智能喷雾车驾驶室强度分析及结构优化

2015-08-09申江峰何玉静余泳昌

河南科技 2015年9期

申江峰何玉静余泳昌

（河南农业大学，河南郑州 450002）

人们在农业生产中不仅要求高的工作效率和质量，而且对农业生产中安全性的要求也越来越高。本文根据这一观点把有限元理论应用在智能喷雾车驾驶室的设计上，确保驾驶员在驾驶室中能够安全地工作。传统的驾驶室由于在几何建模时采用了过多的简化处理，使得计算结果不够精确，在具体结构设计时往往采用偏于安全的放大，来弥补理论设计误差的影响，不仅费时费工，而且造成资源的过度消耗。现代产品正朝着高速、高效、高精度、高性能、低成本等方向发展，传统的设计方法已无法满足现在的需求。近年来，在数值分析方法和计算机技术的支持下，有限元分析方法为解决这些复杂的计算问题提供了有效的途径，即使在解决复杂工程问题时也不需做很多简化，而且速度快、计算精度高，在实际工程应用中，有限元分析软件和CAD系统的集成应用使得设计水平发生了质的飞跃。本文应用非线性有限元方法和弹塑性理论对拖拉机驾驶室的安全强度进行了分析和预估，以期能实现在设计阶段对拖拉机驾驶室进行安全强度预估［1-2］。

1 驾驶室的安全强度准则

驾驶室是驾驶员工作的一个关键位置，保证驾驶室的安全既保证了驾驶员的人身安全同时也能保证喷雾车的正常行驶和工作。因此，在发生落物事故时，驾驶室能保护驾驶员不被下落物体击中；在发生翻车事故时，遇到较软的地面保护结构能够扎入地面并支撑机器的自重，遇到硬地面时保护结构能发生塑形变形吸收冲击量，并能承受一定的载荷，保证驾驶室留有足够的空间，这就是其安全准则。该准则和驾驶室的强度和刚度有关，因而要对驾驶室的强度和刚度进行分析［3］。

1.1 强度分析

强度是指材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。而强度分析是结构在常温条件下承受载荷的能力。然而对空间几何结构来说，需要计算它的3个主应力，即σ1、σ2、σ3。通过应力强度理论分析可计算出等效应力，而强度设计要求可以通过材料失效准则来判定。

由于其他不可预料因素，通常情况下则会对其结构预留强度储备，即安全系数S。针对结构不同的使用场合和设计要求，安全系数S 会有所不同，故产生了许用应力。许用应力是材料极限强度与安全系数的比值，即

驾驶室在受到冲击的情况下，驾驶室受到的应力σ应小于等于许用应力［σ］，即σ≤［σ］。

1.2 刚度分析

刚度是指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力，是材料或结构弹性变形难易程度的一个象征。刚度分析是计算结构在受力时产生的弹性变形是否在允许的限度内。例如，结构零件会出现以下情况：零件本身并没有超出许用强度，只是内部零件间产生了干涉，从而导致产品失效。这说明结构刚度不足，在满足强度要求时并不一定也满足了刚度要求。因此，零件刚度分析也尤为重要。

若要确定结构是否变形，首先需要对其进行刚度分析。结构刚度受许多因素影响，它的变形也受结构本身形状的影响而有所不同，同时也与结构材料的性能有关。因此，在实现同种功能的两个产品设计时，有时使用材料少的产品具有较好的刚度效能［4-5］。

1.3 应力与应变

应力是指单位面积上所承受的力，而应变是材料在载荷作用下其形状和尺寸发生变化的一种现象，它可以用变形量与原来尺寸的比值来表示。

若要对结构进行应力和应变计算，需要对对应的结构强度和刚度进行分析。应力与变形都与载荷有关，其间也必然有一定的关联，于是引入了应变这一概念。假如长度为l，弹性模量为E，横截面积为A 的构件在载荷p的作用下发生大小δ的变形。

应变ε为构件单位长度的变形量，为无单位物理量，其表达式为：

式中：δ为构件的变形量；

l为构件的原长。

应力δ与载荷横截面积有如下关系：

式中：P为构件截面承受的载荷；

A为构件受力面积。

应力与应变存在如下关系:

式中：E为材料的弹性模量.

根据以上公式即可推导出结构在载荷作用下的变形:

如果设定k=A*E/L，则可以推导出P=k*δ，如果k为常数，那么构件的变形量与载荷大小成正比，这也就是著名的胡克定律。

通过对材料数据的输入、约束的定义以及网格的划分，计算机可以计算出结构的整体刚度矩阵，再依据刚度与载荷的关系推导出应变和变形，最后再根据材料的本构关系计算出单元的应力。

2 驾驶室模型的建立

2.1 三维模型的建立

利用solidworks 软件中的焊件和钣金命令创建驾驶室的三维模型，如图1。驾驶室主要结构参数为：驾驶室框架长度为2 040mm，驾驶室顶宽为740mm，底宽为1 050mm，采用40X40X4的方钢为标准件，顶部、前部、后部、底部均为钢板，底板与车架固连在一起。

图1 驾驶室三维模型

2.2 网格划分、定义材料及单元模型

将3D 实体模型导入ANSYS Workbench［6-8］中，然后建立坐标系统，划分网格单元数后为45 868个，节点数为269 922个，如图2所示。

图2 驾驶室网格划分

单元类型为：采用三维20个节点的B4固定结构单元，该单元通过20个节点来定义，每个节点沿着x、y、z平行的自由度，可具有任意空间的各向异性，当单元退化为四面体或正四面体时，则相应的退化形函数被自动使用。

驾驶室框架、底板材料为优质碳素钢08AL，顶板、后板、前围采用20号钢。所用材料的密度为7.85×103kg/m3，弹性模量为2×105MPa，泊松比为0.3，08AL的抗拉强度为325MPa，屈服极限为195MPa，20 号钢的抗拉强度为410MPa，屈服极限为245MPa［6］。

3 有限元分析过程及结果

本文采用智能喷雾车的质量为3 000kg，按照下表进行驾驶室实验模拟。

表1 驾驶室安全强度验收条件

3.1 侧向加载仿真过程

底板固定，将侧向载荷施加在驾驶室框架侧面，且载荷中心距底板面600mm，直至驾驶室吸收的能量达到1.75m，即1.75×3 000=5 250J 时为止。在加载过程中，若有构件侵入驾驶室，或者应力达到许用应力，则驾驶室强度不合格，停止计算。加载后得到的侧压应力云图如图3，侧压应变云图如图4，侧压变形云图如图5。

综上所述，侧压加载时，驾驶室在达到标准要求的承载能力过程中没有任何构件侵入，因此结构强度满足性能要求。

3.2 前压加载仿真过程

底板固定，将前向载荷施加在驾驶室前围钢板上，且载荷中心距底板面300mm，载荷大小为20X3 000=60 000N。与此同时，在驾驶室框架斜面钢架上施加均布载荷2Mpa。在加载过程中，若有构件侵入驾驶室，或者应力达到许用应力，则驾驶室强度不合格，停止计算。加载后得到的前压应力云图如图6，前压应变云图如图7，前压变形云图如图8［7-8］。