摘要： 為進(jìn)行自卸汽車舉升機(jī)構(gòu)三角臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，本文以某重型自卸汽車T式舉升機(jī)構(gòu)為例，運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件Adams，建立舉升機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型，得到舉升機(jī)構(gòu)三角臂各鉸接點(diǎn)位置的作用力，并應(yīng)用HyperMesh有限元分析軟件，建立以板殼單元為基本單元的三角臂結(jié)構(gòu)有限元模型，分析了最大載荷工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。為驗(yàn)證所建有限元模型的正確性，建立舉升結(jié)構(gòu)應(yīng)變電測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)，提取三角臂關(guān)鍵點(diǎn)位的等效應(yīng)力。研究結(jié)果表明，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相比，關(guān)鍵點(diǎn)位的相對(duì)誤差為3.42%～15.55%，表明該三角臂有限元模型及分析方法是正確可行的。該研究為舉升機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步改進(jìn)提供了參考依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞： 自卸汽車; 舉升機(jī)構(gòu); 三角臂; 有限元; 應(yīng)力試驗(yàn)

　　自卸汽車是通過液壓油缸驅(qū)動(dòng)舉升機(jī)構(gòu)，將車箱傾斜到一定角度自行卸載貨物，靠自身重力使車箱回位的專用汽車。舉升機(jī)構(gòu)作為自卸汽車上的重要工作系統(tǒng)之一，其性能的好壞將直接影響自卸汽車的使用性能[1] 。自卸汽車通常在路況比較惡劣的環(huán)境下工作，對(duì)舉升機(jī)構(gòu)中各零部件的強(qiáng)度有很高的要求，因此，對(duì)其關(guān)鍵部件舉升三角臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析非常必要。對(duì)于舉升機(jī)構(gòu)三角臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，許多學(xué)者和企業(yè)進(jìn)行了大量研究，主要采用有限元仿真分析和試驗(yàn)分析兩種方法，但將兩種方法結(jié)合在一起進(jìn)行分析的研究[2 17] 卻非常少。對(duì)舉升機(jī)構(gòu)三角臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)分析的正確度高，但在研發(fā)過程中結(jié)構(gòu)如需多次改進(jìn)，則每次都要加工出物理樣機(jī)在臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)，耗費(fèi)大量的人力物力，設(shè)計(jì)和分析的循環(huán)周期較長(zhǎng)，成本較高。而有限元仿真分析以其高效和實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)越來越受開發(fā)者的青睞，但由于建模過程中力學(xué)模型的簡(jiǎn)化與實(shí)際結(jié)構(gòu)存在差異，導(dǎo)致仿真計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)際相比誤差較大。因此，采用有限元仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法可使分析結(jié)果更為準(zhǔn)確[18] 。基于此，本文采用有限元和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)某企業(yè)新研制的自卸汽車T式舉升機(jī)構(gòu)的三角臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行研究，以確保該構(gòu)件的使用可靠性。該研究為進(jìn)一步改進(jìn)自卸汽車的舉升結(jié)構(gòu)提供了參考依據(jù)。

　　1 自卸汽車舉升機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型建立

　　1.1 T式舉升機(jī)構(gòu)工作原理

　　本研究以某重型自卸汽車T式舉升機(jī)構(gòu)為例，T式舉升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。T式舉升機(jī)構(gòu)主要由三角臂ABC、液壓油缸CD和拉桿臂BE組成，點(diǎn)O是車箱與副車架后翻轉(zhuǎn)支座的鉸接點(diǎn)。舉升機(jī)構(gòu)工作時(shí)，高壓油液經(jīng)過液壓系統(tǒng)進(jìn)入液壓油缸，油缸活塞桿受油液推力向上伸長(zhǎng)，從而驅(qū)動(dòng)三角臂以及拉桿臂順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)舉升車箱，舉升到一定角度后實(shí)現(xiàn)貨物的卸載;卸載完成后，液壓油缸停止進(jìn)油，油缸活塞桿開始回縮，依靠自重使車箱復(fù)位。

　　1.2 自卸汽車T式舉升機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)建模

　　由于Adams軟件中提供的三維實(shí)體建模功能較弱，對(duì)于舉升機(jī)構(gòu)這種復(fù)雜的幾何模型很難達(dá)到理想的建模效果[19 20] 。因此，本文首先在Pro/E軟件中建立自卸車的三維實(shí)體模型，通過parasiold數(shù)據(jù)內(nèi)核，將模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到動(dòng)力學(xué)分析軟件Adams中。為減少在Adams中運(yùn)動(dòng)副的數(shù)量，防止過約束情況的出現(xiàn)，需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將固結(jié)在一起的零件，通過布爾運(yùn)算合并成一個(gè)構(gòu)件，并對(duì)舉升機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型添加約束和驅(qū)動(dòng)等，在Adams軟件中，建立自卸車舉升機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型。自卸車T式舉升機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型如圖2所示。

　　由圖2可以看出，三角臂與車箱前支點(diǎn)對(duì)應(yīng)的鉸接點(diǎn)位置用旋轉(zhuǎn)副約束;車箱后支點(diǎn)與副車架對(duì)應(yīng)的鉸接點(diǎn)位置用旋轉(zhuǎn)副約束;三角臂與拉桿之間用旋轉(zhuǎn)副約束;三角臂與油缸推桿對(duì)應(yīng)的鉸接點(diǎn)位置用旋轉(zhuǎn)副約束;拉桿與副車架對(duì)應(yīng)的鉸接點(diǎn)位置用旋轉(zhuǎn)副約束;液壓油缸與副車架對(duì)應(yīng)的鉸接點(diǎn)位置用旋轉(zhuǎn)副約束;油缸推桿與液壓油缸之間用滑移副約束。為舉升機(jī)構(gòu)各構(gòu)件添加質(zhì)量參數(shù)，設(shè)置沿坐標(biāo)軸 Y方向的重力參數(shù)，完成自卸車舉升機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型的建立。

　　1.3 舉升機(jī)構(gòu)三角臂作用力仿真分析

　　仿真計(jì)算時(shí)，最大舉升角為48°，裝載量為30 t，舉升過程通過液壓缸和活塞桿之間移動(dòng)副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。通過仿真分析計(jì)算，三角臂各鉸接點(diǎn)作用力隨舉升時(shí)間變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出，三角臂各鉸接點(diǎn)的作用力隨著舉升時(shí)間達(dá)到最大值后逐漸減小，由于仿真時(shí)采用不卸載的方式，各鉸接點(diǎn)的作用力無法減小到0。

　　2 舉升機(jī)構(gòu)三角臂的有限元強(qiáng)度分析

　　2.1 舉升機(jī)構(gòu)三角臂的有限元模型建立

　　通過有限元分析軟件HyperMesh，完成三角臂有限元計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分，由于舉升機(jī)構(gòu)的三角臂均由板殼單元組成，因此三角臂主要采用邊長(zhǎng)為4 mm的混合板殼單元(shell)進(jìn)行劃分，與拉桿臂和車箱鉸接點(diǎn)的位置采用邊長(zhǎng)為4 mm的六面體單元(Solid)劃分。三角臂中各單元之間主要采用焊接的方式連接在一起，在Hypermesh中，運(yùn)用焊接單元(Spotweld)進(jìn)行模擬。舉升三角臂的材料為Q345鋼，舉升三角臂力學(xué)參數(shù)如表1所示。

　　整個(gè)三角臂的有限元模型由102 397個(gè)單元和105 999個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，三角臂有限元模型如圖4所示。

　　2.2 邊界條件的確定和載荷的施加

　　在三角臂有限元模型中，拉桿和車箱約束點(diǎn)確定在鉸接點(diǎn)中心節(jié)點(diǎn)處，三角臂與拉桿鉸接點(diǎn)約束沿x、z方向的平動(dòng)自由度和沿y、z方向的旋轉(zhuǎn)自由度，三角臂與車箱的鉸接點(diǎn)約束x、y、z方向的平動(dòng)自由度和沿y、z方向的旋轉(zhuǎn)自由度。得到三角臂在舉升過程中所受的最大應(yīng)力，從Adams中求出的力作為載荷，載荷按照三角臂與油缸鉸接點(diǎn)處作用力的最大值施加。

　　2.3 三角臂靜態(tài)強(qiáng)度有限元計(jì)算結(jié)果及分析

　　三角臂受力最大時(shí)的應(yīng)力分布云圖如圖為5所示。由圖5可以看出，應(yīng)力主要集中在三角臂上邊板和下邊板處，其中在三角臂的下邊板靠近拉桿銷孔的焊接處某一位置的應(yīng)力值較大，應(yīng)力值最大為228 MPa，小于材料的屈服極限。三角臂局部應(yīng)力放大圖如圖6所示。為驗(yàn)證仿真模型及分析方法的正確性，還需要進(jìn)行應(yīng)力試驗(yàn)。根據(jù)有限元分析結(jié)果，選取圖5所示的幾個(gè)點(diǎn)位作為三角臂應(yīng)變片的粘貼位置。

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