摘 要：文章以SolidWorks Simulation有限元軟件為平臺(tái)，結(jié)合簡(jiǎn)化經(jīng)驗(yàn)公式，分析冶金車輛車架鋼結(jié)構(gòu)與薄板混合模型的應(yīng)力分布情況。

關(guān)鍵詞：SolidWorks Simulation；有限元；車架

1 概述

SolidWorks Simulation是一款基于有限元技術(shù)的設(shè)計(jì)分析軟件，是SRAC開發(fā)的工程分析軟件產(chǎn)品之一。它使計(jì)算力學(xué)的任務(wù)從被動(dòng)的校核上升為主動(dòng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，成為目前設(shè)計(jì)的重要工具之一。傳統(tǒng)的冶金運(yùn)輸車車架的設(shè)計(jì)一般根據(jù)工程設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段制定多個(gè)設(shè)計(jì)方案，用簡(jiǎn)化計(jì)算方法或有限元法對(duì)車架進(jìn)行分析，在多個(gè)設(shè)計(jì)方案中選出較好的方案，然后對(duì)車架進(jìn)行試驗(yàn)。作者以出口南亞某國(guó)的100t軋輥運(yùn)輸車的車架為模型，采用簡(jiǎn)化計(jì)算方法和SolidWorks Simulation 有限元分析方法來(lái)校核車架。

2 100t軋輥運(yùn)輸車車架參數(shù)化建模

該冶金專用車的動(dòng)力源為電機(jī)，電機(jī)將動(dòng)力通過(guò)減速器、聯(lián)軸器傳送至車輪。其特點(diǎn)一是承載量大，總載重量為100噸，自重超過(guò)14噸：二是速度低，以30米每分鐘的速度行走在平直的軌道上。承載結(jié)構(gòu)由車架和行走裝置組成。車架結(jié)構(gòu)由優(yōu)質(zhì)碳素鋼板和工字鋼焊接而成，其主要承受軋輥、減速器、電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)軸等載荷。行走裝置的主、從動(dòng)輪通過(guò)軸承與車架的縱梁直接剛性連接，因此在分析時(shí)可不考慮行走裝置的影響。

2.1 根據(jù)材料力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

設(shè)計(jì)參數(shù)：

自重G0=13.4t；載重G1=100t；車長(zhǎng)L=6.33m；輪距L1=3.6m；臺(tái)面鋼板長(zhǎng)度a=522mm；臺(tái)面鋼板厚度b=25mm；型鋼高度h=400mm。

圖1 主梁截面圖

由公式 Mmax=1/8*q*L1*L1 得 Mmax=145.11 nm；截面模量W =I/e 得 W=2.64*106mm3

計(jì)算應(yīng)力σ=Mmax/W 得σ=55MPa。（圖1）

2.2 SolidWorks Simulation分析

在平直的軌道上，這次計(jì)算只選用了彎曲工況，由于車架和行走機(jī)構(gòu)的連接是通過(guò)無(wú)彈性元件也無(wú)阻尼器件的剛性連接，所以對(duì)車架的邊界約束，可直接采用作用于懸架與車架連接處的前、后共4個(gè)面約束，前約束允許沿X軸方向的位移，后約束限制全部自由度。約束面積的大小為連接軸的直徑乘以其與車架實(shí)際接觸的長(zhǎng)度。

車架是由工字鋼作為橫梁與25mm厚的鋼板焊接而成。在SolidWorks Simulation模型處理中：型鋼類結(jié)構(gòu)件適合采用焊接方式建模，在做CAE分析時(shí)，就不需要處理單元類型，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別為橫梁?jiǎn)卧?/p>

薄板類在做CAE分析時(shí)，就不要出來(lái)單元類型，自動(dòng)識(shí)別為殼單元類型。在SolidWorks Simulation 中只要長(zhǎng)度、寬度尺寸和厚度尺寸相比，大于10倍的板類零件，做CAE分析時(shí)，自動(dòng)識(shí)別為殼單元，省去了處理單元類型的麻煩。在推導(dǎo)橫梁?jiǎn)卧膭偠染仃囀剑袡M梁的橫截面信息已經(jīng)做為參數(shù)計(jì)算在內(nèi)。因此，最終的網(wǎng)絡(luò)源自于接點(diǎn)的線框。由接點(diǎn)確定的直線或曲線段將被劃分為橫梁?jiǎn)卧?。在SolidWorks Simulation中接點(diǎn)是自動(dòng)獲取得到的。每個(gè)橫梁的端點(diǎn)都要6個(gè)自由度，對(duì)這6個(gè)自由度進(jìn)行約束及釋放能夠代表各式各樣的連接情況。

100t軋輥運(yùn)輸車車架是型鋼類、薄板類混合建模一種模型。在SolidWorks Simulation 中做CAE分析時(shí)需要將模型建成裝配件。（見圖2）。

圖2 車架有限元模型

網(wǎng)絡(luò)劃分，離散化結(jié)果（見圖3）。

圖3

橫梁折彎應(yīng)力結(jié)果（見圖4）。

圖4

通過(guò)計(jì)算，車架沿垂直方向的變形呈“U”形，中間加載處的位移最大為1.3mm，縱梁的兩端最大位移為0.6mm此外，車架的縱梁有沿垂直方向的翹曲現(xiàn)象，而這些變形較小，不會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)的輸出軸、減速器與車輪之間的傳動(dòng)配合產(chǎn)生不利影響。從應(yīng)力分布圖及計(jì)算結(jié)果可知，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在其中的一個(gè)約束處為45Mpa。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章以有限元軟件SolidWorks Simulation為工具，結(jié)合機(jī)械力學(xué)經(jīng)驗(yàn)簡(jiǎn)化公式，以出口產(chǎn)品100t軋輥運(yùn)輸車車架為研究對(duì)象，分析在滿載情況下車架應(yīng)力分布，為產(chǎn)品的可靠性提供理論保證，為產(chǎn)品的進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供可能性。

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作者簡(jiǎn)介：楊立志（1980-），男，工程師，從事冶金車輛設(shè)計(jì)研究工作。