某型装载机车门扭转刚度分析及优化*

黄桂华,陈 力,杨晋博,覃 敏,周新星

(1.广西威翔机械有限公司, 广西 柳州 545007; 2.广西科技大学 机械与汽车工程学院, 广西 柳州 545006)

0 引 言

装载机车门在工作时需要承受各种力的作用,其中扭转力是一种常见的工况。如果车门在扭转工况下的刚度不足,可能会导致车门变形或受力过度,从而影响其使用寿命,严重时甚至危及车上人员的安全。

工程机械车门扭转刚度优化方面,工程师主要采用有限元分析和结构优化方法,通过优化车门结构和材料,提高车门的扭转刚度和使用寿命,同时降低车门的重量和成本。车门的刚度优化主要集中在车门结构参数的优化设计[1]、车门刚度测试和分析[2]几个方面。笔者主要采用有限元分析方法,针对扭转工况车门刚度不足进行结构优化。由于车门部件较多,采用有限元分析中的灵敏度分析[3],筛选出对刚度影响较大的部件,结合实际工程经验对筛选出的部件进行结构设计优化。最后将优化结构通过有限元仿真平台进行设计优化验证。

1 车门扭转工况有限元分析

1.1 有限元建模

首先对车门模型进行简化,去除车门塑料件及车门玻璃。为了方便计算和分析,暂时不考虑玻璃和推拉窗的建模,并假设铰链处轴销不变形且不考虑焊缝失效。把车门全部划分为壳单元,赋予厚度。采用有限元软件中的RB2单元模拟螺栓连接及铰链连接,螺栓连接约束6个自由度,铰链连接除转动轴自由,其余5个自由度约束。采用RB3-acm单元模拟二层及三层板件焊接。网格大小为6 mm,根据CAE有关标准,简化后的模型如图1所示。

图1 车门有限元模型图2 加载条件

在有限元软件Hypermesh中,设置材料属性,材料的弹性模量、泊松比、密度定义,车门的材料参数如表1所列。

表1 车门部件材料参数

1.2 加载设定

当车门受到扭转力时,需要具备足够的刚度和结构强度,才能够承受扭转力而不发生破坏或变形。加载工况设定两种:①在锁上方至门翻边处施加900 N垂直于门的载荷,模拟车内开关门撞击力;②锁下方门边框处施加900 N垂直于门的载荷,模拟车外开关门撞击力[4]。两种工况约束方式相同,铰链可以绕Z轴转动,铰链与车身连接点约束1～6,锁位置约束1～3。车门加载条件如图2所示。

2 结果分析

当车门受到扭转力时,需要具备足够的刚度和结构强度,才能够承受扭转力而不发生破坏或变形。根据经验,该企业对该型装载机车门刚度的规定为:在锁上方至门翻边处施加900 N垂直于门的载荷,车门刚度满足3 500 N/mm标准,结构最大应力应该低于150 MPa;锁下方门边框处施加900 N垂直于门的载荷,车门刚度满足200 N/mm标准,结构最大应力应该低于300 MPa。

将搭建完成的有限元模型导入Optistruct求解器并进行计算。根据Hyperview软件进行后处理结果分析。

车门刚度计算公式为:

K=F/δ

(1)

式中:F为施加在车门上的力,N;δ为车门观察点的变形量,mm[5]。工况一位移观察点为锁上方至翻边位置。工况二位移观察点为门框下方至翻边处。扭转工况刚度通过式(1)计算。

根据两种工况的有限元分析计算可知,该车门的两种工况刚度及应力未达到企业标准。该型车门漏雨原因是扭转工况的刚度过小,锁板外凸原因是锁板处应力过大。有限元分析分析结果云图如图3所示。位移分析结果对比表如表2所列。

图3 分析结果云图 车门分析结果图

表2 有限元分析结果对比表

3 灵敏度分析

在结构设计中,一般需要综合考虑刚度、质量、安全性等多种因素,而灵敏度分析可快速定位哪些部件对关键性能影响较大,从而有针对性地进行优化设计。在筛选出待优化部件后,可根据学术理论和经验进行结构优化设计。通过改变零件的形状、尺寸、材料等方面来提高其刚度、强度、耐久性等性能指标。在此过程中,需要综合考虑设计要求、材料特性、加工工艺、成本等因素,以实现最佳的性能和经济效益。

对于一个有限元模型,其响应f是一个函数,它依赖于一个向量X=[X1,X2,...,Xn],其中Xi表示第i个设计变量的取值。

则参数Xi的灵敏度Si定义为:

(2)

通过灵敏度分析确定输入参数对输出结果影响最大,进而优化模型的设计和参数设置,提高模型的准确性和可靠性[6]。灵敏度分析以板件尺寸为设计变量,以加载点位移及质量最小为响应,约束条件设置为加载点位移满足目标位移。灵敏度分析板件厚度如表3所列。

表3 灵敏度分析板件厚度表格 /mm

进行灵敏度分析,将计算的结果数据可视化。相对灵敏度图如图4所示。由图4可知,ID:1、2、4、7板件对整体结构的影响最大,故可对该属性的结构进行结构优化。

图4 相对灵敏度结果

4 结构优化

根据灵敏度分析结果,结合力学知识与实际工程经验,对相应部件进行结构优化设计。具体结构优化如图5所示。结构优化主要集中在车门内板、门锁处。根据结构力学知识,选择起筋增加车门刚度,根据有限元后处理结果,结合传力途径优化结构。

图5 结构优化设计

对优化后的车门进行有限元分析求解。从分析结果看,优化后车门刚度性能与强度性能大幅度提升,并满足设计要求。分析结果对比如表4所列。优化车门有限元结果云图如图6所示。

图6 优化后有限元分析云图

表4 分析结果对比表

5 结 语

优化后的车门结构在扭转工况下的刚度和强度得到了显著的提升。在优化设计中,通过灵敏度分析和力学知识的运用,发现了车门内板中部门框及门锁处加强板区域存在优化空间。在进行问题区域设计优化后,锁上方至门翻边处施加载荷工况,刚度提升94%,应力降低13%。锁下方门边框处施加载荷工况,刚度提升148%,应力降低22.7%。 这表明,优化后的车门结构在扭转工况下具有更好的刚度和强度,能够更好地承受扭转力和其他工作条件下的力,从而提高了装载机车门的结构性能。