大型履带排水车可旋转式支腿CAE分析及优化.pdf

机械工程师 MFCHAN CAL ENGl NEER 大 型履带排水车可 旋转式支腿C A E 分析及优化 张功元 l I2 ， 朱鹏鹏 ， 林志国 ， 彭倩 ， 蔡 源欣 ， 1 厦门理工学院机械 与汽 车工程 学院 ， 福建厦门3 6 1 0 2 4 ； 2 福建侨 龙专用车有限公司 ， 福 建 龙岩3 6 4 0 0 0 3 厦门威迪思汽车设计服务有限公司， 福建 厦门 3 6 l 0 2 4) 0引 言 移动泵站作为固定泵站 的重要补充 ， 具有投资小 、 适 用范围广 、 机动性强等特点。 大型履带排水车作为移动泵 站的一种 ，可以行驶到现场作业 ，尤其适用于大面积农 田、 沼泽等特殊领域。可旋转支腿作 为举升机构 ， 是保证 大型履带车机动性的基础 ，同时解决 已有车辆支腿超 出 C B 1 5 8 9 2 0 0 4限宽要求的问题 ； 花键 、 花键套在静态条件 下的强度和支腿的稳定性是保证支腿正常 、可靠工作 的 前提 ， 因此开展花键 、 花键套强度和支腿稳定性研究对提 高可旋转支腿的性能具 有重要意义。 借助 H y P e r M e s h和 O p t i S t r u c t 软件 ，建立 大型履带 排水车模型 分析静力下花键 、 花键套的刚强度和支腿 的 稳定性 ； 在此基础上对可旋转支腿半径进行尺寸优化 ， 并 检验优化后支腿的稳定性 。 1 方法与材料 1 | i作凉理 r 作原理 ： 螺旋花键通过 L j 配对零件的配合， 达到驱 动齿轮在轴向直线运动的吲时产生旋转运动 J。螺旋花键 的螺距 为 1 0 0 0 m i l l ， 支腿伸f j 2 5 0 m i l l 的同时旋转 9 0 。 。 可旋转支腿如图 1 所示 ，由伸缩机构 和升降机构组 成 ， 呈 “ T ” 字 形 。伸 缩 机 构 由 花 键 轴 、花 键套 和伸缩 油缸 构成 ；举 升 机 构 由支腿 和 举 升 油 缸 构成。 可 旋 转 支腿 T作 过 程 如 图 2所 示 ，包 括 伸 缩过程和举升过程。 伸缩过程 ： 花键轴会受到来 自伸缩油 缸的轴向外力 ， 花键轴进行平动和转动两个动作 ， 举升机 构随花键轴一起运动 ， 由水平横向旋转到竖直方向； 举升 过程： 在举升油缸作用下 ， 支腿逐渐伸长， 举升整个车辆 。 2 评价指标 保证履带车被举 到最高位置_T况下花键 、花键套刚 强度和支腿 的稳定性是确保机构稳定工作的前提 。在伸 缩过程支腿未着地 ， 花键和支腿受到的力都较小 ； 在举升 过程 ， 花键轴不再旋转 ， 支腿伸最长时稳定性最差。 网 址： ， v f i x g c s C O rn 电 邮 h r b e n g i n e e r 1 6 3 c o m 2 0 1 5 年第1 2 期 l 9 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械 工程 师 Ni AI FN( 1 ) 强度和刚度 强度表示结构抵抗破坏的能力 尤论 是蜊性材料达到屈服极限时产生 的塑性变形 ，还是脆性 材料达到强度极限时构件发生突然断裂，都认为是材料 失效：考虑到安全 系数建 的强度条件为 。 ( 1 ) 其中 r 厂 是考虑到安全系数的强度极限或朋服极 限。 刚度表示材料或结构抵抗 变形的能 力，刚度 K南公 式( 2 ) 求得： K= P 6 。 ( 2) 其中： P表示施 力； 占表示变形量。 2 ) 稳定性 。 稳定性是受 力构件保持稳定平衡的能力， 当构件长细 比过大 ，在不大的作用力下导致突然发生作 用 力平 吾 i 外的极大变形而不能保持平衡 ，常用屈曲分析 来研究结构的稳定性。 程中有些承受轴向压力的杆件在 满足强度条件时 ， 却不能保证安全可靠地 I ： 作 ， 会突然发 生明显的弯曲变形 ， 丧失承载能 力， 这种现象称为稳定失 效 。 腰 曲丰要发生在细长或薄壁结构 卜? 使用有限厄方 法先在结构上施切卜 个参考载荷 然后通过线性静态 分析得到结构心力， 该应力将用于几何刚度矩阵 ； 的构 建 ， 最后通过求解特 征值问题得到厢曲凶子 ， 计算公式 为 ( K AKG) r = 0、 ( 3) 式 中： K是结构的刚度矩 阵； A是参考载荷的放火 系数 使刚 L a l l ( z o s 方法求解特征值问题 ， 该方法只求解较低阶 的一些特征值、 最小的 A与 结构屈 曲有关 ， 凶为一旦发生 结构 已经 失效 所以通常情况不需 婴考虑后面的特 征值J f 晡临界载荷可以根据公式( 4 ) 计算得 ：厂一 ， A I ( 4 ) I r 有限元建模 曩 _ 1 ) 有限冗模型。大型履带排水车是由液压驱动泵l一 装蹬( 包括驱动单 C 、 泵段、 排水路管以及辅助系统 l 等) I亏 疆带底 集成 泵段通过系统自 带液压辅甘 J 系 l 蠹 统旋转、 仲缩， 快速就位， 并将水流引向履带侧而输水 I 管将水排向远处 排水车的具体参数如表 l 所示 1 为提高有I E ； A 运算速度 、 保证结果的精确度， 进I 行适当简化 i l 重心不变的前提下， 将车体简化成【 一 个“ 方 龠” ； 忽 略剩余部件的过渡网 、 定位孔倒 加 以及螺栓孔 ； t 忽略表而 q 下去 的非一 T ： 作而 ； d 零件 问是片 】 焊接 、 铆接和螺栓连接 ， 选用 l D的刚性单 模 拟各种连接 履带车的有限 亡 模型如l 矧3 ，有限 已 模型 点数 共计 5 3 5 l 2 7 ，总 元数 1 5 0 l 6 5 7 其中 l I ) 单元数 l 9 8 9 ， 壳 元数 5 3 3 5 2 0 ， 四面体数 9 6 6 1 4 8 。 采用 四面 体 格 埘花键轴 、 花键套结构进行网格划分； 支腿 下 部分采J t J b e a n - 单 ； 其它部件采用壳单元。 为模型中 每个单 己 赋予材料特性 ， 部件材料属性参数如表 2 所 2 ) 刚强度分析边 界条件 、约束没定 为： 约束支腿 下端的 6个 内f _I 度， 其他部件用刚性焊接的方式连接 定化 、 载_衙设定为 ： 所有部件赋予 f 身的蘑 力 ，将简化 部件的重 力均匀r f ,J I ,i 在“ 方盒”卜 表 l QL L Y3 0 0 0大型履带排水 车参数 K Il 1 l l 】 宽 l1 l l l1 商， l 1 l I1 I 匝 I 最高1 速 ( k i l l h 表 2 部件材料属性参数 部件 材料 屈服强度 M P a 惭度 ( k g Il l 。 )弹性模 G P a泊松比 花键、 花键套 4 5钢 3 5 5 7 8 9 0 2 0 9 O 2 6 9 支腿 Q 3 4 5 3 4 5 7 8 5 0 2 0 6 0 2 8 0 其它 Q 2 3 5 2 3 5 7 8 5 0 2 1 o 0 2 7 4 3 ) 稳定性分 析边 界条件 分 离单个支腿分析 其稳定性 ，约束 设定如下 ：将 支 腿 下端 的 6个 f t I l 1 度约求， f 端 一南载荷 没定 如下： 在 支腿 l 施 力 l 】 载衙 f 为 4 00 0 0的壳边缘 载荷 支腿受到的压力源 自于车身的重力， 褴个车身的蕈 量为 l 2 t ， 平均每个支腿受到的力为 3 0 0 0 0 N ， 考虑到车 身的重心偏置 ，故选参考载荷为 4 0 0 0 0 。将模型提交到 O p t i S t r u c t 分析计算 r Ad v2 a n 6c e9 d 2 A E v + e0 r a2 9 。 It - 2 3 9 3 E + 0 2 it _ 2 0 9 4 E+0 2 图 4 整车模型应力分布图 1 0 0 2 。 1 5 年第 1 2 期 网 址 、 j g c s c 。 m 电邮 h r b e n g j n e e r 1 6 3 c。m 花键、 花键套应力分布图 2 2 2 2 2 2111 0 O O O O 0 O 0 0 0 0 +十十+ E E E E E E E E E E 2 3 4 4 5 6 2 21 O 9 9 9 9 9 9 7 8 9 0 6 3 0 7 4 9 9 9 0 2 2 2111 8 5 2 0 2 2 2 1 1 1 0 0 O 0 O 0 0 0 + E E E E E E E 4 5 6 2 2 1 0 9 g 9 7 8 9 0 7 4 1 9 9 9 O 1 1 1 8 5 2 0 一一一 I l I 4 - 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械 工程师 0 A i A 0l 2 仿真分析 2 ， 花键轴、 花键套静力学强度分析 整车应 力分布如图 4 所示 ，模型 的最大应力出现在 花键和花键套啮合的位置， 其它零部件的应力较小。 花键、 花键套应力分布如图 5 所示 ， 花键 、 花键套的最大应力出 现在节点 5 8 3 l l 6 ( 花键套的头部位置) ， 为 2 6 9 2 MP a 。花 键 、花键套位移分布如图 6 所示 ，花键套的最大位移为 2 5 6 6 m m。花键 、 花键套 的材料 为 4 5 钢 ， 其屈服应力 为 3 5 5 MP a 。故花键 、 花键套的刚强度满足要求。 2 2支腿稳定性分析结果 支腿的屈曲分析结果如图 7 所示 ，在 4 0 0 0 0 单位载 荷作用下得到 的屈 曲因子 A = 6 5 2 ， 根据公式( 4 ) 求 出 等于 2 6 0 8 0 0， 大于 4 0 0 0 0 。 所以支腿满足屈曲要求 ， 且有 较高的安全系数。 2 5 I 嗣 66 1E + 0 lr E + O o0 l 一 | = 2 2 8 1 =0 啊 I L 1 9 96E+ 00 扩 8 5 54E - 01 i F5 7 0 3 E 0 1 O 2 0 8 0 0 51 E E- + 0 0 0 1 ： 曩 敷 = 图 6 花键、 花键套位移分布图 熏7 7 8 0l+01 6 6 8 E -01 5 5 7 E - O t 4 4 4 6 E01 3 3 4 E +0 2 2 3 E+01 t E * 0 1 l 一 埘 e i 3 誊2 1 O g OO E O 3 尺寸优化 1 ) 支腿半径 的尺寸优化。优化设计是满 足模型约束 条件的前提下 ， 尽可能达到变形小 、 质量轻 、 体积小 、 形状 合理 、成本最低 以及力学方面最大限度地减缓过渡区应 力集 中的 目的 。尺寸优化是在结构形式不变的情况下 对结构尺寸进行优化 。 a 设计变量。 选择支腿的半径作 为设计变量 。 支腿的 主要参数为高度和半径 ，为了满足其功能要求高度不能 变动。 设计变量为 x 2 , 其中： 。 表示活塞半径 ， 表示 液压缸内径 ， 表示液压缸外径 ， 且 。 = 。 b 目标 函数 。 选择支腿 的质量 厂 【 ) 作为优化的目标函 数。 在支腿满足刚度和稳定性的条件下， 求质量最小时对 应 的半径 。 ， I ) = ( 1 ， 2 ， 3 ) P 。 ( 5) 其中： 为体积 ； p为材料的密度。 c 约 束条件 。为了保证支腿的刚度 ， 要求支腿在整车 重力的作用下的最大位移不能超过设计值 ，优化前支腿 在压力的作用下最大位移为 0 7 8 m m， 为保证位移变化量 不会 太大 ， 限定最大位移不大于 l l n m。用 函数表示为 d d 。 ( 6 ) 其中 d 为支腿允许的最大位移 ， d 为 1 m m。 在实际情况 中支腿 的半径不可能太小 ，所以把支腿 的半径约束在现实 的范围，优化前支腿 L部分的厚度是 2 0 I i l m、 支腿下部分半径是 5 0 I n m： 2 0 mm 1 5 0 mm ； 1 0 mm r 2 2 0 t h i n 。 ( 7 ) 2 ) 优化计算 。 在 H y p e r M e s h中定义设计变量 、 设计响 应 、 设计约束 和设计 目标等优化参数后 ， 提交 O p t i S t r u c t 软件进行优化分析_ 5 _ 。优化 的结果为 ， = ： = 3 7 8 3 I l l I l l 、 5 3 4 4 m m， 为了加工方便 ， 取 3 g I = 扬 = 3 8 l n i l l 、 x 3 = 5 4 m m。 支腿优化前 、 后参数 比较如表 3所示。支腿活塞半径 。和活塞缸外径 她 的变化对屈曲因子的影响最大 ，减小 到 2 2 4 ， 但是依然满足稳定性 的要求 ； 半径的变化对最大 位移影 响较小 ， 增加 了 1 9 5 9 ； 半径的变化对质量有一 定 的影响， 质量减少了 2 7 6 5 ， 实现可轻量化 。 表 3 支腿优化前 、 后参数比较 对比项 X l ram X 3 ram 屈曲因子 质量 k g最大位移 m m 最大应) J MP a 4结论 1 ) 花键 、 花键套刚强度满足要求。 最大应 力 现在节 点 5 8 3 1 l 6 ， 为 2 6 9 2 MP a ， 最大位移为 2 5 6 6 Il l n l 。2 ) 支腿 稳定性较好 。在 4 0 0 0 0 单位载荷 的作用下 ， 其屈 曲因子 为 6 5 2 。3 ) 优化后支腿质量减少 2 7 6 5 ， 实现了轻量化 。 支腿半径 的变化对稳定性影响较大 ， 减少到了 2 2 4 ， 但是 满足稳定性 的要求 ； 对支腿的刚强度影响较小。 参考文献 1 顾 立 峰 螺 旋花 键轴 螺旋 角测 量装 置 f J 机械 制造 ， 2 0 0 5 ( 8 ) ： 6 6 67 2 刘鸿文 材料力学 M 北京 ： 高等教育出版社 ， 2 0 1 1 3 范平， 李晨 ， 张纯禹， 等 2 0 0 0 t X 8 7 m门式起莺机有限元分析【 J J _ 机械研究与应用 ， 2 0 1 2 ( 3 ) ： 9 8 9 9 4 丛 明， 房 波 ， 周孜亮 车一车拉数控机 床拖板有限元分析及优化 设计 J 中国机械工程 ， 2 0 0 8 ， l 9 ( 2 ) ：2 0 8 2 1 3 5 杨海军 ， 张爱林 ， 姚力 应 力约束下预 应力平面实体钢结构拓扑 优化设计 J j _计算力学学报， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 6 ) ： 7 6 6 7 7 1 ( 编辑 明 涛 ) 作者简介 ： 张功元 ( 1 9 8 5 一 ) ， 男 ， 工程 师 ， 主要从 事专用汽 车、 X - 程机 械的的产品研 发 ； 朱鹏鹏( 1 9 9 一) ， 男， 硕士研 究生 ， 研究方向为车辆工程 通信作 者： 朱鹏鹏 ， 5 7 8 3 9 2I l 5 q q c o r n 。 收 稿 日期 ： 2 0 1 5 0 8 一 O 7 网址： W W Wj x g c s c o rn # g 13 ： h r b e n g i n e e r 1 6 3 c o m 2 0 1 5 年第1 2 期 1 01 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m