大型矿用自卸车车架结构有限元建模研究

张总

摘要：本文将某大型矿用自卸车的车架作为研究对象，运用有限元的方法构建有限元模型，以正常允许行驶作为边界条件，对比两种不同车架焊缝方案的数值计算结果，就数值计算结果中焊缝模型因素的影响进行了分析，以此为参照，对车架模型的准确性进行了验证。

关键词：大型矿用自卸车;车架结构;有限元方法;建模

中国分类号：TB472 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2019）06-0153-02

在矿山生产中，矿用自卸车是一种非常重要的机械设备，其本身结构复杂且使用条件恶劣，对于车架结构的稳定性和可靠性有着相当严格的要求，如果车架结构设计不合理，稳定性和承载能力不足，则会对大型矿用自卸车的整体运行安全造成影响。基于此，在针对大型矿用自卸车进行设计的过程中，应该做好车架架构的分析和研究。

1 研究目标

以大型矿用自卸车为研究对象，借助有限元分析的方法，进行模型构建，以此来研究矿用自卸车在正常运行工况下的车架结构稳定性问题，分析全局加载下车架整体的强度和刚度。同时，基于车架实物模型，构建ADMAS动力学仿真模型，针对自卸车车架结构在制动和极限工况下的铰接点受力情况进行分析，希望能够找出车架结构中可能存在的缺陷和问题，通过优化改进的方式，提升车架结构的稳定性和可靠性[1]。

2 有限元建模

有限元模型主要是运用有限元分析方法构建的模型，可以将其看做是于节点位置连接、单纯依靠节点传力，而且只在节点位置受到约束的单元组合体。借助有限元模型，可以构筑起大型矿用自卸车车架结构的模型。

2.1 纵梁结构有限元建模

大型矿用自卸车的车架主体包含两个纵梁、多个铸件以及部分大直径抗扭管件，因为在车架结构中，纵梁腹板的厚度相对于其长度和宽度要小得多，因此可以结合相应的薄壳理论，借助壳单元来完成网格的划分工作，在这个过程中必须明确，网格的类型以及连接方式会对最终计算结果产生影响。如果元件结构复杂，可以选择三角形网格，在提升分析效率的同时，能够减少网格布局的工作量，同时也可以提升模型计算精度。不过从保证收敛性的角度，应该将网格设置为线性三角形和四边形混用的形式，将三角形过渡单元的数量控制在10%左右，网格单元长度控制在10-30mm之间。一些受力较为苛刻的部位，需要做好局部网格细化，确保其能够将受力情况真实反映出来，实现对局部最大应力的精确捕捉[2]。

2.2 铸件结构有限元建模

大型矿用自卸车在设计中，很多时候都会在应力集中位置设置整体铸件来对车架架构的应力峰值进行控制，铸件采用的是均匀材质的异形结构件，多数都可以借助六面体单元进行网格划分，部分需要设置不超过总量1 0%的四面体和五面体，网格单元的大小为20mm。在整体车架结构中，尾部抗扭组件受力苛刻且体积较大，需要将网格单元的尺寸缩小到1 0mm[3]。

2.3 焊缝结构有限元建模

大型矿用自卸车车架主体主要是焊接而成，存在大量焊缝，焊缝结构的有限元建模精度会直接影响车身整体的强度和刚度性能。而在实践中，经常出现焊缝模拟不足，或者无法准确预测局部应力的情况，而且焊缝本身的形状性能与母材的差异性影响下，建模环节如果将焊缝材料忽略，则很容易导致焊缝位置应力过大的情况。焊縫建模方式多种多样，一般情况下，可以将其与其他细节处理成相应的连接结构，完成零部件的装配。为了方便分析焊缝结构对数据结算结果的影响，设计了两种有限元建模方案，一是借助CWELD单元对焊缝连接进行模拟，可以对任意类型单元进行连接，也可以通过与不匹配网格的连接，实现对不同零部件网格的批量划分，这样能够大大缩短建模所需的时间[4]。另外，在进行模型装配以及零部件替换时，并不需要对网格进行重新划分，各类零部件的更新和处理更加轻松;二是可以借助MSC公司的SEAM三维实体单元，模拟焊缝几何结构，构筑单元模型。上述两种模型均为软模型，比较符合实际情况，虽然凭借简化模型，并不能对焊缝热影响区域的应力值进行精确模型，但是得到的数值和发展趋势都具备一定的参考性，对比刚性连接模型有着更高的精度。

3 模型综合分析

依照大型矿用自卸车车架的装配关系，构建精细化的车架架构有限元模型。不同焊缝单元会对数值计算结果产生不同影响，将GWELD单元建立的焊缝单元对应车架模型设定为模型1，SEAM单元建立的焊缝单元对应车架模型设定为模型2[5]。

依照矿用自卸车的实际运行情况，对车架受力和整车的装配关系进行分析，确定好有限元分析的边界条件，然后以典型受力状况为参照，针对不同运行工况，对车架结构的应力分布情况以及最值进行分析计算。若矿用自卸车本身处于满载运行工况，运行速度恒定，车架的前后悬支撑以及横拉杆支座会在一定的约束下产生横向位移，推力架同样处于一定约束下，不过位移为纵向。将边界条件施加在与纵梁和悬架存在连接关系的构件上，满足结构运动约束关系。

自卸车车架需要承载的分布负荷可以分为前部负荷和后部负荷，前部负荷包括动力总成、走台连接结构、燃油箱、液压油箱等，后部负荷则包括货箱、物料等，从便于分析计算的角度，将车架自重、动力总成以及走台连接结构简化，以底盘簧载质量进行统一表示。以簧载质量、货箱质量和自卸车有效装载质量作为模型输入载荷，确保总成质量可以在左右纵梁上实现均匀分布，对于一些质量较小的部件如油箱等，直接忽略其影响[6]。

4 不同模型对比研究

4.1 模型1有限元结果分析

于满载匀速行驶工况下，对车架模型1的应变云图进行研研究，从等效应力与刚度两个方面，就车架模型进行相应的计算分析。

模型2中的焊缝与实际焊缝结构最为接近，因此假设其计算结果最接近真实值，与模型1的分析结果进行对比。

尾部抗扭组件铰接位置会在自卸汽车后轴与举升缸轴之间的距离中产生较大应变，应变峰值出现在举升缸附近，变形位移的最大值为9.67mm，可以采用铸件结构。当自卸车处于满载匀速行驶工况下时，对第四强度理论的等效应力进行讨论，结果表明，在纵梁前悬架支撑位置，以及纵梁后部和尾部抗扭组件位置，承受的应力相对较大，而在距离车架纵梁前端2/3的位置，尾部抗扭铸件铰接位置等，同样出现了应力峰值，车架纵梁的最大等效应力达到178MPa[7]。