致謝某丘陵底盤車架的有限元分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u14119某丘陵底盤車架的有限元分析案例 1254201.1有限元分析概述 1118501.2靜力學分析 4152281.3模態(tài)分析 7淺山丘陵作業(yè)車輛底盤的設計過程中，車架的性能十分關鍵，若底盤中車架的剛度和強度不滿足要求，底盤作業(yè)的安全性會降低；而剛度和強度超過需用要求過多，會使底盤的重量過大，影響通過性，增加成本。同時底盤在工作行駛時，會被由各種因素引起的震動影響，若其頻率在車架的固有頻率附近，就會引起車架的共振，共振會對底盤結構造成破壞，同時噪聲、振動的存在，給操縱者帶來極大的不便。有限元分析法是分析力學性能的一種方法，計算速度較快，精度較高。本章運用ANSYSWorkbench軟件分別對淺山丘陵作業(yè)車輛底盤的車架進行靜力學分析和模態(tài)分析，驗證車架的性能是否滿足設計與使用要求。1.1有限元分析概述1.1.1有限元分析方法基本理論有限元法基本思想，是將連續(xù)區(qū)域離散化為單元組合體，這些單元組合體為一組有限個、且按一定方式互相聯(lián)系在一起，將連續(xù)區(qū)域看作是由力學單元相互聯(lián)接而成的等效集合體，這些力學單元為有限個。各單元方程“組集”在一起而形成總體方程組，在計入邊界條件后，即可對方程組求解，可以模型化幾何形狀復雜的求解域是由于不同形狀的單元能按不同的方式進行組合。完成有限單元離散后，單元之間僅僅通過節(jié)點聯(lián)系，所有力和位移都由節(jié)點進行計算。每一個單元都選取適當?shù)牟逯岛瘮?shù)，使得該函數(shù)在子域內部、子域分界面以及子域與外界分界面都滿足一定的條件。然后組合所有單元的方程得到了結構的方程，求解得到所需的近似解[67,68]。分析的流程如圖4-1所示。圖4-1有限元分析流程圖AnsysWorkbench多功能且操作簡單，是目前應用最廣的有限元分析軟件之一[69]。AnsysWorkbench能夠進行多學科的研究[70-74]。針對靜力學分析和模態(tài)分析，能與其他軟件完美交互，縮短了要學習不同軟件相似功能的時間。1.1.2有限元分析模型準備淺山丘陵作業(yè)車輛底盤上絕大多數(shù)的零部件都是通過車架來固定其位置的，車架是整機重力的承載體，同時擔任著行走系統(tǒng)安裝的任務，車架主要由縱梁與橫梁焊接而成，車輛行駛過程中，車架承載著底盤上主要的載荷，因此，車架強度和剛度在設計中尤為重要。同時行駛過程中車架的振動，會給操縱者帶來極大的不便。車架作為整個底盤的基體，直接影響淺山丘陵作業(yè)車輛的穩(wěn)定性能。對車架進行有限元分析的模型準備工作如下：（一）車架的有限元建模利用SolidWorks軟件對底盤結構中的車架進行三維建模，同時為了減少仿真的計算量，對模型進行一定的簡化，以“.stp”的格式將模型導入AnsysWorkbench軟件中，如圖4-2所示。圖4-2有限元分析模型添加模型的材料屬性將三維模型導入AnsysWorkbench軟件后，根據(jù)設計對結構材料的屬性進行定。本課題設計的車架部分主要由槽鋼焊接而成，槽鋼的材料是Q235，槽鋼的材料屬性如表4-1。表4-1材料屬性材料名稱彈性模量(Gpa)泊松比密度(kg/m3)屈服強度(Mpa)Q2352100.2887850235網(wǎng)格劃分WorkbenchMesh中的網(wǎng)格劃分方式有很多，較為常用的主要有自動網(wǎng)絡劃分和四面體網(wǎng)絡劃分等。網(wǎng)格類型和網(wǎng)格的疏密程度直接影響最終的計算結果，網(wǎng)絡過密會增加CPU計算時間，影響解題速度的同時，精度提升不顯著，提高了對計算機的配置的要求。AnsysWorkbench軟件中的Meshing平臺在仿真分析中具有良好的自動網(wǎng)格劃分功能。因此本設計采用自動網(wǎng)絡劃分的方法。本文中，車架由各種不同的槽鋼和方管焊接而成，并沒有特殊的變形結構，故先對車架進行整體智能網(wǎng)格劃分，再對模型進行檢驗，網(wǎng)格大小設為20mm，劃分完網(wǎng)格以后，車架的網(wǎng)格模型如圖4-3所示，共有317400個節(jié)點，158650個單元。圖4-3車架模型的網(wǎng)格劃分1.2靜力學分析1.2.1靜力學分析基本理論在ANSYSWorkbench中進行靜態(tài)分析是最為普遍的的一種方法[75]。線性結構的靜力學分析用來對結構在給定靜力載荷情況下的響應情況，通過對響應結果的分析，來判斷所設計結構是否滿足設計要求，如果不滿足要求，根據(jù)分析結果對模型進行相應的修改，直到設計結構滿足設計要求。靜力學分析中，結構在外力作用下的位移、應力和應變等為主要參數(shù)。經(jīng)典力學的理論知識中，動力學下的通用方程為[76]：（4-1）式中：為質量矩陣；為阻尼矩陣；為剛度系數(shù)矩陣；為矢量位移；為速度矢量；為加速度矢量；為力矢量。對于線性結構靜力學分析，與時間相關的參數(shù)都可以忽略，則可以提出[77]：（4-2）式中：為靜力載荷，不考慮改變的載荷以及慣性量的影響；為常量矩陣，同時必須連續(xù)，對應材料符合小變形以及線彈性的理論要求。這兩個基礎是進行靜力學分析的前提。1.2.2靜力學分析車輛底盤在工作時的典型工況，一般有緊急制動、轉彎、滿載扭轉和滿載彎曲四種工況。本文研究的履帶式底盤主要在淺山丘陵山地中使用，設計要求最高車速為6～8km/h，車速較低，前三種工況對車架影響較小。所以僅對滿載彎曲工況下的車架結構進行分析。（一）施加載荷與約束為了保證分析結果的準確性，在軟件中選擇與實際相同的載荷施加與車架上，所得到的結果才能更接近于真實結果。滿載彎曲工況指的是底盤在滿載狀態(tài)下，在良好路面勻速直線行駛的狀態(tài)。該工況下車架承受的載荷主要是包括車架自身在內的各零部件總成，以及操縱者和貨物等在重力加速度作用下產(chǎn)生的重力，取動載系數(shù)為2.5。淺山丘陵作業(yè)車輛車架滿載彎曲工況承受的載荷大多來自于來自發(fā)動機、變速箱、液壓動力裝置、駕駛室等。車架的外加載荷如表4-2。表4-2車架的外加載荷名稱發(fā)動機變速箱傳動系統(tǒng)和液壓裝置駕駛室檸條平茬農(nóng)機具載荷大小（kg）320168100200500邊界條件為支重輪固定處的全自由度約束。滿載彎曲工況下車架施加載荷與約束模型如圖4-4。圖4-4滿載彎曲工況下車架施加載荷模型圖靜力學分析完成準備工作后，利用ANSYS軟件對車架進行受力分析計算，得到車架的應力、應變和變形分布，輸出等效應力、等效應變和車架變形情況分布云圖分別如圖4-5，圖4-6，圖4-7所示。圖4-5為車架等效應力分布云圖，由圖可知，車架的等效應力整體較小，車架的最大應力發(fā)生在下車架右側橫梁與支重輪連接板的連接處，此處應力較高，主要因為橫梁和連接板的焊接處存在尖角，比較容易產(chǎn)生應力集中，車架最大應力值為149.18Mpa，小于槽鋼Q235的屈服極限235Mpa。該車架的強度能夠滿足設計的要求。圖4-5車架的等效應力分布云圖圖4-6，圖4-7分別為為車架等效應變和車架變形分布云圖，由圖可知，最大變形發(fā)生車架兩側縱梁的中間部分，最大變形量為2.647mm，小于材料許用的最大變形量。該車架的剛度能夠滿足設計的要求。圖4-6車架等效應變變化圖圖4-7車架總變形云圖對仿真結果的分析表明，車架的強度和剛度符合要求，最大應力、應變和發(fā)生的變形都遠小于材料許用值，滿足設計要求，車架靜力學性能滿足設計要求。1.3模態(tài)分析1.3.1模態(tài)分析基本理論模態(tài)分析屬于求解特征值問題，動力學方程為：（4-3）自由狀態(tài)下，結構的振動為簡諧振動，運動形式為：（4-4）式中：每個元素定義為各點的振幅，代入式（4-3），可得：（4-5）式（4-5）為也是特征值問題，特征值為，開放后所得的即為自振園頻率，自振頻率為。特征值對應的特征向量為，即當自振頻率時，所對應的振型。1.3.2模態(tài)分析淺山丘陵作業(yè)底盤除了應具有良好的力學性能外，還應防止與其他部件發(fā)生共振現(xiàn)象，在ANSYSWorkbench軟件中對車架在自由狀態(tài)下進行模態(tài)分析，得出分析結果，進而預測車架在使用中在是否可能發(fā)生共振，針對結果及時對相關參數(shù)進行修改設計，避免發(fā)生共振現(xiàn)象，提高底盤的各項性能。（一）分析準備在模態(tài)分析中，除了特殊計算有預應力存在的條件時一般不添加載荷。本文分析屬于無預應力的條件下，即車架的自由狀態(tài)下，不添加約束條件進行仿真，根據(jù)仿真結果得出車架的固有頻率和振型，在設置分析項時，設定頻率范圍為1～108hz，低階頻率對應的振型對分析結構的動態(tài)特性影響遠大于高階振型[80]，評估前10階振動的固有頻率。（二）模態(tài)分析對仿真結果中底盤車架的10階模態(tài)進行提取，其中車架前10階的固有頻率直方圖如圖4-8所示。圖4-8十階固有頻率直方圖由圖可知，自由狀態(tài)下，結構具有移動和旋轉共6個剛性自由度，對應的固有頻率值接近于0，此為車架的剛體模態(tài)，數(shù)值僅僅表示底盤車架的剛體位移，對車車架的振動分析沒有實際意義，所以本此次分析去除前六階結果，僅根據(jù)后四階仿真結果進行分析，車架的模態(tài)振型分析結果如圖4-9、圖4-10、圖4-11和圖4-12所示。圖4-9車架一階模態(tài)振型圖圖4-10車架二階模態(tài)振型圖圖4-11車架三階模態(tài)振型圖圖4-12車架四階模態(tài)振型圖車架四階模態(tài)的固有頻率及振型如表4-3所示。表4-3車架四階模態(tài)固有頻率及變形幅值階數(shù)頻率（HZ)振型118.711一階扭轉232.341一階縱彎335.856一階彎扭組合438.993二階縱彎根據(jù)仿真的結果可知，車架隨著頻率的增加，振幅較小，沒有發(fā)生劇烈的振動，性能良好。車架最小階次的固有振動頻率為18.711Hz。在行駛過程中，最主要的外界激勵來自于柴油機的振動和路面的凹凸不平。柴油機的額定轉速為3200r/min，由公式（4-6）