液压模块组合挂车整体结构有限元计算分析.pdf

T E C H N I C F O R U M ■囤圜 液压模块组合挂车整体结构有限元计算分析 Cal cul at i on and Anal ys i s by F EM f or W hol e St r uc t ur e of Hy dr aul i c M odul e As s em bl ed Tr a i l e r 张宇探马力 李冰 ZHANG Yut an e t al 武汉理 工大 学汽 车工程学 院 湖北武汉 4 3 0 0 7 0 摘要 研 究了液 压模 块组合挂车在 不同装载方 式下有限元计算建模 问题 ，提 出了采用平衡杆 系结构来模拟液压平衡悬挂 系统的 方法 ，这 种方法在任意装载 方式下均能保证 同支撑组车轮液 压 管路相通 、轴荷相等的要求 ，并针对典型车辆主体结构强度刚度进行 了有 限元计算分析 。 关键字液压模块组合挂车 平衡杆 系结构 有 限元 结构强度 Abs t r a c t Ca l c u l a t i o n a l mo d e l i n g f o r h y d r a ul i c m o d u l e a s s e mb l e d t r a i l e r b y FEM wa s s t ud i e d ， a n d t h e n t h e s i mul a t i o n m e t h od b y b a l a n c e fla me s y s t e m f o r t h e h y d r a ul i c s us p e n s i o n s ys t e m wa s d e ve l o p e d ， wh i c h e n s u r e d t h e e q uiva l e n c e o f a xl e l o a d i n t h e s a me g r o u p wh e r e t h e o i l c a n s we r e c o n n e c t e d ． Fi n a l l y t h e FEM mo d e f o r a s t r e n g t h a n d s t i ffn e s s o f a s p e c i fic b o d y s t r u c tur e wa s a n a l y z e d K e y W o r d s h y d r a u l i c m o d u l e a s s e mb l e d t r a i l e r； b a l a n c e fla m e s y s t e m ； FEA ；s t r u c tur a l s t r e n g t h 中图分类号 U 4 6 9 5 3 O 2 文献标识码 A文章编号 1 0 0 4 - 0 2 2 6 2 0 1 0 0 1 - 0 0 5 3 - 0 3 1前 言 液压模块组合挂车是大件及重型装备 公路及场地运输的必要运输设备。国外液 压模块组合挂车的发展已相 当成 熟⋯ ，国 内正逐步从模仿设计阶段走向自主研发 ， 已有学者开始对拼车方案查询系统、挂车 配件和装载形式等方面进行研究 。但 是 ，由于组合挂车拼车方案较 多 ，装载 方式比较特殊 ，且四点支撑下多个同组车 轮液压管路相通 ，轴荷相等的特点给基于 整车的结构分析提出了新的要求。因此结 合企业的实际需求，对液压模块组合挂车 在不 同装载方式下的有限元计算建模问题 进行 了研究。在研究国内外液压模块组合 挂车的装载方式的基础上提出了采用平衡 杆系结构 来模 拟液压平 衡悬挂 系统 的方 法，在各种装载方式下均能保证 同组多个 车轮轴荷相等 ，并根据所提出的方法 ，对 张宇探 典型六轴线车辆进行了整车有限元计算分 析 ，得到了不 同装载方式时多种工况下整 体结构强度刚度的有限元计算分析结果， 为液压模块组合挂车整车结构设计提供 了 参考。 2 装载方式分析 液压模块组合挂车的货物通常有三种 装载方式 支架装载、均布装载和特殊装 载。每种装载方式都必须满足货物特征 、 作者简介 张宇探 ，女 ，1 9 8 5 年生 ，硕士研 究生 ，研究方 向汽车C AD／ C AE。 架的变形最大值为0 ． 2 7 5 m，表现在托架中 间处 ，绝对 数值 较小 ，对 结构使用无 影 响 。 通过有限元结构分析 ，在满足托轮载 荷受力可靠性 的条件下 ，必须保证托轮的 中心轴线与滚道的中心轴线是平行的 ，否 则 ，难以保证运动结合面的良好接触 ，会 因为受力不均匀造成滚道或滚轮，以及轴 承过早的损坏 。转动轴与托架轴孔的接触 面要求采用圆倒角 ，尽可能地减少应力集 中，以延长托轮的使用寿命 。此外 ，“ 角 度不 宜过小 ，否则在 搅拌简 的转动过程 中 ，会降低托 轮对搅拌 筒的 自动调 节能 力。 5 结论 对于搅拌简承载结构的前端连接点 ， 性能主要取决于外购件减速机 ，在搅拌筒 中心轴线角度保证的前提下，一般无须对 其结构分析 ；而对于后端支撑点 ，其结构 的可靠性主要取决于托轮结构的稳定性。 经过计算分析 ，调心托轮完全满足搅拌车 的载 荷要 求 。 使用自动调心托轮能保证滚轮与滚道 的接触为最佳状态 ，消除因搅拌筒偏斜或 变形造成的接触面滑动 、滚道表面易产生 划痕及拉伤的问题 ，减少滚道表面及滚轮 的损伤 ，延长了产品的使用寿命 在滚轮 可调节角度范围内，能达到自动消除因副 车架焊接过程变形引起前、后台之间角度 偏 差 的 问题 。 因此 具有 可 靠的 使用 性和 应 用 前景 。 参考文献 [ J ]张国忠，王福良， 周淑文等 现代混凝土搅拌运输 车及应 用[M】 北京 中国建材工业出版社，2 0 0 6 ． 收稿 日期 2 0 0 9 0 9 1 5 ■蚕圜T E C H N I C F O R U M 道路运输 条件和挂车整体 结构特点的要 求 ，保证运输安全。 2 ． 1支架装载 超大、超重和超长件货物不宜直接放 置在装载平 面上 ，而是通过 支架实现装 载。常见的支架装载可分为单跨装载和双 跨装载两种 方式。单跨装载 示意图如 图 1 所示 ，货物质心位于整体结构前后对称 面中心位置 ，支架跨距为2 C 。前后支架上 的载荷为货物总重量的1 ／ 2 。双跨装载采取 分跨的方式，货物质心 同样位于整体结构 前后对称面 中心位置 ，货物总重量通过四 个支架传递到整体结构上 ，每个支架上的 载荷为货物总重量的1 ／ 4 。 无论是单跨还是双跨装载，跨距不同 则整体结构 的承载能力也不同。跨距为零 时 ，装载量小于正常装载量 ，支架放置位 置接近车辆前后两端时，允许装载量也会 大幅下降。 图 1 单 跨 装 载 示 意 图 2 ． 2 均布装 载 载荷直接分布在装载平面指定区域 ， 分布 方 式有均 匀 分布 与 非均 匀分 布 ，假 设 货物质心位于整体结构前后对称面的中心 位置。均匀分布装载示意如图2 所示。 l{i{ {I{I 一 童 五 图2 均匀分布装载示意图 产品设计制造完成后 ，通常需要进行 砝码加载测试转向情况或车辆其它性能 ， 此时小块砝码都是直接放置在整个承载面 上的 ，这样 的情况 比较接 近均布装载 方 式 ，载荷集度为装载总质量除以有效装载 面积。对于 内聚力不强的货物 ，直接放置 在装载平面上也可看作均布装载方式 ，实 际运输中还有其 它情况也可以简化成均布 图3 特殊装载示意 图 装载方式。 2 ． 3 特殊装载 将会导致左右偏载的装载方式归为特 殊装载 方式。典型的特殊装 载方式为 图 3 所示。图中A为货物装载位置 另外 ，不 属 于上述 两种 装 载 方式 的情 况都暂归为特殊装载方式。 3 液压平衡悬挂系统 的模拟 本文针对四点支撑方式，提出了用平 衡杆 系结构模 拟液压平衡悬 挂系统的方 法 。这种 方法不仅能保证在 支架装载方 式、分布装载方式和偏载等任意装载方式 下同组车轮轴荷相等 ，而且适用于任意轴 线数的车辆 。现以典型六轴线车辆对平衡 杆系结构原理进行描述 。四点支撑每个支 撑组有三个车轮 ，其悬挂油缸互通。无论 在怎样的装载方式和运输方式下 ，同组的 三个车轮轴荷是相等的。 平衡杆 系结构 由平衡杆 和支撑杆组 成 ，如图4 所示。图中B C 、F G fJ J K为上平 衡杆 ，DE fJ H I 为下平衡杆 B A 、C D、 F E 、G H、d l 和K L 为支撑杆 。假设平衡杆 不变形 ，支撑杆刚度k 可调 ，以满足特殊 需求。杆件各点均在同一平面内。 ； 图4 平衡杆系结构原理图 三根上平衡杆中点p 、0 和D ， 分别与 同组车轮轮心相连，它们可绕车轮轮心轴 线转动 ；两根下平衡杆 中点。 J 和o 与大地 铰 接 ，不 能 相对 地面 移动 ，但下 平衡 杆 可 绕铰接点在杆系平面内转动 ；A 点和￡ 点也 与大 地 铰接 ，不 能相 对 大地 移 动 。 由杠杆 平衡原理可知 ，对各种装载形式和装载工 况 ，均可保证D 、 和 点代表 的车轮轮 心处 轴荷 相等 。 同理 可 以延 伸到 同组 车轮 数 目少 于或 大于三个的情况。比如对同组只有两个车 轮 的情 况 ，只需 去 掉 图4 中的 、 、 J K fj K L 杆 ，并将日点与地面铰接即可。对 于同组车轮数 目大于三个车轮的情况 ，可 以根据图4 的原理 图递推扩展 ，即可满足 相应轮数的需要。 在有限元建模时还要注意消除平衡杆 系结构的刚体位移 ，同时还要消除整体结 构的刚体位移 ，注意不要过约束也不要欠 约束。 4 具体计 算工况 的确定 4 ． 1 典型车辆几何 模型 的建立 根据液压模块组合挂车主体结构的特 点 ，对整车建 立三维有限元 分析几 何模 型 。车辆主体 结构主要包括上 板、加强 板、纵梁总成、横梁总成、边板和行走机 构。其模型如 图5 所示 ；车架和行走机构 模型 如 图6 所示 。 图5 车辆主体结构模型 图6 车架和行走机构模型 4 ． 2 加载的具体实现及计算工况的确定 根据企业提供的车型，对六轴线液压 模块组合挂车支架装载方式和均布装载方 式进行计算 ，确立四种计算工况。 4 ．2 ． 1 支架装载方式的加载实现及计算工 况 几何建模时 ，设计一个装载支架。根 据需要工况 ，将装载支架放置在装载平面 图7单支架装载几何模型 的具体位置，同时保证支架和整体结构之 间的接触关系，并假设在运输过程中支架 与整体结构无滑移 ，无互相嵌人与脱离。 计算工况分两种 ，分别为单跨跨距 为 零与跨距接近整体结构总长度的情况。大 量装载 曲线表明 ，这两种情况下整体结构 的承载能力最差 ，因此对这两种支架装载 方式的计算工况进行计算 ，能较好地反映 整体结构的承载能力和设计水平。 工况一 为单 支架装载跨 距为零 的情 况 。支架位 于整体结构 前后对称 中心 线 上 ，在支架正上方与货物重心位置等高处 施加集中载荷，其大小等于总载荷，计算 几何模型如图7 所示。通过软 件系统 的分 布关系定义 ，使载荷通过支架传递到整体 结构上。这种工况是比较恶劣的。 工况二为双支架装载的情况。两支架 按整体结构前后对称面中心对称 。挂车轴 距 为l 5 0 0 mm，取单跨支架跨 距为7 8 0 0 11 1 ／ ／ 1 。在支架正上方与 货物重心位置等高 处施加集中载荷 ，其大小等于总载荷的一 半 。 4 ． 2 。 2 均匀分布装载方式的加载实现及计 算工况 工况三为中心带宽均匀分布装载。假 设装载重量均匀分布在整体结构前后对称 面中心区域 ，这个区域宽度与支架的底面 纵向宽度相等。由于均布装载方式不考虑 货物内聚力 ，因此中心带宽均匀分布载荷 工况的计算可以考察整体结构纵梁和横梁 设计的强度刚度协调程度。 工况四为整体结构上板面均匀分布装 载 这种计算工况的加载 区域为整体结构 上表面有效承载面积 ，在其上施加一定集 度的均布载荷 ，使总载荷大小与货物重力 相等。这种工况的设计也不考虑货物内聚 力和支架作用 ，因此可以从整车角度考察 各主要部件设计的强度刚度协调程度。 5 有限元计算及结果分析 轴 线 载荷 为3 6 t ，取 装 载 系数 1 ．4，六 轴线总加载 载荷 为G I ．4 x 6 x 3 6 3 0 2 ． 4 t ， 材料屈服极限为7 0 0 MP a 。 根据要求建立有限元模型 ，对 四种装 载工况进行有 限元计算 ，用t e t 单元对车辆 主体结构划分网格 ，用梁单元对平衡杆系 结构划分网格 ，用弹簧单元对支撑杆划分 网格 。试 算后根据 需要进行局 部网格细 化 ，共得到5 7 8 5 6 8 个单元和 1 7 0 1 1 5 个节 点，共5 1 万多个自由度。 a ． _7 2 况～。该工况下整体结构的应力 水平不是很高 ，最大应力发生在纵梁腹板 最大矩形 窗口角点处 ，达到约5 7 0 MP a 。 除此之外 ，横梁转角处、纵梁下翼板 中部 以及上板面部分区域域都出现 了不同程度 的应 力集 中现象 ，但应力最高不超过3 0 0 MP a ，如 图8 所 示 。 图8 纵粱 、横梁 和加强板应 力分布圈 纵梁 、 横梁 、加 强板 和 边板 的 应 力水 平较低 ，不高于 1 5 0 MP a 。行走机构具体 结构 的应 力分布云 图如图9 所示 ，最大应 力不超 过 1 8 0 MP a 。 图9 行走机构具体结构应 力云 图 b ， 工 况二 。上板 面 应力 水平 不 高 ，各 处应力均不高于2 0 0 MP a 。纵梁 、横梁、 加 强板和边板结构应力水 平在3 7 0 MP a 以 内 。 行 走 机 构 具 体 结 构 的 应 力 水 平 也 不 高 ，均 在 2 O 0MP a 以下 ，应 力 分 布 跟 工 况 一 相似。总体来说 ，该工况 下整体结构应 力水平不是很高 ，但是局部应力集中现象 比工况 一严 重一 些 。 c ． 工况三。该工况下整体结构的应力 T E C H N I C F O R U M ■囤圜 水平不是很高，最大应力产生在中间两横 梁转角处 ，达到约6 7 0 MP a ，远远大 于前 两种工况时的情况。这是因为不考虑货物 内聚力，横梁将直接承受比较大 的一部分 载荷。上板 面各处应 力不高于3 0 0 MP a 。 除最大应力区域外 ，中间横梁转角处和纵 梁下翼板 中部产生 了不超过3 0 0 MP a 的应 力 ，分布情况与前两种工况一致 。边板和 加强板 的应 力水平不 高，普遍不超过2 l 0 MP a 。行 走机构具体结构的应力水平和分 布与前两种工况相似，变化不大。 d ． 工况四。该工况整体应力水平比较 低 ，上板面、纵梁、横梁和加强板的应力 均不超过5 0 MP a 。该种装载方式使得前三 个工况 中应力本不是很大的行走机构变为 产生最大应力的地方，但尽管如此 ，应力 也 不超 过 I 8 0 MP a 。 以上板面长边中点和端点的垂直位移 来考察上板 面垂直位移沿纵向方向的相对 变化情况 以上板 面短边中点和端点的垂 直位移来考察上板 面垂直位移沿横向方向 的相 对变 化情 况 ，如表 1 所示 。 表1车架上板面垂直位移差 m m 6 总结 a车辆主体结构强度满足要求，部分 构件有较大富余 b ． 局部应力集 中比较明显的地方 ，设 计制造时应加以注意 c ． 整 车结 构 还 具有 轻量 化 的潜 力 ，包 括参数优化和拓扑优化等。 参考文献 [ 1 】乐巨国． 组合挂车发展趋势 ． 上海公路， 2 0 0 2 【 4 4 2 4 5 [ 2 】乔媛媛， 马力，王 元良 基 于婀络环 境的组合挂车 拼车方案查询模块的实现[ J I l重型汽车， 2 0 0 8 4 2 0 22 [ 3 ]刘彦玲， 张世彪，杜 海云 浅谈 国产全液压挂车的 一 些技术改进f J 】 液压气动与密封，2 0 0 8 1 4 9 - 5 1 ． [ 4 ]马晓军， 秦颖军． 大件运输液压挂车装载参数的校 核及优化 l J J _ 重型机械科 技， 2 0 0 3 4 1 3 - 1 4 收稿 日期 2 0 0 9 0 9 2 l