基于ANSYS Workbench煤矿卡车双联桥平衡轴支架力学性能分析

冯艳秋 冯彦涛

摘 要：文章首先对我国的能源现状做了简单的介绍，突出了煤炭在我国的重大作用，而后由于煤炭资源分布的差异性对煤炭矿区的运输造成了很大的不便。文章通过对矿用重载卡车的平衡悬架进行受力分析，进而得出平衡轴支架的受力状况，为将来进行结构优化和研究分析提供必要的参考依据。

关键词：煤矿用重载卡车；平衡轴支架；CATIA建模；ANSYS Workbench有限元分析

中图分类号：TU398 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）11-0013-02

Abstract： This paper firstly introduces the current situation of energy in China， highlighting the important role of coal in China. Because of the difference in the distribution of coal resources caused great inconvenience to the transportation of coal mining areas， in this paper， the force analysis is made to the balanced suspension of mine heavy duty truck， and the stress condition of the balance shaft support is obtained， which provides the necessary reference for the structure optimization and research analysis in the future.

Keywords： heavy-duty truck for coal mine； balance shaft support； CATIA modeling； ANSYS Workbench finite element analysis

1 概述

我國煤炭资源主要集中分布在山西、内蒙古、陕西、云南、贵州、河南和安徽等地，七省总储量占全国储量的81.8%，总体分布呈现出“北多南少”“西多东少”的大格局。但是由于地形条件的限制，开采运输方式也多种多样，对于大型矿区的山西省和内蒙古开采区采用大型矿区车较多。比如Liebherr T282B、Caterpillar 797B、Liebherr TI 272等[1]，而且对于中小型矿且矿区路况不好的矿区一般采用徐工、北奔、陕汽、斯尔太、解放、东风、欧曼、JAC等8×4或者6×4车型。8×4即前转向轮为两轴四轮，后驱动轮为两轴（桥）每组双轮共八轮；6×4即前转向轮为单轴两轮，后驱动轮为两轴（桥）每组双轮共八轮[2]。矿用重载卡车的行驶工况复杂，环境恶劣，且经常承受满载和超载的重量，只有保证矿用重载卡车的各关键工作部件的刚度和强度，才能实现矿用卡车的行驶稳定性和安全性。对于矿用卡车而言，其悬架是其重要的总成，而平衡轴支架不仅是矿用卡车的车轴、板簧等安装的基础，更是平衡悬架的传力件和承载件，它的强度、刚度会直接影响整个平衡悬架的使用性能，对保证矿用卡车具有良好的行驶安全性有着非常重要的作用。

2 平衡轴支架模型建立

2.1 SolidWorks简介

SolidWorks是达索系统（Dassault Systemes S.A）下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。世界上第一款适用于Windows界面适合开发者使用的CAE模拟仿真软件就是SolidWorks，由于技术创新符合开发者的使用要求，并且SolidWorks软件功能强大，组件繁多、易学易用和技术创新等突出的特点，使得SolidWorks占据广大市场成为了广大设计开发设首选的CAE软件。

2.2 模型建立

由于矿区用重载卡车的平衡轴支架部件众多且零小部件较多，装配体较为复杂，所以考虑到模型建立的准确性选用SolidWorks进行前期模型的建立。为了提高分析结果的准确性，在模型导入前，对SolidWorks模型进行以下几个方面处理：

（1）去除结构中圆角、倒角以及孔进而提高网格划分的质量。

（2）简化或省略轴承端盖等相对质量较小，对结构刚度影响不大的零件。

（3）对整体模型进行等效质量处理。模型建好后转换为stp格式，而后导入ANSYS Workbench中。

3 分析方法

3.1 ANSYS Workbench简介

Workbench是ANSYS公司提出的协同仿真环境，解决企业产品研发过程中CAE软件的异构问题。如果把ANSYS进行细分的话可以分为Ansys Mechanical和Ansys Workbench。Ansys Mechanical称为经典界面，比较注重原理和求解器等选择，对结构、力学、有限元等理论知识要求比较高而且对初学者较为难学，Ansys Workbench是一个综合设计平台，封装了很多过程和软件，且更易上手，对于没有基础的使用者只要会简单的模块设计即可。ANSYS软件的结构分析模块包括：静力分析模块（分线性结构静力析和非线性结构静力分析）、模态分析模块、谐响应分析模块、瞬态动力学分析模块、谱分析模块及随机振动分析模块以及耦合场分析模块等。

ANSYS Workbench计算过程主体分为三部分组成：

（1）前处理模块。其中前处理包括：模型属性、单位的定义、建模体网格处理、施加载荷等。

（2）分析计算模块。其中此模块包括：分析项的约束定义和求解步骤，定义载荷及载荷步选项，最后solve。

（3）后处理模块，包括查看分析结果、观察结构变形和生成分析报告等。

3.2 网格划分

有限元分析的一个重要步骤就是建立有限元模型，通常就是对已建立的几何模型进行网格划分，网格划分的质量直接决定这分析结果的准确性。图1给出在建模结束后对网格进行划分，Average 为0.73948，满足0.7以上标准，故而网格划分符合要求。

4 分析结果

在平衡轴支架上施加二十吨即200000N的载荷，对材料的属性定义为高强度灰铸铁，载荷施加在中间的轴套上。则平衡轴支架的总日变形为0.038219mm，平衡轴支架受到的等效应力为48.345MPa。结果如图2和图3所示。

5 结束语

本文对平衡轴支架进行了静力分析。分析结果表明平衡轴支架结构最大等效应力为48.345MPa，最大变形为0.038219mm。经过查看机械设计手册可知，应力变形以及最大应力均在允许的范围值内。本文中结果仅为在一种材料下的分析，在以后的分析中可作为一个参考依据。另外，在后期的实验中可以加入对平衡轴支架的疲劳测试。

参考文献：

[1]申城.中国商用车之路[J].世界汽车，2005（1）：64-65.

[2]宁连旺.ANSYS有限元分析理论与发展[J].山西科技，2008（4）：65-66.

[3]ANSYS网格划分[EB/OL].http：//wenda.so.com/q/1375833036068907？src=140.

[4]金晗，张铭升，姜妍，等.基于ANSYS的角托架结构静力分析[J].科技创新与应用，2015（23）：51.

[5]沈洁.基于ANSYS的有限元设计分析方法[J].科技创新与应用，2014（29）：26-27.

[6]付贵，郭湘川.基于ANSYS Workbench的某活塞发动机曲轴有限元模态分析[J].科技创新与应用，2018（06）：20-21.

[7]张娜，陈庆兵，陈科，等.基于ANSYS Workbench的连接轴模态分析[J].科技创新与应用，2017（09）：81.