基于ANSYS的农用挂车气压制动系统设计与仿真

2018-06-06董世钢

农机化研究 2018年6期

董世钢

(长春汽车工业高等专科学校，长春 130013)

0 引言

随着现代农业机械化程度的不断提高，粮食的运输量越来越大，粮运市场上对重型挂车的需求也越来越高，而目前我国使用的挂车制动系统还较为落后，严重制约了农用挂车的发展，因此对农用挂车气动系统的研究具有重要意义。当前，我国采用的挂车系统大部分是进口的，很少对其局部结构进行分析或者改进，因此对制动系统部件具体特性的分析对整套制动系统性能的研究有着极为重要的作用。弹簧是农用挂车刹车系统四路保护阀使用的核心器件之一，而四路保护阀是保证农业挂车刹车系统可以正常作用的重要因素。本研究采用了ANSYS仿真分析软件对其展开分析，对于整个农业挂车刹车系统的研究具有重要的现实意义。

1 农用挂车气压制动系统分析

农用挂车属于重型汽车，其刹车系统和普通轿车的刹车系统有所不同。在挂车系统上除了有驻车制动外，还有单独的牵引挂车制动手柄，这样才能保证车头和牵引挂车刹车的同时制动性能。

图1为全车制动系统原理图。为了保证刹车的独立性，气动制动分为4个回路，包括前桥系统、中桥系统和停车与辅助制动系统。4个回路采用四回路保护阀的方法，防止单独一路发生故障对其他回路造成影响。

图1 全车制动系统原理图

图2为农用挂车制动的过程原理图。在制动踏板的作用下，制动气进入刹车系统，使刹车系统瞬间获得较大的制动力；抬起制动踏板后，外界大气压和制动系统大气压相通，制动结束。

为了保证刹车系统的正常工作，刹车系统安装有4路保护阀，4个回路以并联或者串联的方式彼此可以反馈信息，阀门的开启主要是由腔体传过来的压力弹簧的预紧力决定的。弹簧是农用挂车刹车系统四路保护阀使用的核心器件之一，其性能的好坏直接关系到四路保护阀(见图3)的作业性能，因此对其力学和变形等性能的分析非常重要。本研究采用了ANSYS仿真分析软件对其展开研究，得到了较好的效果。

图2 制动过程原理图

图3 四路保护阀结构

2 气压制动预紧弹簧应力应变分析模型和流程

UT=[U1U2…U(2i-1)U2i…U2n]

(1)

对于每个三角形单元，都有3个节点和其关联，假设节点的序号为i、j、k，则三角形单元沿着x和y轴方向的位移变形示意图如图4所示。

图4 三角形单元节点位移示意图

图4中，其位移和3个节点相关。位移表达式为

(2)

(3)

从几何意义来说，利用这种近似方法具有一定的误差。这就是因为实际的单元是一系列复杂的曲面，用平面来代替必然存在一定的误差；但是，如果将平面单元划分为很多小的平面，便可以近似的代替曲面。因此，将节点位移可以写成矩阵的形式

(4)

如公式(4)所示，利用矩阵表达式可以将待定系数用位移来表示，于是公式(3)可以写成

u(x,y)=N1u1+N2u2+N3u3

(5)

(6)

a1、b1、c1分别为

a1=x2y3-x3y2,b1=y2-y3,c1=-x2+x3

(1→2→3→1)(7)

A表示单元的面积，其表达式为

(8)

其他N2、N3的式子也用类似的方法可以得到。(1→2→3→1)表示循环交换，同理可得

v(x,y)=N1v1+N2v2+N3v3

(9)

综合起来可得

(10)

其中

(11)

通过上述方法，可以将连续体上的位移用很多有限单元的位移来表示，将一个未知求解问题转换成很多个未知求解问题，从而完成有限单元的离散化，具体流程如图5所示。

图5 ANSYS仿真优化计算流程

采用ANSYS软件对农用挂车气压制动系统进行优化，主要包括前处理和后处理两部分。前处理首先是采用Pro/E软件建立仿真模型，然后对模型进行有限单元网格划分，网格划分完成后需要根据气动制动系统的实际作业情况施加边界约束和实际作业载荷。前处理完成后便可以采用ANSYS软件进行仿真计算，计算完成后开始后处理操作，通过后处理可以得到应力、应变和实际变形等设计参考数据。

3 农用挂车气压制动系统设计与仿真

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件，可以使用在流体、电磁、结构及传热等仿真分析领域，历年在FEA软件评选中都是第一，其功能强大、操作简单，是目前最流行的仿真分析软件之一。为了验证ANSYS分析软件在农用挂车制动系统优化中使用的可行性，以制动系统预紧弹簧的分析为例，通过应力和变形云图的分析，将农用发动机气压制动系统的预紧弹簧工作过程生动直观地表达出来。

如图6所示，本分析以农用挂车气压制动系统的预紧弹簧分析为例，利用Pro/E 软件建立了弹簧的分析模型，并对模型进行了网格划分，最终得到了如图7所示的模型效果图。

图6 农用挂车实际车型图

图7 预紧弹簧模型效果图

在划分好网格的弹簧模型上可以施加约束和载荷，为了使仿真和实际效果相吻合，将底部弹簧固定，顶部弹簧施加气压制动系统的实际预紧载荷，通过分析得到了如图8所示的分析结果。

图8 预紧弹簧应力云图及结构变形图

由图8可知：利用ANSYS计算得到的气压制动系统预紧弹簧的最大变形量为28.06mm，与实际计算得到的27.82相差不大，从而验证了仿真的可靠性。为了使仿真结果更加直观，输出了弹簧的实际变形，如图9所示。

图9 预紧弹簧实际变形

ANSYS还具有输出模型实际变形的功能。通过图7得到的最大位移和应力位置，在图9中可以重点来考察其实际变形情况，结果更加生动形象，便于农用挂车气动制动系统的优化设计人员参考设计数据。

4 结论

弹簧是农用挂车刹车系统四路保护阀使用的重要器件，其性能直接关系到整个挂车气制动系统的性能，本次研究采用ANSYS有限元仿真的方法对其动力学性能进行了仿真研究。首先采用Pro/E软件建立了刹车气动制动系统的预紧弹簧三维模型，然后利用四面体网格形式划分了弹簧的网格，最后根据挂车制动时的实际作业状态，施加了弹簧约束和力学载荷，得到了弹簧动作的仿真结果。由仿真结果可以得到弹簧在实际动作时的应力和变形云图，并且还可以将弹簧的实际变形直观地表达出来，从而验证了方案的可行性。

参考文献：

[1] 张浩,黄会荣.基于 ANSYS 的少片变截面钢板弹簧可靠性分析[J].客车技术与研究,2010,32(2):51-54.

[2] 姚凯,王红,商跃进.135Ti-30 发动机连杆的强度和模态分析[J].兰州交通大学学报, 2013,32(4):12-16.

[3] 程来,宋言明.基于等效接触区域的螺栓连接结构模态分析[J].机械设计与研究,2012,28(2):44-47.

[4] 刘道春.弹性元件在汽车悬架上的应用[J].汽车工程师,2009(4):52-54.

[5] 薛闯,贾建军.装配体结构有限元分析中的螺钉连接模型[J].科学技术与工程,2006,6(7): 825-828.

[6] 曹凤利,薛孟君.基于有限元的坦克变速箱体模态分析[J].装甲兵工程学院学报,2004,18(4):35-37,54.

[7] 黄会荣,朱怡婕,郭家元,等.基于 APDL 的改变剪力墙可靠性研究[J].应用力学学报,2012,29(2):210- 214.

[8] 黄会荣,朱怡婕,赵岩,等.考虑横向剪切变形矩形底中厚扁壳的屈曲研究[J].应用力学学报,2012,30(3): 361-366.

[9] 王志超,何洪军,于多年,等.框架式货车驾驶室开发研究[J].汽车技术,2011(11):426-33.

[10] 朱秀娟,谭庆亮.重卡驾驶室结构优化顶盖静压仿真分析[J].科学技术与工程,2010,10(16):4071-4074.

[11] 商跃进,王红.铁路货车变刚度弹簧组疲劳强度设计方法研究[J].机械强度,2006,5(2):41-42.