潘朗

摘 要：此文章的目標(biāo)是針對土壤采集車車廂骨架的輕量化研究。針對從約翰迪爾825i型改良而來的土地采集車輛，利用ANSYS workbench 19.1有限元分析軟件，對土地采集車車廂骨架構(gòu)件進(jìn)行了靜力學(xué)與動力學(xué)的分析，結(jié)果表明，在驗證了網(wǎng)格劃分質(zhì)量的情況下，骨架的最大應(yīng)力為41.274 MPa，證明這種改造后的車體骨架不會折斷；同時，對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)其一階模態(tài)為28.145 Hz，所有六階模態(tài)與道路最大激發(fā)頻率25Hz均不會重合，因此在工作狀態(tài)下不會產(chǎn)生共振疲勞。之后，在保證了網(wǎng)格劃分質(zhì)量的前提下，嘗試采用拓?fù)鋬?yōu)化的方式，在保留原車架結(jié)構(gòu)質(zhì)量約60%的情況下令其所受強(qiáng)度低于結(jié)構(gòu)鋼屈服強(qiáng)度，在工作情況下可用。

關(guān)鍵詞：改裝車 有限元 車廂骨架優(yōu)化 輕量化

1 引言

1.1 研究背景

隨著國內(nèi)工程的進(jìn)展，土壤采集車已成為工程其中的一環(huán)并有著至關(guān)重要的意義。在汽車的產(chǎn)品設(shè)計過程中，采用有限元法的研究方法能夠使汽車產(chǎn)品設(shè)計更加合理與準(zhǔn)確。針對某具體型號土壤所采集車輛的車廂結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并通過有限元動態(tài)分析和模擬改善產(chǎn)品設(shè)計特性。

1.2 研究目的和意義

在采集車輛運行過程中，車輛不僅要接受來自路面的持續(xù)負(fù)荷沖擊，還要接受自身發(fā)動機(jī)工作時產(chǎn)生的循環(huán)負(fù)荷的激勵，加上附加負(fù)荷的影響而產(chǎn)生震動和噪音。一旦列車與外部負(fù)載之間頻繁出現(xiàn)共振，則整體列車構(gòu)造的剛度和可靠性就會急劇下降，震動變形和噪音變化也會大幅上升，進(jìn)而嚴(yán)重影響土壤采集車輛的運行穩(wěn)定性、使用舒適性和使用壽命。所以，就必須采用一定的科學(xué)手段對土壤采集車車廂車架的構(gòu)造特性、靜力學(xué)特性、及其在外部負(fù)載刺激下的動態(tài)應(yīng)變特征等開展系統(tǒng)調(diào)研，以便于對土壤采集車車廂構(gòu)造實際存在的問題、現(xiàn)狀加以合理解，為各公司合理改進(jìn)、設(shè)計提供參考。

1.3 研究現(xiàn)狀

有限元結(jié)構(gòu)分析方法的使用場合已相當(dāng)廣闊，范圍幾乎涵蓋到了工程中各領(lǐng)域產(chǎn)品的設(shè)計、分析，乃至整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)。目前對汽車車架的有限元分析研究己由早期的單一構(gòu)件靜態(tài)強(qiáng)度分析方法進(jìn)展到現(xiàn)在的構(gòu)件動態(tài)特性分析方法與優(yōu)化，并獲得了一定成績。

1.4 本文主要研究內(nèi)容

（1）建立車架的有限元模型。通過實地調(diào)查，觀察車廂骨架構(gòu)件的形狀和結(jié)構(gòu)，采用合理的方式構(gòu)建車廂骨架模型。該方法可以為動力學(xué)和靜力學(xué)性能的計算提供較好的理論依據(jù)。

（2）對車輛框架的靜態(tài)性能進(jìn)行了研究。靜態(tài)性能分為剛性與強(qiáng)度兩個方面。對三種不同工況下的改裝汽車進(jìn)行了模擬，即工作工況、制動工況和轉(zhuǎn)向工況。通過對3種工作狀態(tài)下的集土車輛的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度與剛性的計算，得出了其在各種工作狀態(tài)下的受力及變形曲線。

（3）對車輛框架的動態(tài)性能進(jìn)行了研究。由于車輛在日常行車中受到的負(fù)荷也不盡相同，因此對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動態(tài)性能的研究。通過對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)化計算，得到了車身結(jié)構(gòu)的六階自振特性曲線。利用共振法對結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，得到了結(jié)構(gòu)構(gòu)件在結(jié)構(gòu)上的反應(yīng)。這兩種方法為下一步的優(yōu)化工作提供了理論基礎(chǔ)。

（4）車廂骨架拓?fù)鋬?yōu)化。針對某一特定的內(nèi)燃機(jī)工況，對該框架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)配置，并在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行了靜態(tài)計算，以檢驗其精度。

2 車廂結(jié)構(gòu)分析的有限元理論

2.1 有限元基本理論

有限元是利用數(shù)值逼近技術(shù)對實際物理進(jìn)行數(shù)值模擬的一種方法。在一定條件下，該算法可以用簡便的方式求解出一個無限函數(shù)。此解析法采用了一個互連子門限為臨界點的必要條件，假定各元素之間有一個簡單的逼近解，然后用求出臨界點的條件來解決問題。該方法所得到的解并非問題的準(zhǔn)確數(shù)值，而只是一個逼近問題，它可以由一個問題取代實際問題，得到高精度的求解，是一種非常有用和實用的方法。

對于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問題，有限元法的基本步驟是相同的，但具體公式的推導(dǎo)和計算是不同的。有限元求解的基本步驟通常為：

（1）問題求解領(lǐng)域的界定：確定基礎(chǔ)的物理性質(zhì)和幾何形狀，并按現(xiàn)實條件確定。

（2）解域的分散：用有限數(shù)目的單元構(gòu)成的離散域，其尺寸和形狀各異，一般稱之為 FEM網(wǎng)絡(luò)。而且，隨著單元的減小，離散區(qū)域的近似也變得更好，得到了更精確的數(shù)值。在求解局部離散問題時，其關(guān)鍵在于求解局部的離散性問題。

（3）狀態(tài)變量的判定與調(diào)控：一般采用狀態(tài)變量較大、邊界條件周期較大的差分方程來表示，但在有限元分析中，一般采用等價的函數(shù)表示。

（4）單元推演：選取合適的單元座標(biāo)和構(gòu)造單元測試，包含由有限元導(dǎo)出的行列式，得到各個狀態(tài)變量間的離散關(guān)聯(lián)單位，由此構(gòu)造單元矩陣。

（5）總裝解決：把整體組件轉(zhuǎn)換成一個整體的整體總矩陣（復(fù)合式），它體現(xiàn)了在相似的計算領(lǐng)域中，單位功能的連續(xù)性必須符合某些連續(xù)的要求。最終組裝是在相同的單元結(jié)點中進(jìn)行的，并且在這個結(jié)點上，可以連續(xù)地設(shè)置一個狀態(tài)變量和它的微分。

（6）聯(lián)立方程式的解析及結(jié)果的說明：用有限單元方法最后得出了一個聯(lián)立式。聯(lián)立方程可用直接法、迭代法、隨機(jī)法等方法進(jìn)行求解。一般情況下，其數(shù)值都是單位結(jié)的狀態(tài)變量。在此基礎(chǔ)上，我們會將所得到的實際品質(zhì)與所提供的能力進(jìn)行對比，以作評價和決策。

Timoshenko梁法是 ANSYS中的一個重要概念。梁的橫斷面在受到外力作用下，其斷面依然平坦，不會產(chǎn)生彎曲。橫斷面上的剪切力和橫斷面上的剪切力是一樣的。所以，這個模塊對所有的橋都有對應(yīng)的厚度的規(guī)定。此外，因為其要求對結(jié)點進(jìn)行中央負(fù)載。因而，通過對網(wǎng)格進(jìn)行精細(xì)處理，可以保證對集中載荷作用的方向不發(fā)生偏差。同時，由于這種結(jié)構(gòu)的特殊性，在分析線性、大變形和大扭矩等方面也得到了廣泛的運用。壓力強(qiáng)化是一個預(yù)設(shè)的單元，而應(yīng)力強(qiáng)化的選取可以讓這個單元更適用于對曲線進(jìn)行解析，同時也考慮到了橫向和轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性問題。

振動模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性。通過模態(tài)分析，可以了解結(jié)構(gòu)在易受影響的頻率范圍內(nèi)的主要振型特征，預(yù)測在該頻段內(nèi)各種外部或內(nèi)部振動源作用下結(jié)構(gòu)的實際振動響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計和設(shè)備故障診斷的重要方法。

2.2 ANSYS的初步介紹

ANSYS是由美國 ANSYS公司開發(fā)的一種大規(guī)模的 FTEA軟件，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)靜力學(xué)，結(jié)構(gòu)動力學(xué)，剛體動力學(xué)，流體動力學(xué)，結(jié)構(gòu)熱，電磁場，耦合磁場等進(jìn)行數(shù)值模擬。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。本次試驗中將著重采用結(jié)構(gòu)分析中的靜力學(xué)、模態(tài)、諧響應(yīng)分析三種類型，同時也運用到了非線性分析中的拓?fù)鋬?yōu)化。

2.3 有限元實際分析中的注意事項

（1）對于三維模型，每個部件都有3個平動自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度；對于二維模型，每個部件都有2個平動自由度和1個轉(zhuǎn)動自由度。在建立靜態(tài)力學(xué)模型時，需要對各單元的平面和旋轉(zhuǎn)自由度進(jìn)行充分的限定，以防止其發(fā)生非剛性變形，從而使計算結(jié)果難以收斂。就算可以控制，其后果也常常是不正確的。

（2）載荷與約束施加方法有兩種：矢量 Vector 或分量 components。矢量只需給定載荷大小與某一方向，分量需給定某一坐標(biāo)軸的XYZ三個方向的數(shù)值，可以是默認(rèn)全局坐標(biāo)，也可以是用戶建立的坐標(biāo)。在選取為向量時，其定向的概念與CAD程序的基本一致，也就是說，在選取一個面時，向量的方向與平面是垂直的；當(dāng)采用柱形或圓形時，其向量值是沿著軸的方向；當(dāng)邊框/行選定時，沿著邊緣/直線的向量方向；在選取兩個拐角的時候，該向量會沿著兩個圓心的連線。

（3）在固定約束位置會出現(xiàn)應(yīng)力奇異性，因此不能用約束點上的應(yīng)力來確定其結(jié)果。

3 車廂骨架有限元模型的建立

3.1 車廂實體模型

本論文的研究對象是某型號土壤采集車。該車是在約翰迪爾825i型號基礎(chǔ)上，通過安裝本田GX200單缸四沖程汽油機(jī)與機(jī)械臂組合而成的。車廂主要是作為承接機(jī)械臂和安裝發(fā)動機(jī)總成的支架而存在。其中GX200總成約為80公斤，作用于車廂上半部分加裝的平臺上。機(jī)械臂全重約為50公斤，鉚接于車廂右側(cè)靠近車門的位置。車廂骨架主要承載以及受力的梁為60*60mm的實心方形鋼管。

通過采用分片組焊，骨架部分在各端面完成之后進(jìn)行合攏焊接，車廂骨架外蒙皮選擇鋁合金板，厚度1mm。內(nèi)蒙皮材料與厚度相同。

3.2 車廂骨架模型的簡化

有限元分析方法的目的，是為了復(fù)原某個實際工程體系的計算數(shù)學(xué)活動特征。所以，在開展有限元分析方法之前，首先要建立一個關(guān)于特定的工程問題的模型。在實際的工程設(shè)計中，模型的建立往往是十分繁瑣的，幾乎不可能按照原來的模型來進(jìn)行，因此需要改進(jìn)。但是，由于模型的復(fù)雜性會使計算的效果受到一定的限制，如果模型的不正確，將會增加整個計算機(jī)的處理能力，使其處理的工作變得更加繁瑣。不能得到一個科學(xué)、合理的數(shù)值。對于某些比較復(fù)雜的模型，其操作會比較繁瑣，有時會超出整體的計算量而不能求解。

模型的簡化過程不可避免地涉及到細(xì)節(jié)的問題，這是由于細(xì)節(jié)是由它們對分析的影響而不是由部件的尺寸決定的。而一些不重要的細(xì)節(jié)，則會被忽略。因為若是被保存下來，不僅會讓模型變得更加復(fù)雜，而且還會導(dǎo)致計算的耗時變長，甚至導(dǎo)致計算失敗。土壤收集車的骨架是一個較為精密的模型，它包含了大量的非承載部件。盡管它們不會受到太大的壓力，對車體的影響也不會太大，但是它們的出現(xiàn)增加了求解問題的困難。因此，在設(shè)計的前期階段，要盡可能地減少結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在保證結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力分布和變形的同時，進(jìn)一步改進(jìn)計算的準(zhǔn)確性和合理性。

3.3 有限元模型的建立

3.3.1 材料參數(shù)

該土壤采集車采用約翰迪爾825i，車廂骨架材料選擇結(jié)構(gòu)鋼。其物理參數(shù)為：密度7.85g/cm3，彈性模量為2.00，泊松比為0.3，線膨脹系數(shù)1.2*10-5。

3.3.2 幾何模型的建立

在經(jīng)過考察之后，利用Solidworks和ANSYS Design Modeller構(gòu)建車輛的實體模型。

之后經(jīng)過簡化，得出了車廂骨架的模型。

簡化過程主要采取了以下措施：

（1）區(qū)分支承部件、輔助支承部件和輔助安裝部件并忽略后二者。

（2）對構(gòu)件外表上的氣孔、臺肩、凹部和翻面等根據(jù)具體情況做了光滑的處理。

（3）把銜接部位從很小的圓形過度縮短為直角過度，以增加對整車模型的運算速率。

（4）忽略蒙皮。盡管基于經(jīng)驗和理論分析都表明，車身蒙皮雖然在一定程度上提高了汽車的運動強(qiáng)度，但基本上并不會影響汽車內(nèi)部自由震動的振型和其排列次序，因此可以在汽車工程實際中更多省略蒙皮，從而減少模型和運算的實際工作量。

3.3.3 網(wǎng)格的劃分

有限元單元的網(wǎng)格分割問題是其最重要的環(huán)節(jié)，它將對后續(xù)的數(shù)值模擬分析的正確性產(chǎn)生重要的作用。所以，在進(jìn)行有限元分析時，必須充分考慮分析的準(zhǔn)確性和計算代價，而不能只注重計算代價的減少。是要在有限元計算中增加計算的準(zhǔn)確性，還要根據(jù)工程的要求，合理地選取各單位，以達(dá)到兩者之間的均衡。在有限元程序中，各單位都有相應(yīng)的計算描述，必須對各單位的荷載類型、自由度和各單位的特點進(jìn)行全面的認(rèn)識，并結(jié)合工程實踐來確定各單位的具體情況。由于現(xiàn)實中的網(wǎng)格包含多種形狀，其結(jié)構(gòu)十分繁雜，難以將其分割成適當(dāng)?shù)膯卧瘢詼p小與期望的誤差。為了盡可能接近于期望的單位，利用有限元軟件中的單元庫，從結(jié)構(gòu)的幾何特征中尋找出最優(yōu)的單元，并利用評估指數(shù)來判斷單元的外形。在選取指標(biāo)時，要注意選取不同結(jié)點的單元，如六面體、四邊形、三角形等單元，邊長不宜大于3，二次型單元的邊長不宜大于10。

通過軟件的計算，得到了單元98034個，結(jié)點189419個。

4 車廂骨架結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

4.1 靜力學(xué)分析基礎(chǔ)

靜力結(jié)構(gòu)研究的主要功能，在于研究結(jié)構(gòu)在給定靜力載荷情況下的反應(yīng)狀態(tài)下的變形、應(yīng)力及其移動情況，所關(guān)心的一般是結(jié)構(gòu)的移動、約束反力、應(yīng)力和應(yīng)變等技術(shù)參數(shù)，以期對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛性等加以考慮，從而使結(jié)構(gòu)更安全和經(jīng)濟(jì)。

4.2 載荷和工況

根據(jù)土壤采集車的實際使用情況和GB/T 12678-1990《汽車可靠性行駛試驗方法》，分為工作工況、制動工況和轉(zhuǎn)彎工況三種典型工況。

4.3 三種工況下的強(qiáng)度計算

在ANSYS Workbench軟件中采取將重力施加至車廂上部加裝平臺平面以表明車廂骨架受到的載荷。通過判斷ANSYS單元的長寬比，其大部分單元長寬比均在1.2-10之間，從邏輯上大大減少了靜力學(xué)分析出錯的可能性。

4.3.1 工作工況

工作工況的狀態(tài)為車輪與路面接觸，車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)。單缸機(jī)只在固定端施以負(fù)荷。通過設(shè)置，對車廂骨架施以負(fù)荷和邊界的條件約束。最終結(jié)果如圖。

4.3.2 制動工況

在剎車過程中，利用等效法將制動力簡化為對車輛進(jìn)行的集中載荷。如果將道路的最大粘合因子設(shè)置為0.7，那么，其負(fù)載的作用大小等于0.7*9.8m/s2。剩余的負(fù)載和工作工況是一樣的。

4.3.3 轉(zhuǎn)彎工況

轉(zhuǎn)向時，設(shè)置了大約0.4的道路附著因子，離心力約為0.4×9.8m/s2。其他的負(fù)荷和工作工況是相同的。

4.4 計算結(jié)果分析

車廂內(nèi)骨架構(gòu)件的熱靜力學(xué)研究結(jié)果如上所示，在各工況中產(chǎn)生的最大內(nèi)部應(yīng)力值為41.274MPa，出現(xiàn)在轉(zhuǎn)彎工況。各工況條件下產(chǎn)生的應(yīng)力，大部分聚集車架與加裝的鋼架的接縫處。而由于車輛骨架焊接所用的結(jié)構(gòu)鋼在Q235的屈服限值235MPa，超過了車輛骨架焊接所承受的應(yīng)力限值，所以該車車廂骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計是比較科學(xué)合理的。在這四個工作情況中，車廂骨架的最大變形量是0.8098mm，發(fā)生在制動工況，而發(fā)生變化的部位則在加裝的前側(cè)鋼架。

5 車廂骨架結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析

動態(tài)負(fù)載可劃分為快速動作的沖擊力（例如空氣錘），以及隨時間周期性變化的空氣壓氣機(jī)的曲柄等周期負(fù)載，以及諸如車輛引擎的曲柄等無周期變化的隨機(jī)負(fù)載。而在動態(tài)荷載作用下，建筑物的反應(yīng)分析就是所謂的動力分析。由于結(jié)構(gòu)靜荷載和結(jié)構(gòu)靜力計算的特點存在差異，因此在計算過程中必須增加負(fù)載的時域反應(yīng)、結(jié)構(gòu)的慣性反應(yīng)等參數(shù)。ANSYS Workbench可以完成的分析方法有：模式分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力學(xué)分析、光譜分析等。

從振動原理可知：模態(tài)是一種具有固定頻率、阻尼比、模態(tài)模態(tài)等基礎(chǔ)參量的工程建筑。此外，由于其線性疊合機(jī)制，可以將同一復(fù)雜的結(jié)構(gòu)振動分為許多不同的模式。一般認(rèn)為，以系統(tǒng)振蕩理論為基礎(chǔ)，以模式參數(shù)為主要研究對象的系統(tǒng)解析，稱為模態(tài)分析。

5.1 車廂骨架模態(tài)分析

固定振動特征是機(jī)械結(jié)構(gòu)的基本特征之一，把這些特征都叫做模式。固定頻度、固定振型、模式質(zhì)量、模態(tài)剛度和模態(tài)阻尼比等也叫做模式的基本參數(shù)。通過統(tǒng)計或?qū)嶒灥姆椒ǐ@取結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，這一步驟稱為結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。在該型改裝車設(shè)計過程中，由于考慮到車輛接受了外部激勵，確定列車結(jié)構(gòu)在激發(fā)下的反應(yīng)，從而了解列車的動力學(xué)特征，需要對列車骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。而按照模態(tài)分析理論，由于低頻段震動對土壤采集車車廂骨架結(jié)構(gòu)的構(gòu)造影響很大，因此針對此次研制的骨架構(gòu)造，只開展前六階模態(tài)與固有振型的分析。

5.1.1 模態(tài)分析方法

模態(tài)分析是動力特性分析的基礎(chǔ)。通過對車架結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，可以充分了解車架的振動特性，且可作為基礎(chǔ)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。模態(tài)分析技術(shù)從20世紀(jì)60年代后期發(fā)展至今，已經(jīng)應(yīng)用到許多工程領(lǐng)域，如航空、航天、造船、機(jī)械、建筑、橋梁等。

5.1.2 模態(tài)分析結(jié)果

分析后的結(jié)果如下。

（1）固有頻率分析

通過對模型的振型計算，得出了該結(jié)構(gòu)的前部6階自振頻率在28.745～84.342 Hz之間。外在的動力來源有公路動力和車輛引擎動力兩種。從車輛的振動原理出發(fā)，認(rèn)為一次車體的一次自振頻率必須在20赫茲以上，最好在25赫茲以內(nèi)。該結(jié)構(gòu)一階結(jié)構(gòu)的自振頻率為28.745 Hz，能夠避免道路振動引起的共振。

不同轉(zhuǎn)速下的激振頻率可由下式求得：

用有限元方法對其進(jìn)行了計算，發(fā)現(xiàn)在空載（750 rpm）下，一階扭振頻率為28.745 Hz，而在空載（750 rpm）下，其激發(fā)頻率為25±1.67赫茲，這與車輛的自然頻率不符。同時，因為引擎的空轉(zhuǎn)時間很短暫，所以沒有引起共振。

（2）模態(tài)振型分析

從圖中可以看出，第一、四階模態(tài)是扭振，車身的變形在5.5-14毫米之間。第二階、第三階和第六階為撓振，其中六階的撓度最大為9.77毫米。對其進(jìn)行了振動云圖的解析，結(jié)果表明，主要的動力元件主要分布在骨架前端。考慮到模型的簡化及模擬時的表面效應(yīng)，實際的變形應(yīng)該比解析結(jié)果要小。

5.2 諧響應(yīng)分析

5.2.1 諧響應(yīng)理論基礎(chǔ)

諧響應(yīng)分析是用于確定線性結(jié)構(gòu)在隨時間變化的根據(jù)正弦（諧波）規(guī)則的載荷時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，主要優(yōu)點是，它可以使用更少的運動方程和自由程度，直觀，簡潔而準(zhǔn)確地反映復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性，大大減少了測量、分析和計算的工作量。

5.2.2 諧響應(yīng)分析結(jié)果

諧響應(yīng)分析的初始條件是車輛靜止，發(fā)動機(jī)工作。將單缸機(jī)在車架上的壓力設(shè)為載荷，分析頻率范圍設(shè)為9-90Hz，頻率間隔為9Hz。根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果，選取前桿上部進(jìn)行正弦激勵下車體的響應(yīng)分析。

在進(jìn)行諧振響應(yīng)的分析時， ANSYS Workbench軟件對10個頻段進(jìn)行了采樣。并給出了整個車身在加載作用下的應(yīng)變譜。

從圖7可以看出，在54 Hz的頻率下，骨骼的前端部分會發(fā)生很大的形變，但是仍然非常的少。剩余的結(jié)點在激發(fā)作用下的變形較少。因為它的引擎的最高轉(zhuǎn)速時的頻率是87赫茲，所以當(dāng)引擎工作平穩(wěn)時，框架不會發(fā)生塑性變形。

6 車廂骨架拓?fù)鋬?yōu)化仿真

通過拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，使用者可以在物料空間中確定支撐和加載的位置，并讓軟件找到最好的外形。使用者可以輕松完成構(gòu)件的減量化、 CAD外形的抽取和優(yōu)化設(shè)計。如果不進(jìn)行拓?fù)?，組裝過程中的每一個零件都會有額外的負(fù)重，會導(dǎo)致更多的物料消耗。

將車廂骨架導(dǎo)入至ANSYS的拓?fù)浞治瞿K之中，在響應(yīng)約束中設(shè)置質(zhì)量留存率為90%，并開始進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化仿真以降低車廂骨架的重量，減輕因慣性帶來的影響。拓?fù)鋬?yōu)化之后的結(jié)果如圖。

由ANSYS可知，新模型在劃分網(wǎng)格之后有著93050個單元與183655個節(jié)點，因此在精度方面有著初步保證。且網(wǎng)格劃分與之前的骨架類似，大部分網(wǎng)格均處于長寬比1.1-10的范圍之中。因此靜力學(xué)仿真結(jié)果可用。

在此基礎(chǔ)上，驗證此車架是否符合工作工況的強(qiáng)度要求。在ANSYS中施加與默認(rèn)工況下相同的負(fù)載。將追加的單缸內(nèi)燃機(jī)的重力施加于前端上側(cè)金屬桿，并且對底部金屬桿施加固定約束。最后的結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，新骨架受力最大值為170MPa，低于材料應(yīng)力許用值235MPa，因此在工作工況下是可行的。同時，根據(jù)車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)（式中[σ]為材料的許用應(yīng)力，表示各工況范式等效應(yīng)力），分別代入235MPa和170.23MPa，算出結(jié)果n=1.37，符合經(jīng)濟(jì)原理，且降低了成本。

7 結(jié)語

本論文以一種典型的土樣為對象進(jìn)行了試驗。在此基礎(chǔ)上，運用 ANSYS Workbench建立了火車框架結(jié)構(gòu)的有限元模型，在工作、剎車、轉(zhuǎn)向四種工況下進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜態(tài)穩(wěn)定分析。隨后，根據(jù)結(jié)構(gòu)的振動特性進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性研究。在這篇論文中，得到了以下幾個方面的結(jié)果：

（1）建立了土壤采集車的簡單模型，并對其進(jìn)行了驗證。

（2）對某一典型運行狀態(tài)下的土壤收集汽車進(jìn)行了靜力學(xué)分析。

（3）采用模態(tài)分析方法，得到了車身結(jié)構(gòu)的前六階和振動模式，并對其動態(tài)特性進(jìn)行了分析。

（4）基于振型分析的基本原理，對諧振反應(yīng)進(jìn)行了研究。通過對計算結(jié)果的研究，得出了在工作狀態(tài)下，引擎對車體結(jié)構(gòu)節(jié)點的變形效應(yīng)。

（5）初步進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，在降低了重量的前提下，保證了強(qiáng)度和剛度要求，減少了材料的浪費率，降低了成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹柯.某型改裝車車廂結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化.[D].北京：北京理工大學(xué)，2016.

[2]陳永亮.高速免耕播種機(jī)單體設(shè)計與試驗研究.[D].沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2021.

[3]霍立飛.基于頻率的自由—彈性支承桿損傷識別方法研究.[D]長沙：長沙理工大學(xué)，2004.

[4]郝慶軍.多缸發(fā)動機(jī)振動激勵下的油罐車車架動態(tài)特性研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

[5]劉洋.電源車車廂結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2013.

[6]劉洋，楊俊智，達(dá)棣.電源車車廂骨架模態(tài)分析.[J].新技術(shù)新工藝，2013，06，20-22.

[7]朱容慶.重型載重汽車車架輕量化設(shè)計研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2006.