基于ANSYS的微型车载转运作业平台的优化分析

刘彪杰 钟吴汐

摘要：针对现有车载转运作业平台机动性差、调平时间长、作业环境要求高、辅助设备多等问题，设计出有别于液压系统转运作业平台的电机升降式车载转运作业平台。运用 ANAYS Workbench对其进行强度分析、模态分析，对转运平台做出结构优化，以便满足设计需求的同时，提高设计效率和减少成本。

Abstract： In view of the problems such as poor mobility， long leveling time， high requirements of working environment and many auxiliary equipments of the existing vehicle transfer platform， a motor lifting vehicle transfer platform different from the hydraulic system transfer platform is designed. The strength analysis and modal analysis are carried out by using the analysis workbench to optimize the structure of the transfer platform， so as to meet the design requirements， improve the design efficiency and reduce the costs.

关键词：强度分析;模态分析;结构优化

Key words： strength analysis;modal analysis;structural optimization

0  引言

随专用汽车的发展，对微型车载转运作业平台性能的需求有所增加。现有平台多为液压系统作业，其在调平过程中难以实现定比传动，且存在易受环境影响，发生故障不易检查和排除等因素。本文设计出以电机作为驱动的转运作业平台以满足当下市场对车载转运作业平台多样化、快速调平定位的需求[1]。

1  有限元分析前期处理

为了便于有限元分析，对部分零部件简化，略去车桥及油箱等附件[2]，平台如图1所示。利用ANSYS对其就行六面体网格划分，模型如图2所示，共计162014个节点，67147个单元。

2  工况边界条件设定及有限元静强度分析

在ANSYS Workbench线性静态结构分析中不考虑惯性和结构阻尼的影响[3]。本文将其静态工况设定为转移和调平两工况静强度分析。

车载平台静态力学分析：

主要模拟车载转运作业平台满载时在良好路面行驶所出现的应力分布与变形情况。车载作业平台在良好路面行驶时，边界条件设置如下，在车桥与马鞍接触处设置圆柱约束，释放车架俯仰自由度，约束其径向和轴向自由度。加载时，考虑车架自重，施加垂向重力加速度，车架承载为20000N，施加在车架中部承载区。经计算，车载平台应力应变分布情况及分析如图3、图4、图5所示。

因平台前后轴距较大，重心偏后，致使平台前端刚度较小，垂向形变位移0.4586mm，支腿衔接处和车桥处应力为193.68MPa，小于材料屈服极限。最大应力在支座处，需加强设计。

3  車载转运作业平台模态分析

模态分析是用于确定设计中的结构或机器部件的振动特性的一种方法。模态特性主要有以下三方面。一是使结构避免共振或按特定频率进行振动;二是了解结构对不同类型的动力载荷的响应;三是有助于在其他动力学分析中估算求解控制参数[4]。

预应力模态分析：

设定边界条件模拟真实工况，准确求解车架在具体工况下的动态性能[4]。其预应力情况为良好路面上匀速行驶与调平时，负载由自重和承载质量构成。经ANSYS Workbench的求解，如表1所示。

各振型云图显示，车架振型光滑没有突变。对于转运作业平台来说，引起车架振动的激振源主要来自路面不平引起的振动，其激励一般低于20Hz，而在预应力的作用下，车架刚度有所提高，频率均高于路面基频，不会引起作业平台发生共振。形变在其支腿衔接处、前后车桥附近及转向盘固定处，最大形变达到6.0467mm。车载平台调平时，对应频率的振型变化相对较小。

4  车载转运作业平台优化分析

针对上述问题，优化结构：增加转向固定装置与支腿处的刚度;支腿调平时受弯扭载荷，将支座及螺栓布置优化，使承载构件在不影响整车性能的前提下，受力更合理，提高其稳定性。

4.1 车载平台在路面行驶过程中的有限元再分析

模拟转运作业平台满载时在面行驶所出现的应力分布与变形情况。其应力应变分布情况如图6、图7、图8所示。

优化后垂向位移变形0.4378mm，支座应力为170.93MPa，数据显示优化后车载平台的应力应变有了较大改善。

4.2 车载平台优化后预应力模态分析

针对优化后的平台在路面上匀速行驶和调平时，在自重和负载下，经过ANSYS Workbench的求解后，如表2所示。

各振型云图显示，引起车架振动的激振源主要来自路面。在预应力下，表2中所列的固有频率高于路面激励频率20Hz，对应振型预期效果较优化前有很大提升，满足预期要求。在调平时其固有频率随优化而得到提升，对应振型所呈现的效果相对优化前更接近预期。

5  结论

本文运用ANSYS Workbench软件对以电机作为驱动的转运作业平台进行优化分析。对不同工况下其应力、应变及预应力模态进行分析和优化，结果表明设计的转运作业平台静动态特性符合设计要求。

参考文献：

[1]韩婷.基于ANSYS的车架拓扑优化 [D].武汉：武汉理工大学，2013，4.

[2]王亮.车载稳定平台结构设计及其动态特性分析[D].成都：西华大学，2013.

[3]吕文汇.某型坦克运输半挂车车架结构有限元分析及优化设计[D].上海：上海交通大学，2006.

[4]曹群豪.军用客车车身骨架结构随机振动特性与疲劳分析[D].上海：上海交通大学，2007.