平地机钢板-混凝土配重碰撞动态分析.pdf

观 弋 积 l xM 诅o d e r n 哪 平地机钢板 一混凝土配重碰撞 动态分析 李 淑飞 ， 张国丽 ( 1 上海交通大学， 上海2 0 0 2 4 0 ； 2 祥宇建筑研 究院， 江苏 苏州2 1 5 0 0 0 ) 摘要： 利用 A B A Q U S通用有限元分析软件， 对平地机钢板 一混凝土复合结构配重块在遭受低速撞击时的受力情 况进行有 限元仿真分析 ， 介 绍 了钢板 一混凝土复合 结构的损 伤原理和接 触关 系， 对复合结构在局部受撞击 时的破坏 情况进行了尝试， 通过分析结果和实验的验证 ， 表明了平地机配重块材料采用钢板 一混凝土复合材料替代钢板单一 材料 的可行性 ， 为类似设计提供 了理论依据和 分析 方法。 关键词 ： A B A Q U S 钢板 一混凝土配重平地机碰撞 中图分类号 ： T U 6 2 3 6 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 6 8 8 6 ( 2 0 1 4) 0 5 0 0 2 2 0 4 S t e e l c o n c r e t e c o un t e r we i g ht o f mo t o r g r a de r i mpa c t dy na mi c s t r e s s a n a l y s i s LI S h u f e i ， Z HANG Gu o fi Ab s t r a c t ：T h i s p a p e r c a r ri e s F E A a n a l y s i s f o r s t e e l c o n c r e t e c o u n t e r we i g h t o n mo t o r g r a d e r i n t h e p u s h i n g a n d i mp a c t w o r k i n g c o n d i t i o n u s i n g A B A Q U S s o f t w a r e ，i n t r o d u c e s t h e d a m a g e m e c h a n i s m o f s t e e l c o n c r e t e s t r u c t u r e s a n d c o n t a c t i n t e r a c t i o n，t r i e s t o fi n d t h e s t r e s s r e s u l t f o r c o mp o s i t e s t r u c t u r e s wi t h i mp a c t d y n a mi c l o a d o n l o c a l a r e a T h e r e s u l t o f s i mu l a t i o n a n aly s i s a n d t e s t i n g p r o v e s t h e f e a s i b i l i t y o f r e p l a c e me n t o f s t e e l for s t e e l - c o n c r e t e s t ru c t u r e a s t h e c o u n t e rw e i g h t ma t e - r i al o f mo t o r g r a d e r ，wh i c h p r o v i d e s t h e o r e t i c a l b a s i s a n d a n a l y t i c al me t h o d for s i mi l a r d e s i g n Ke y w o r d s ：A B A Q U S ； s t e e l c o n c r e t e ； c o u n t e r w e i g h t ； mo t o r gra d e r ； i m p a c t 外部钢板焊接 内部浇筑混凝土的钢板 一混凝土 复合材料在工程机械配重 中应用广泛 ， 其优点相对 于钢材价格低廉 ， 一般情况仅做配重使用 ， 不作为受 力部件。但平地机的配重在机器前方， 在执行道路 救援或抢险等任务 时， 会通过配重块推走前方 的车 辆或障碍物 ， 并且在接触初始时刻存在低速碰撞 ， 这 种工况决定 了平地机配重块必须作为受力部件能够 承受一定的载荷和冲击 ， 由于其特殊性 ， 目前平地机 配重大多仍采用钢板这种单一材料 。但是考虑材料 成本 ， 以 8 0 0 k g平地机配重为例 ， 若采用钢板 一混 凝土复合结构 ， 其 中约 6 0 0 k g可 以用混凝土替代 ， 单个零件成本可以节省 2 0 0 0元 以上 ， 成本节省超 过 6 0 ， 经济效益十分可观。但 由于缺乏相应 的设 计和分析理论 ， 该应用 目前还基本空白。 1 材料 的本构关 系 1 1 混凝土损伤塑性模型 A B A Q U S软件提供 了三种混凝土本构模 型 ： 混 2 2 凝 土 损 伤 塑 性 模 型， 混 凝 土 弥 散 裂 缝 模 型 和 A B A Q u s E x p l i c i t 中的混凝土开裂模型。其 中混凝 土损伤塑性模型可 以用于单 向加载 、 循环加载以及 动态加载等场合， 它使用非关联多硬化塑性和各向 同性损伤弹性相结合 的方式描述了混凝土破碎过程 中发生的不可恢复的损伤 。 本文混凝土采用 A B A Q U S提供 的损伤塑性模 型 J ， 使用各向同性损伤弹性结合各 向同性拉伸和 压缩塑性的模式来描述混凝土 的非弹性行 为， 是基 于塑性 的连续介质损伤模型 J 。 1 2 钢板的本构关系 钢板 的应力 一应变曲线采用典型的金属三个阶 段模型 ， 即弹性 阶段 ， 强化阶段和塑性 阶段。本文钢 材使用 V o n Mi s e s屈服准则 ( V o n M i s e s 屈服准则 J 是一个比较通用的屈服准则 ， 尤其适合用于金属材 料 ) ， 对于 V o n M i s e s 屈服准则 ， 其等效应力为最大 切应力， 按照第三强度理论 ， 材料的屈服是由最大切 应 力引起 。 2 碰撞有 限元模型 的建立 2 1 模 型设 计 为了使计算结果尽可能贴近实际情况 ， 本文有 限元模型采用和实际设计一致的三维模 型， 由于模 型较为复杂 ， 不适合在 A B A Q U S C A E 中直接建模 ， 所 以 采 用 在 P r o E 中建 立 三 维 模 型 而 后 导 人 A B A Q U S的方法。 平地机配重块采用 8 m i l l 厚 Q 3 4 5钢板进行壳体 焊接， 背部周围采用厚度 3 0 l l l i n的钢板 ， 壳体通过焊 接与3 0 m m的背部钢板连接 ， 焊接完成后从背部向壳 体内浇筑混凝土 ， 最后采用 6 m n薄板与厚板焊接将 背部密封。3 0 m I n的厚板上加工有 8个螺纹孔 ， 整个 配重通过螺栓与平地机前车架连接。模型见图 1 。 图 1 平地机钢板 一混凝土配重块结构 图 2 2材料定义和单元选取 本文混凝土标号采用 C 4 0国标混凝土， 弹性模 量参考 A C I 3 1 80 5 ( 2 0 0 5 ) 中混凝土 弹性模量 的计 算方法 ， 取杨 氏模量 E=3 0 G P a ， 压力 角 1 5。 ， 偏心 率 0 1 ， K系数 0 6 6 7， 弹性阶段泊松 比为 0 2 ；塑性 阶段压缩和拉伸行为根据 目前 国内常用的混凝土应 力 一应变关系曲线计算确定。混凝土 网格划分时选 取 C 3 D 8 R， 8节点六面体线性缩减积分单元。 钢板采用 国标 Q 3 4 5热轧钢 ， 属 于工 程机械 常 用钢材， 具有良好的强度和焊接性能。本文分析有 限元模型中取杨 氏模量 E=2 1 0 G P a ， 泊松 比 0 3 。 网络划分时采用 C 3 D1 0 ， 1 0节点四面体二次单元 。 2 3 钢板与混凝土之间接触关系的设置 由于混凝土是浇筑在配重块壳体 内的， 两者表 A t a n t l a l z t t z a o 造 g o 、 n g yt芊 Z l l u a 装 ng夤 be t l 2 年 第 5 期 面完全接触但并不是完全融合 ， 所 以在有限元分析 中不能将钢和混凝土绑定进行分析 ， 其特征可 以通 过 A B A Q U S提供的接触来模拟。接触满 足边界不 穿透约束条件 6 J ， 数学上施加无穿透约束的方法有 拉格朗 日乘子法 、 罚 函数法以及直接约束法 J 。考 虑混凝土材料的非线性 ， 本文模 型中接触计算采用 罚 函数法。 在有限元模型中选取混凝土的四周六个面与钢 板壳体 的内表面分别作 为接触 的主面和从 面， 定 义 切 向行为为有摩擦 ， 钢板与混凝 土之 间摩擦系数 取 0 3 ， 法 向行为定义为硬接触 ， 接触滑移公式定义 为 “ 小滑移” 。 2 4边界条件和动态加载 平地机前配重一般采用螺栓安装方式 ， 本文模 型采用表面 A约束配重块前后移动 ( X轴方 向) 和 Y、 z轴转动 ； 8个 M 2 0的螺栓孔约束其他方 向的运 动和转动 ， 见图 2所示。 图 2 配重块约束 对于典型的 1 6 0型平地机， 其最大牵引力即推 力能够达到 2 0 t ， 但在平地机接触到障碍物的瞬间， 配重和障碍物有个碰撞 的过程 ， 其破坏远大于静止 状态下 2 0 t 静力 ， 所 以本文重点分析碰撞时的受力 和破坏情况。结合实 际工况 ， 工作时只有部分 区域 和被撞物体接触 ， 在钢板 一混凝土配重前表 面选取 8 0 m m x 1 3 0 mm的区域作为冲击载荷的接触面积。 在配重完全约束 的情况下 ， 需要冲击块 的质量 必须 和机器重量一致 ， 即 2 0 t 才能正确的模拟平地 机的碰撞过程。在模型中， 通过更改冲击体的密度 得到总重 2 0 t 的质量 。整个设计模型如图 3所示。 在碰撞可能出现的情况下要求平地机必须 以最 低速度行驶 ， 从而减少冲击带来的破坏 ， 所以在模型 23 观 弋 硝 M o d e r n M a c e 击体 图 3 钢板 一 混凝土碰撞模型 中2 0 t 冲击体的初始速度设置和平地机最低速度 一 致 ， 为 1 4 4 k m h 。分析时间设置为 0 5 S 。 3 计算结果对比分析 3 1有 限元分 析结 果 运行 A B A Q U S求解器 ， 得到 0 5 S 碰撞结束后 的模型应力和变形云图如图 4 ， 图 5所示 。 图 4钢板 一混凝土配重应力云图 图 5 混凝土配重块应力云图 结果显示 ， 在 1 4 4 k m h初速度的冲击下 ， 配重 的最大变形小于 1 m i l l ， 发生位置都在前表面处 ， 相 比较配重块 的体积尺寸不及 1 。在实际状态下 的 2 4 变形肉眼几乎很难观察到 ， 基本可以判定变形无损 伤。对钢板和混凝 土分别进行考察 ， 最 大应力和变 形分布如表 1 。 表 1 最大应 力和变形对 比 从碰撞 结束 时的应力 来看 ， 钢板 最 高应力值 3 1 4 MP a依然在需用应力范围内， 混凝土最高应力 1 4 2 M P a ， 也在屈服极限下 ， 初步判定零件安全 。 以上结果仅显示碰撞结束后的状态 ， 但在碰撞 过程中可能出现较大的破坏 ， 因此对最 大应力和变 形 的节点在碰撞过程中应力和变形随时间变化的关 系进行考察 ， 得到如图 6 ， 图 7所示 曲线。 l2 5 0 g 一 4 一 、 、 图 6 最大应力节点 的应 力、 位 移随时间变化 曲线 一7 、 | ， 、 ， 一 _- - 一 V 一 图 7 最大位移节点的应力 、 位移 随时间变化 曲线 以上曲线表明， 对于钢板外壳 ， 碰撞过程 中最高 应力已经超过 4 0 0 MP a ， 此后应力出现波动并逐渐 降低 ， 但是节点位移变化滞后于应力变化， 由于应力 已超过屈服极限 ， 显然此时钢板发生塑性变形 。而 最大位移节点 的应力始终在 弹性范 围内， 但是 由于 钢板外壳 的整体结构 ， 由于局部 出现的塑性变形 ， 使 钢板最终 出现最大 0 6 7的变形 。 对于混凝土 ， 无论是最大应力节点还是最大变 形节点 ， 在整个碰撞过程 中， 其最大应力始终在屈服 极 限以下 ， 可以判定没有发生破坏 。 3 2实验验证 为验证有 限元分析 的正确性 ， 通过 试生产配重 块样件， 并安装在 1 6 0型平地机上进行测试， 1 4 4 m m的初速度下 ， 与大型装载机尾部碰撞 ， 结果仅碰 撞部位发生油漆损坏 ， 未测试 出永久变形 ， 见图 8所 示 ， 和有限元分析结果基本吻合。 图 8 配重块样 件碰 撞测试结果 Xia n 现 d a i 代 z h 制 i z a o 造 g o 、 n g 工 y i 艺 z h u 装 an g 备 b e i I I 2 D J 4耳第5期 重在平地机上满足受力要 求 ， 能够替代传统的钢板 结构。基 于 A B A Q U S的分析方法可 以为钢板 一混 凝土零件在工程机械中的应用提供理论分析依据和 参考。 本文分析也有一定的局限性 ， 即配重块形状较 为简单且在实际使用过程中通 常只承受压力 ， 对于 复杂结构的钢板 一混凝土零件在受拉压情况 的受力 情况仍需进步研究。 参考文献 1 雷拓 ， 钱 江， 刘戍清 混凝土损伤塑性模 型应 用研 究 J 结构工程师， 2 0 0 8 ， 2 4 ( 2 ) ： 2 22 3 2 徐秉业， 刘信声应用弹塑性力学 北京： 清华大学出 版 社 2 0 0 5 3 赵腾伦A B A Q U S 6 6在机械工程 中的应用中国水 利 水 电 出版 社 2 0 0 7 4 贺誉 ，彭刚，王敏，吴彬基于损伤塑性本构模型的 混凝土拉伸裂纹扩展数值模拟 J 水 电能源科 学， 2 0 1 3，5： 2 6 5 唐欣薇， 周元德，张楚汉基于细观损伤力学模型的 混凝土坝抗震分析 J 水力发电学报， 2 0 1 3 ， 3 2 ( 2 ) ： 1 952 00 6 陈智峰，李昌荣， 郭锦良基于 A B A Q U S的钢板与混凝 土接触问题研究 J 城市道桥与防洪， 2 0 1 3 ， 5 ： 0 6 9 4 结束语 作者简介： 李淑飞， 硕士， 研究生， 研究方向： 挖掘机配重块。 通过计算结果与实际试验的比较 ， 可 以判定 在 1 4 4 k m 的冲击载荷下 ， 钢板 一混凝土复合结构配 收稿日期： 2 0 1 4 0 4 2 2 ( 上接第 2 1页) 5 总结 本文以商用车为对象 ， 以整车多体动力学振动 模型为基础 ， 提出以振动能量分布的方法识别模态 振型的方法 ， 并以此探讨 了驾驶室隔振系统和悬上 质量隔振系统对整车模 态的影响， 分辨出了整 车振 动的模态的来源 。最后提 出了模态频率继承率 的概 念， 对识别出的对应模态频率进行分析， 评价系统模 态频率继承性。 参考文献 1 周水清基于虚拟样机的汽车驾驶室悬置 系统仿真分 析 硕士学位论文 武汉：武汉理工大学， 2 0 0 5 2 张立军汽车前后悬架固有频率的匹配研究 J 汽 车工程 ， 1 9 9 8 ， 2 0( 6 ) ： 3 5 6 3 6 1 3 P J a y a k u m a r ， J A l a n o l y ， R J o h n s o n T h r e el i n k l e a f s p r i n g mo d e l f o r r o a d l o a d s C S A E P a p e r ， 2 0 0 5 0 10 6 2 5 4 傅志方，华宏星模 态分析理论与应用 M 上海： 上海 交通 大学出版社 ， 2 0 0 0 ： 8 78 9 作者简介 ： 秦 红 军( 1 9 8 9一) ， 男， 汉族 ， 江苏 盐城 人 ， 硕 士研 究生， 主要从事商用车悬置的分析与研究。 翁建生( 1 9 6 0一) ， 男， 汉族， 江苏泰州人， 硕士生 导师， 主要从事车辆与机械振动噪声控制， 振动噪 声测试技术， 车辆动力学与控制等研究。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 31 0 2 5