农用三轮车车架静动态特性仿真分析

农用三轮车车架静动态特性仿真分析 农用三轮车车架静动态特性仿真分析 第34卷第2期 2007年4月 拖拉机与农用运输车 Tractor&FarmTransporter Vo1.34No.2 Apr.,2007 农用三轮车车架静动态特性仿真分析 王志明,戴素江 (金华职业技术学院机电工程学院,浙江金华321017) 摘要:对处于产品阶段的某新型太阳能农用三轮车车架结构进行了静动态特性仿真分析.首先在Pro/e软件中建立了车 架CAD模型,然后在MSC.Patran/Nastran有限元分析软件中建立了以板单元为基本单元的车架有限元模型,接着对车架进行了静 态应力分析和自由模态有限元分析,并对分析结果进行了,掌握了车架的静动态特性,为车架结构的改进设计提供了理论 依据. 关键词:车架;有限元模型;模态分析;结构强度 中图分类号:$229;U463.32文献标识码:A文章编号:1006—0006(2007)02—0071—02 StaticsandDynamicEmulationalAnalysisofFarmTricycleFrame WANGZhi—ming,DAISu~iang (JinHuaCollegeofProfession&Technology,Jinhua321017,China) Abstract:InordertoperformthedynamicanalysisforanewtypefarmtricycleLameconstructi on.aCADmodelwas builtwithbyPro/esoftware.FrameFEMmodelisestablishedwithshellasbasicunit,thenthest aticsanalysisandthenormal modalanalysiswerecarriedoutbyMSC.Patrart/Nastran.Thepaperalsoevaluatedtheanalys is—resultswhichprovidethe theorybasementfortheLameimprovement. Keywords:Frame;FEMmodel;Modalanalysis;Stmcturalintension 随着全球经济的一体化,农用三轮车行业在高技术背景下的市 场竞争E1益激烈.产品不断创新的一个方面体现在造型和结构设计 的改进,节能和环保要求,安全性和舒适度等的提高?】].为适应这 样一种市场需求,我们组织力量研制开发了一款新型太阳能电动农 用三轮车.太阳能农用三轮车主要部件有车架,车箱,车座,太阳能 装置等,车架是其主要承载部件.农用车的用户是广大农民,农用车 所处的路况较差,车架的受力复杂,随机振动大,所以在新产品开发 过程中预测车架的性能尤为重要_2J. 本文用MSC.Patran/Nastran有限元分析软件对该车架进行静力 分析和自由模态有限元分析,得到了该车架各种工况的应力分布,以 及前5阶自由模态频率和振型,对该车架的综合性能做出评价,并指 出了结构改进的方向. 1CAD模型 本文探讨的车架是边梁式车架结构,如图1所示.本车架由前 后两部分组成,中间部位空间用来放置蓄电池.车架由3根纵梁,4 根横梁和一些加强杆组成,3根纵梁是主要的承载部件.车架采用 空腹矩形截面结构型钢,壁厚4mm,其主要尺寸规格为:纵梁40mm ×80mm;后两根横梁30mm×40mm;前后部分连接处为5根40mm ×40mm杆件;其余加强杆为30mm×30mm.车架各部件之间采用 焊接连接,结构总长2400mm,宽度830mm. 图1车架结构图 F『g.1FrameConfiguration 收稿日期:2006-04-08;收修改稿13期:2007一O1—2O 2有限元建模 2,1网格划分 本车架是空间薄壁梁结构.根据这种结构的特点,首先将组件 中各个零件抽取中面划分成板单元,大部分单元是40mm×40mm 的四边形板单元.在特殊结构,如连接部分,截面变化区域和可能出 现应力集中的地方,采用细化单元.然后把各个区域连接起来[. 应用以上单元划分原则,整个车架被离散为2181个板单元,2086个 节点.经过离散化后的有限元模型见图2. 图2车架有限元模型 Fig.2FrameFEMModel 2.2约束处理 三轮车的后轮为板簧支承,前轮为阻尼支承,用两根非线性弹簧 和一根刚性杆来模拟板簧.车架约束见图2. 对车架这种空间薄壁结构,由于其在正常工作时车轮所受的激 励通过悬架和板簧传递到车架上,故边界约束点确定在板簧悬架和 车架连接处.将3个车轮的所有移动和转动6个自由度全部约束 掉,这样完全消除结构刚体运动的可能性,从而求得在载荷作用下, 结构变形的精确度. 2.3载荷工况的确定和受力分析 三轮车在实车运行过程中,存在以下几种情形:实车静止,实车 牵引,实车制动.在选择工况时,实车制动应选为最危险工况,因为 实车制动时,车架除受静态载荷外,还受惯性地面的摩擦力和车身的 ? 71? 拖拉机与农用运输车第2期2007年4月 惯性力作用,而在实车匀速牵引工况和实车静止工况下,车架的受力 情况基本相同,实车加速牵引工况的危险弱于实车制动工况,空载时 的危险弱于实车情况,所以在对车架进行静力计算时我们只选择实 车静止和实车制动两种工况. 实车静载时车厢的自重及载重以面力的形式加到车架的侧梁及 加强杆上.蓄电池及驾驶员重力以面力的形式加到车架的前半部分. 实车40km/h制动时车架承受实车静载时的全部载荷和制动时 产生的制动力,惯性力. 2.4材料与属性 钢材料参数:弹性模量2.1x10"N/m;材料密度7800kg/m; 泊松比0.3;长度单位为m. 3有限元仿真分析 采用MSC.Patran软件作为有限元前后处理软件,MSC.Nastran 作为分析软件. 3.1静态应力分析与讨论 实车静止和实车制动2种工况下的应力分析结果如表1所示, 两种工况下整车应力分布如图3,图4所示. 表1车架在2种工况下最大的应力值 Tab.1FrameMax.Stress ……"%? ,口…—…,…,z2 D…9^…… X z 图3实车静载工况下车 Fig.3FrameStressu 图4实车制动工况下车架整体应力图(Pa) Fig.4FrameStressunderBrakeStatus 由材料力学知,对于塑性材料而言,其许用应力为 [o]=o/n 式中——材料的屈服极限 —— 材料的安全系数 该车架的材料为16MnL,根据材料性质可知,其屈服极限为: = 345MPa.在静载荷情况下,=1.2,2.5;在动载荷情况下,= 3.0,4+5.由此得出在静载荷作用下,该车架的静许用应力为[] =138,287.5MN/m2;在动载荷作用下,该车架的动许用应力为[] =76+7,115MN/m2. 所以,从车架静态应力分布情况来看,车架应力总体分布比较均 匀,最大应力出现在车架中后部,应力集中比较明显.车架尾部和中 间横梁应力值较小,材料没有充分利用.车架的最大位移出现在车 架中间纵梁的尾部.车架中间下侧横梁和中间横梁连接的地方,也 出现应力集中的情况,属于危险区域.而且实车制动工况下车架的 最大应力远远大于实车静载工况下的最大应力.可以预见,在实车 ? 72? 制动工况时,应力对纵梁强度构成威胁.在路况较差的时候,车架破 坏的可能性就大大增加. 3.2模态分析与讨论 模态分析有限元模型是建立在静态有限元模型的基础上的,由 于求解的是车架结构的固有特性(固有频率和固有振型),与所受外 力无关,故对模型不施加任何载荷_4J.对车架进行有限元模态分 析,得到车架模型前5阶自由模态频率,如表2所示. 表2车架模态分析结果 Tab.2ResultsofModalAnalysis 1阶模态为整体1阶纯弯曲模态.如图5,可以看出,车架整体 在竖直方向做一阶弯曲振动,振动中心在车架后半部上侧,车架头部 振幅较大,尾部振幅较小. 图51阶模态振型 Fig.5FirslRankVibrantModel 2阶模态也是整体1阶纯弯曲模态.如图6所示,车架在水平面 内做1阶弯曲振动,车架右侧尾部振幅较大,头部振幅较小. 图62阶模态振型 Fig.6SecondRankVibrantModel 3阶模态为整体1阶扭曲模态.如图7所示,车架在水平面内做 扭曲振动,车架尾部振幅较大,头部振幅较小. 图73阶模态振型 Fig.7ThirdRankVibrantModel. 4阶模态为1阶弯扭组合模态.如图8所示,车架在竖直方向做1 阶弯曲振动并伴随在水平面内的1阶扭转模态.车架头部振幅较大. 图84阶模态振型 Fig.8FourthRankVibrantModel 5阶模态为2阶纯弯曲模态.如图9所示,车架头部,中部下侧 振幅较大,中部上侧横梁和两根纵梁振幅较小. 图95阶模态振型 Fig.9FifthRankVibrantModel 由以上分析可以看出,该三轮车在前5阶弹性模态中全部为车 架的整体振动,弹性模态频率分布在30,90Hz范围内.太阳能电 动三轮车在行驶时主要受到的外部激振源是由于路面不平度所造成 (下转第84页) 拖拉机与农用运输车第2期2007年4月 担的现象;二是金相检验发现其淬火组织是上贝氏体,这与理论已有 定性的"上贝氏体强度低,韧性差"的结论J相悖.虽近期一些研究 有对上贝氏体新的实用提法l6,J,但对本实验机件来说还有待进一 步的工艺研究和验证. 4)从排除工件表面粗糙度影响的抗弯强度对比试验可以看到,本 失效分析所取样的两种材质,三种不同工艺的齿轮制件,其热处理工 艺参数设计和过程质量控制都存在着不同程序的缺陷,只要适当的改 进和调整,就能在现有基础上使机件的力学性能有一个显着的提高. 5结论 本实验涉及的最终传动被动齿轮早期断齿失效,主要原因是低 劣切削加工质量造成的齿面严重刀痕,并在其随后的热处理或承载 受力过程中又因应力集中诱发了其裂纹的产生和发展.另外,由于 热处理工艺过程中参数设计和控制问题以及球铁件原材料成分中关 键合金元素的不足等,致使在机件承载受力最大部位产生了不良组 织,进一步降低了其力学性能,从而减低了机件服役时的承载能力. 参考文献: [1]王章忠.材料科学基础[M].北京:机械工业出版社,2005. 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