支架有限元分析与结构改进

2013-06-19 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

应用ANSYS软件对自卸车新型特种支架进行建模和分析,主要分析了支架在静力作用下的强度和刚度,并针对不足进行结构改进。分析结果表明新支架结构的强度和刚度满足使用要求,并且应力分布均匀,提高了使用寿命,为后续的结构优化设计提供了经验和参考。

0 前言

SGA3723型矿用汽车是北京首钢重型汽车制造厂与北京科技大学合作,在SGA3722的基础上共同研制开发的重型矿用运输汽车,适用于露天矿山、煤碳、水利、电力以及建筑工地运送散装物料。已经生产多年的SGA3722矿用汽车目前所用的驾驶室支架与水箱支座、水箱罩支撑分别独立布置;结构复杂。各种不同厚度、形状各异的钢板和钢梁组焊而成的复杂箱形构件,存在着质量大、成本高、焊接工艺性差、生产周期长等诸多缺陷。为了降低原料消耗、提高产品结构工艺性、缩短生产周期和提高生产效益,厂家拟对原车进行结构改进设计。

1 新支架结构设计

针对上述问题,在新车设计中作以下改进:

(1)将驾驶室支撑、水箱支撑、水箱罩及走台支撑合为一体。在满足使用要求的情况下,简化结构设计方案,减轻总成的重量、节省布置空间。

(2)合理布置肋板位置。在设计中由于此支架右侧与水箱出水管干涉,考虑到管路的拆装方便,在前面板上开出缺口。因此,背面肋板也要相应移位。

(3)留出车灯安装位置。在不过分削弱结构强度的前提下,与照明设计师共同确定前照灯的安装孔以达到美观协调。

各板材均选用Q235组焊而成。

改进结构由面板、肋板、侧面装饰板、底板以及梯子总成焊接而成,此结构由经验设计完成,还必须对其进行定量分析,以验证结构的可行性并确定最终的设计参数。

2 有限元建模

2.1 模型简化

在汽车CAD/CAE技术中,有限元分析方法和软件技术占据了一个极其重要的位置。对于复杂结构,进行力学性能的研究及优化设计,有限元方法被证明是一种最为成功,应用最广泛的近似分析方法。ANSYS常用的建模方法有2种:(1)在通用CAD软件中建模,并以IGES、STEP等格式导入或者用专为UG、proe、CATIA配置的专用接口程序将其所建模型直接转换过来;(2)用ANSYS前处理模块直接进行建模。

利用ANSYS有限元分析软件进行新支架实体建模,假设焊接的强度足够大,将支架的有限元模型看成刚性连接的整件,不考虑零件焊缝装配搭接情况以及螺栓孔及倒角对结构的影响,不计梯子总成的影响。这样简化处理有利于进行有限元分析计算。

2.2 单元选择

由于此结构件都是由板壁类零件组成,这类板件厚度方向尺寸与长宽方向尺寸相比要小得多。承载时除在其平面内受拉压外,还承受弯扭作用,所以采用壳单元shell63来模拟,它是四节点三维弹性壳单元,每节点有6个自由度。该类型单元适用于薄壁或薄壳结构的纯薄膜应力,纯弯曲应力以及2种应力综合分析,另外,还可用于复合层分析。

2.3 划分网格

对于不同的板材,需要定义不同的实常数。划分网格前手动定义单元大小,对要求精度高的地方,单独划分。

2.4 施加载荷

根据载荷施加的实际情况建立有限元模型过程中,分别在面板顶端相应位置定义加载平面,通过搭接命令将加载面与模型连接成整体。

2.5 约束与边界条件

在设计中,支架自身采用焊接组装,然后通过螺栓联接将底板与车架固连,其顶端面与各支座总成采用螺栓联接。所以需要约束底板的全部自由度。根据上述有限原则,建立支架结构有限元模型。

3 计算结果

建立上述有限元模型后,通过有限元分析软件ANSYS进行分析计算。

由于矿用汽车作业条件非常恶劣,其支架要承受上部驾驶室和水箱自重、走台自重、惯性冲击力、转弯侧倾力等不同工况下载荷。考虑到矿用汽车的实际作业环境,在进行静力学分析时。动载荷系数取2.0,安全系数取1.5.所以材料实际应力应满足

从应力云图发现,为了使肋板避开水箱管路,水箱支座下的肋板进行偏置引起局部位置应力严重,达到94.4MPa,超出了许用应力范围,必须予以改进。

4 结构改进

(1) 为提高支架强度,在水箱支座下部增加适当长度的加强肋,以不干涉水管为宜。

(2)为提高刚度,在新加肋的对面增加通长的肋板。

修正模型后重新进行有限元分析,由分析结果可见:板件最大应力降低到31.2MPa,这是由于新加入的肋板承担了水箱座传递的载荷,肋板位于水箱支座正下方,有效地减少了偏置带来的应力集中现象。表1列出了支架结构改进前后强度和刚度对比,可见改进结构不但降低了结构应力,使各部件受力均匀,而且提高了结构的刚度,各方向的变形减小。

支架有限元分析与结构改进ansys仿真分析图片4