BKHP-12型石油压裂液混配车副车架的结构分析.pdf

第 6卷第 1期 2 0 1 6 年 2 月 有 色金 属 工程 No n f e r r o us Me t a l s En g i n e e r i ng Vo 1 ． 6，No ．1 F e br u a r y 2 0 1 6 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 2 0 9 5 - 1 7 4 4 ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 1 6 B K H P 一 1 2型石油压裂液混配车副车架的结构分析 周至富， 潘社卫， 廖波兰， 台广峰 ， 舒 峰 ， 卢亚平 北 京矿 冶研 究总 院 ， 北京 1 0 0 1 6 0 摘 要 通过结构和载荷适当简化， 建立有限元模型， 采用有限元软件 A N S Y S 分析 B K H P l 2型石油压裂液混配车副车架性能。 分别在弯曲和扭转工况下进行静力分析 ， 找出副车架薄弱环节 ， 检验结构合理性并 提出改进措施 。在约束条件下进行 副车架模态 分析 ， 分析其振动特性 ， 结果表明副车架具有 良好的抗外部激励振动特性。 关 键 词 石 油压裂 ； 副车架 ； A N S Y S ； 静力分析 ； 模态分析 中图分类号 U 4 6 3 ． 3 2 文献标 志码 A 文章编号 2 0 9 5 ． 1 7 4 4 2 0 1 6 0 1 - 0 0 6 7 -0 5 S u b f r a me S t r uc t ur e Ana l y s i s o f BKHP- 1 2 M i x i n g Ve h i c l e f o r Hy d r a u l i c Fr a c t u r i ng Fl u i d i n Oi i fie i d Z H OU Z h i - f u ， P A N S h e w e i ， L I A O B o l a n ，T A I G u a n g -r e n g ， S HU F e n g， L U Y a -p i n g Be in g G e n e r a l Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Mi n i n g a n d Me t a l l u r g y，B e ij i n g 1 0 0 1 6 0，C h i n a Ab s t r a c t Th e s u b f r a me p e r f o r ma n c e o f a BKHP一 1 2 mi x i n g v e h i c l e u s e d i n h y d r a u l i c f r a c t u r e i s a n a l y z e d b y f i n i t e e l e me n t s o f t wa r e ANS YS b y t he s i mp l i fic a t i o n o f t h e s t r u c t u r e a n d l o a d， a n d e s t a b l i s h me n t o f t h e f i n i t e e l e me n t mo d e 1 ．Th e s t a t i c a n a l y s i s i S c o n d u c t e d u n d e r t h e b e n d i n g a nd t o r s i o n c o n d i t i o n s，S O t he we a k n e s s o f s u b． f r a me i S fou n d o u t ，a n d t h e r a t i o n a l i t y o f t he s t r u c t ur e i S t e s t e d，a n d t h e i mp r o v e me n t me a s u r e s i S p u t for wa r d ． T he mo d a l i t y o f t h e s ub ． f r a me i S a n a l y z e d u n d e r t h e c o n s t r a i n t c o n d i t i o n．a n d t he v i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s a n a l y s i s r e s ul t s s h o w t h a t t he s u b f r a me i S o f e x c e l l e n t v i b r a t i o n r e s i s t a nc e f o r e x t e r na l e x c i t a t i o n ． Ke y wo r dsh y d r a u l i c f r a c t u r i n g；s u b fla me；ANS YS；s t a t i c a n a l y s i s ；mo d a l a n a l y s i s 随着 移 动混 配橇 厢 的相 继 应用 ， 北 京 矿 冶 研 究 总 院 又开发 出 B K HP - 1 2型 石油 压 裂 液混 配 车 ， 最 大配 液能 力 1 2 m ／ m i n ， 满 足 当 前 井 工 厂 压 裂 作 业 的快速配液需求。由于上装配液设备布置在一个保 温厢体内， 因此混配车可在 一3 0一 4 0℃环境下正 常工作。副车架在 B K H P - 1 2型混配 车中是连接上 装厢体和底盘的关键部件 ， 不仅是上装配液设备与 厢体的承载支撑基础 ， 而且是上装厢体 与汽 车底盘 车架牢固连接的关键结构。副车架不但对车架起到 强化作用 ， 还能将 车厢及其 内的设备产生的集中载 荷分 散 地分 布在 车 架 上 ， 同时 对 车 架 能起 到 一 种缓 冲 的作 用 ， 改善 其受 力情 况 。副 车架结 构 、 强度 和抗 振性 能 对整 车有 很 大 影 响 ， 因此 设 计 时 必 须 深 入分 析其 动 静态 性能 。 收稿 日期 2 0 1 5 5 1 1 基 金 项 目 北京矿冶研究总 院重大专项项 目 Y J Z - 2 O 1 2 - O 5 O 1 作者简 介 周至富 1 9 9 2 一 ， 男， 重庆人， 硕士研究生， 主要从事石油 压裂液配液设备 的研究 。 通过建立 B K H P ． 1 2型混配车副车架 的离散数 学模型和载荷模型 ， 采用 A N S Y S软件对副车架动静 态性 能进 行深入 分 析 ， 仿 真 结 果 验证 了结 构 的 可靠 性 ， 为混配车设计提供理论依据。目前 ， 大排量混配 车通过国家有关部 门的考核， 已列入特种车公告 目 录 。图 1为北 京 矿 冶 研 究 总 院研 制 的 B K HP 一 1 2型 石油 压裂 液混 配车 。 田 1．．．．．．．．．．．．J．．．．．__J l196 2 图 1 石油 压裂 液混 配车 Fi g ．1 Hy dr a u l i c f r a c t ur i n g flui d mi x i n g v e h i c l e 6 8 有色金属工程 第 6卷 l 压裂液混配车专用副车架 混配车厢体底部副车架采用热轧槽钢焊接成金 属框架 ， 副车架与主车架通过止推板用螺栓和焊接 实现连接 ， 副车架结构尺寸 9 5 5 0 m l T l 2 4 5 0 m m x 3 0 0 m m， 设计结构如图 2所示。 l J I I I l I i i l I I l 目 l l I l l _ I I 目 l 1 l l I l J 9 5o 0 图 2副车 架二维模 型 Fi g ． 2 Two di me n s i o n a l mo d e l o f s ub f r a me 2 三维模型 的建立 所建立的三维模型是用于石油压裂液混配车副 车架的结构分析 ， 因此在建立模型时， 需要考虑副车 架 的结 构尺 寸 的精 度 。在 进行 有 限元 分析 时 ， 有 些 细节 结构对 结果 影 响很 小 ， 同时 还 会造 成 计 算 时 间 的增大。简化的模型 ， 对计算机的性能要求降低 ， 也 能够提高计算的速度和效率 。因此忽略副车架 上的过渡圆角、 倒角以及工艺小孔， 由于副车架中的 纵梁和横梁的连接采用焊接 ， 认为彼此间焊接为理 想 焊接 ， 忽略 焊缝地 方 处 的材料 变 形 及 形状 的不 规 则 。采用 S o l i d w o r k s进行副车架模型 的建立 ， 模型 如图 3所示 。 图 3 副车 架三维 模型 F i g ． 3 Th r e e di me ns i o n a l mo d e l o f s u b f a me 3 有限元模型 的建立 3 ． 1副车架 模型 网格划 分 副车架网格划分的疏密程度直接影响模拟计算 结果的精度。虽然网格划分得越密越能提高计算精 度， 但对计算机性能要求很高 ， 计算工作量大。所 以 网格 划分需要 确定 一 个 合 适 的疏 密 度 ， 在精 度 和 计 算效率两方面进行综合考虑。混配车副车架网格选 择四面体单元进行网格划分 ， 网格尺寸采用 4 0 mm， 划分后 的网格有 1 5 4 2 7 9个单 元， 3 1 4 8 5 6个节点 组成 。 3 ． 2副 车架材 料 根 据 副车架 实际 情况 ， 副车 架材 料 采用 结 构 钢 焊接而成， 假设焊缝 与车架材料具有相同的材料特 性 。表 1所示 为副 车架材 料属性 的参 数性 能表 。 表 1 副 车架材 料属性 Ta bl e 1 Pr o p e r t i e s o f s u b f r a me ma t e r i a l 4 副车架静 力分析 静 力分 析 就是 结 构受 静 态 载荷 下 ， 忽 略 阻尼 和 惯性力情况并施加约束的一种分析。物体动力学方 程为 [ ] { ” }[ c ] { }[ K] { }{ F t } ， 忽 略与时间 情况下 ， 简化 为 [ K] { } { F t } ， 式 中 [ ]为质量矩阵； [ c ]为阻尼矩阵 ； [ K]为刚度 矩 阵 ， { } 为 位移矢 量 ； { } 为速度 矢量 ； { ” } 为加 速度 矢量 ； { F t }为矢量 。 4 ． 1 弯 曲工况 下静 力分析 该工况主要模拟混配车在满载下 ， 在路面匀速 行 驶或静 止 时的受 力 情 况 。在 这 种工 况 下 ， 副 车 架 主要承受来 自车厢和车厢内部设备重力载荷 ， 这将 会使车架产生向下弯曲的变形。弯曲变形时副车架 的最基 本变形 形式 ， 因此 对 该 工况 的静 力 分 析 十分 重要 。 副车架 通过止 推连 接 板 、 连接 支 架 和 U型 螺栓 等 多种安装 方式 与底 盘 主 车 架 连接 ， 将 副 车 架 承受 载荷 传递 给车架 ， 主 车间对 副车架 有位 移约束 ， 根 据 实际情况 ， 模拟在典型弯曲工况下静力分析。模型 支 撑点在 车架对 应 车 轮轮 心 处 ， 在 纵 梁底 面添 加 固 定约束 ， 约束纵梁底面的 、 y 、 z方 向的 自由度。在 两根纵梁侧面 1 2个约束处添加 固定约束 ， 约束纵梁 侧 面 的 、 l ， 、 z方 向 的 自由度 。副 车架 的外 界 载 荷 为封闭厢体 自身以及厢体 内配液设备 的总载质量。 取上装 满载 载 荷 0 ． 2 MN施 加 在 副 车 架 上 ， 且 假 设 9 4 有色金属工程 第 6卷 u p t a k e[ J ] ．S o i l B i o l o g y＆B i o c h e m i s t r y ， 2 0 1 4 ， 6 8 1 3 0 0 3 0 8． [ 2 ]Y a n g S X，L i a o B ，L i J T，e t a 1 ．A c i d i fi c a t i o n ，h e a v y me t a l mo b i l i t y a n d n u t r i e n t a c c u mul a t i o n i n t h e s o i l p l a nt s y s t e m o f a r e v e g e t a t e d a c i d m i n e w a s t e l a n d [ J ]． C h e m o s p h e r e ， 2 0 1 0 ， 8 0 8 8 5 2 8 5 9 ． [ 3 ]仇荣亮 ， 仇浩 ， 雷梅 ，等 ．矿 山及周边地 区多金属 污染 土 壤 修 复 研 究 进 展 [ J ] ．农 业 环 境 科 学 学 报 ， 2 0 0 9，2 8 6 1 0 8 9 1 0 9 1 ． [ 4 ]武军 ．矿 山环 境 问题 与 对策 [ J ] ．云 南 环境 科学 ， 2 0 0 1 ， 2 0 增 刊 1 3 6 3 8 ． [ 5 ]吴其珍 ， 杨安 富 ．剑麻 对铁 矿尾 矿库土壤 修复 的试验 研 究 [ J]． 安 徽 农 业 科 学 ， 2 0 0 9 ， 3 7 3 3 1 6 4 90 1 6 49 3． [ 6 ]杨菲 ，肖唐付 ，周连碧 ， 等 ．铜矿 尾矿库修 复植物香 根草及其根际尾矿 砂 中重金 属形 态研究 [ J ] ．地 球 与 环 境 ，2 0 1 0，3 8 3 2 8 0 2 8 5 ． [ 7 ]朱佳 文，邹冬生 ，向言词 ，等 ．先锋植物对铅锌尾矿库 重金属污 染 的修 复 作 用 [ J ] ．水 土 保 持学 报 ，2 0 1 1 ， 2 5 6 2 0 7 - 2 1 0 ． [ 8 ]王琼 ， 辜再元 ， 周连碧 ．德兴铜矿水龙山酸性废石场 堆场 边 坡 生 态 恢 复 工 程 模 式 研 究 [ J ] ． 中 国矿 业 ， 2 0 1 1 ，2 0 1 6 4 6 6 ． [ 9 ]韩玉立 ， 王琼 ， 韩烈保 ．德兴铜矿不 同年份废石产酸 规律研究 [ J ] ．环境科学学报 ， 2 0 1 5 ， 3 5 3 8 0 5 8 1 1 ． [ 1 O ]李章 大，周秋 兰 ．我 国尾矿利 用现 状及 2 1世纪 展望 [ J ] ．地质与勘探 ， 1 9 9 7， 3 3 3 2 1 2 8 ． [ 1 1 ]张鑫 ， 周涛发 ，袁 峰 ，等 ．铜陵矿 区水系 沉积物 中重金属污染及 潜 在生 态 危害 评价 [ J ] ．环 境化 学 ， 2 0 0 5 ， 2 4 1 1 0 6 1 0 7 ． [ 1 2 ]B l o w e s D W， J a m b o r J L ．T h e p o r e w a t e r g e o c h e m i s t r a n d t h e mi n e r a l o g y o f t h e v a do s e z o n e o f s u l p h i d e t a i l i ng s， Wa i t e A m u l e t ， Q u e b e c [J] ． C a n a d a A p p l i e d Ge o c h e mi s t r y ，1 9 9 0，5 3 3 2 7 3 4 6 ． [ 1 3 ]栾和林 ，喻 哈 ， 邹 畅 ， 等 ．复合 污染状 态下尾 矿 区有害 化 学 品 的迁 移 研 究 [ J ] ．环 境 化 学 ，2 0 0 6 ， 2 5 1 2 0 7 2 1 0 ． [ 1 4 ]栾和林 ，陈彩 霞 ，田 野 ， 等 ．复合污染 与尾矿 区重 金属 释 放 和 迁 移 [ J ] ．有 色 金 属 ，2 0 0 6 ，5 8 4 1 24． 1 27 ． [ 1 5 ]彭俊波 ．城 门 山铜 矿低碱 度铜硫 分离 试验研 究 [ J ] ． 有 色金属 选矿部分 ， 2 0 1 1 1 1 9 2 3 ． [ 1 6 ]鲁 如坤 ．土壤农业化学分析方 法 [ M] ．北京 中 国农 业科技 出版社 ，1 9 9 9 1 0 6 1 9 6 ． [ 1 7 ]吕贻忠 ， 李保 国 ．土 壤学 [ M] ．北京 中国农 业 出版 社 ，2 0 0 63 6 2 ． 3 6 3 ． 上接第 7 0页 ， C o n t i n u e d f r o m P 7 0 能 ， 结构 强度 和 刚度 满 足设 计 要 求 。模 态 分析 表 明 外 部典 型振 动源不会 诱发 副 车架 的结构共 振 。多负 荷 静态性 能计 算与 振动特 性分 析是 开发大 排量 混配 车的有效 手段 。 B K HP 一 1 2型石油压裂液混 配车在实 际道路使 用表明混配车具有 良好静动态特性 ， 满足设计要求。 参 考文献 [ 1 ]董振 国 ．半挂牵引车车架有限元强度 分析[ D] ．山东青 岛 青 岛 大 学 ，2 0 0 58 ． 1 8 ． [ 2 ]叶勤 ．轻型载荷汽车车架有限元分析与优化[ D ] ．武 汉 武汉理工大学 ， 2 0 0 7 1 7 2 2 ． [ 3 ]陈龙 ， 周克亢 ．载 重汽车 车架强 度分析 与试验 研究 [ J ] ．机械强度 ， 2 0 0 2 ， 2 4 1 1 4 8 - 1 5 0 ． [ 4 ]黄志新 ， 刘 成柱 ．A N S Y S Wo r k b e n c h l 4 ． 0超级学 习手册 [ M] ．北京 人 民邮电出版社 ， 2 0 1 3 2 1 4 2 2 1 7 ． [ 5 ]司静萍 ，田凤霞 ， 韩璐 ， 等 ．有限元法在 自卸车副车 架强度分 析 中 的应用 [ J ] ．煤 矿 机 械 ， 2 0 1 0 ，3 1 8 11 2 11 5 ． [ 6 ]柏林 ．重 型载 货汽 车 车架 有 限元 分析 与 拓扑 优 化 [ D] ．合肥 合肥 工业 大学 ， 2 0 1 0 3 4 3 9 ．