響較大的部件,結合實際工程經驗對篩選出的部件進行結構設計優化。最后將優化結構通過有限元仿真平臺進行設計優化驗證。

1 車門扭轉工況有限元分析

1.1 有限元建模

首先對車門模型進行簡化,去除車門塑料件及車門玻璃。為了方便計算和分析,暫時不考慮玻璃和推拉窗的建模,并假設鉸鏈處軸銷不變形且不考慮焊縫失效。把車門全部劃分為殼單元,賦予厚度。采用有限元軟件中的RB2單元模擬螺栓連接及鉸鏈連接,螺栓連接約束6個自由度,鉸鏈連接除轉動軸自由,其余5個自由度約束。采用RB3-acm單元模擬二層及三層板件焊接。網格大小為6 mm,根據CAE有關標準,簡化后的模型如圖1所示。

圖1 車門有限元模型圖2 加載條件

在有限元軟件Hypermesh中,設置材料屬性,材料的彈性模量、泊松比、密度定義,車門的材料參數如表1所列。

表1 車門部件材料參數

1.2 加載設定

當車門受到扭轉力時,需要具備足夠的剛度和結構強度,才能夠承受扭轉力而不發生破壞或變形。加載工況設定兩種:①在鎖上方至門翻邊處施加900 N垂直于門的載荷,模擬車內開關門撞擊力;②鎖下方門邊框處施加900 N垂直于門的載荷,模擬車外開關門撞擊力[4]。兩種工況約束方式相同,鉸鏈可以繞Z軸轉動,鉸鏈與車身連接點約束1～6,鎖位置約束1～3。車門加載條件如圖2所示。

2 結果分析

當車門受到扭轉力時,需要具備足夠的剛度和結構強度,才能夠承受扭轉力而不發生破壞或變形。根據經驗,該企業對該型裝載機車門剛度的規定為:在鎖上方至門翻邊處施加900 N垂直于門的載荷,車門剛度滿足3 500 N/mm標準,結構最大應力應該低于150 MPa;鎖下方門邊框處施加900 N垂直于門的載荷,車門剛度滿足200 N/mm標準,結構最大應力應該低于300 MPa。

將搭建完成的有限元模型導入Optistruct求解器并進行計算。根據Hyperview軟件進行后處理結果分析。

車門剛度計算公式為:

K=F/δ

(1)

式中:F為施加在車門上的力,N;δ為車門觀察點的變形量,mm[5]。工況一位移觀察點為鎖上方至翻邊位置。工況二位移觀察點為門框下方至翻邊處。扭轉工況剛度通過式(1)計算。

根據兩種工況的有限元分析計算可知,該車門的兩種工況剛度及應力未達到企業標準。該型車門漏雨原因是扭轉工況的剛度過小,鎖板外凸原因是鎖板處應力過大。有限元分析分析結果云圖如圖3所示。位移分析結果對比表如表2所列。

圖3 分析結果云圖 車門分析結果圖

表2 有限元分析結果對比表

3 靈敏度分析

在結構設計中,一般需要綜合考慮剛度、質量、安全性等多種因素,而靈敏度分析可快速定位哪些部件對關鍵性能影響較大,從而有針對性地進行優化設計。在篩選出待優化部件后,可根據學術理論和經驗進行結構優化設計。通過改變零件的形狀、尺寸、材料等方面來提高其剛度、強度、耐久性等性能指標。在此過程中,需要綜合考慮設計要求、材料特性、加工工藝、成本等因素,以實現最佳的性能和經濟效益。

對于一個有限元模型,其響應f是一個函數,它依賴于一個向量X=[X1,X2,...,Xn],其中Xi表示第i個設計變量的取值。

則參數Xi的靈敏度Si定義為:

(2)

通過靈敏度分析確定輸入參數對輸出結果影響最大,進而優化模型的設計和參數設置,提高模型的準確性和可靠性[6]。靈敏度分析以板件尺寸為設計變量,以加載點位移及質量最小為響應,約束條件設置為加載點位移滿足目標位移。靈敏度分析板件厚度如表3所列。

表3 靈敏度分析板件厚度表格 /mm

進行靈敏度分析,將計算的結果數據可視化。相對靈敏度圖如圖4所示。由圖4可知,ID:1、2、4、7板件對整體結構的影響最大,故可對該屬性的結構進行結構優化。

圖4 相對靈敏度結果

4 結構優化

根據靈敏度分析結果,結合力學知識與實際工程經驗,對相應部件進行結構優化設計。具體結構優化如圖5所示。結構優化主要集中在車門內板、門鎖處。根據結構力學知識,選擇起筋增加車門剛度,根據有限元后處理結果,結合傳力途徑優化結構。

圖5 結構優化設計

對優化后的車門進行有限元分析求解。從分析結果看,優化后車門剛度性能與強度性能大幅度提升,并滿足設計要求。分析結果對比如表4所列。優化車門有限元結果云圖如圖6所示。

圖6 優化后有限元分析云圖

表4 分析結果對比表

5 結 語

優化后的車門結構在扭轉工況下的剛度和強度得到了顯著的提升。在優化設計中,通過靈敏度分析和力學知識的運用,發現了車門內板中部門框及門鎖處加強板區域存在優化空間。在進行問題區域設計優化后,鎖上方至門翻邊處施加載荷工況,剛度提升94%,應力降低13%。鎖下方門邊框處施加載荷工況,剛度提升148%,應力降低22.7%。 這表明,優化后的車門結構在扭轉工況下具有更好的剛度和強度,能夠更好地承受扭轉力和其他工作條件下的力,從而提高了裝載機車門的結構性能。