基于ANSYS Workbench的平台车车架应力分析

闫金顺　刘臣　樊鹏　王茂军

摘 要：大承载安装平台车具有定位精度高、操作简单、运动方式灵活可靠等优点，能够实现大型设备生产制造过程中的高效转运及精确定位。平台车车架的结构强度与刚度影响其承载状态下的应力及应变分布，从而影响安装平台车的工作安全性及定位精度。该文用Solidworks软件建模，采用有限元法建立安装平台车车架有限元静力学分析模型，利用ANSYS Workbench软件对平台车车架结构进行有限元分析，计算了额定载荷条件下车架的应力分布及变形情况，验证了车架结构设计的可行性，提出了车架结构的优化思路。

关键词：平台车 有限元法 ANSYS Workbench 应力

中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（c）-0056-02

随着我国轨道交通行业的快速发展，如何实现大型设备制造业生产过程的转运及精确定位成为限制该行业生产效率提高的一个重要因素。目前轨道交通领域通常采用气垫车、叉车、转向轮式升降车等协助完成大型结构件的生产，但上述设备存在不同程度的不足。针对现有设备的不足，某厂研制了一种由车体模块，升降模块和控制模块3部分组成的安装平台车，可用于轨道交通领域大型结构件在生产制造过程中的转运、下料、焊接、机加、装配等环节，最大载重5 t，具有定位精度高、操作简单、运动方式灵活可靠等优点。

1 建模

1.1 安装平台车车体结构

该安装平台车车体模块采用全向智能移动装备系列产品，可实现全向自驱移动，包括直行、平移、原地旋转和任意角度转弯等移动要求。车体模块主要由车架、全向轮组、旋转吊环、蒙皮等组成。其中车架是车体模块的基础框架，也是车体模块最主要的承力部件，车架重1 000 kg，车架外形尺寸为3 000 mm×2 100 mm。车架采用的方钢管截面尺寸为80 mm×80 mm×5 mm，材质选用Q345B低合金高强度结构钢，车架内侧4根水平横梁为主承载梁。全向轮组结构采用成熟的400系列麦克纳姆轮结构，单轮设计载荷2.5 t，减速器选用行星齿轮减速器。轮组的最大输出力矩为1 600 N·m，最大转速21 r/min，最大移动速度0.5 m/s。利用Solidworks软件对安装平台车车体模块进行建模，如图1所示。

1.2 有限元分析模型

建立有限元模型即给建好的平台车车体三维模型添加材料属性并进行网格划分，静态应力分析包括施加载荷和约束边界条件，并对应力和总变形进行求解。该文中不考虑全向轮的受力问题，重点对安装平台车车架结构应力分布进行研究，网格划分只针对安装平台车车架。作为有限元分析的前处理环节，网格划分对整个有限元分析的精度影响甚大，良好的网格划分质量，有利于保证最终各物理场的计算精度。该文中网格划分选择Auto Sweep if possible方式，得到了車架的六面体网格，节点总数470 889，网格总数123 622，安装平台车车架网格模型如图2所示。

2 平台车车架受力分析

2.1 Workbench简介

ANSYS Workbench软件以项目流程图的方式，将各种数值模拟方法集成到统一平台中，进而实现了与其他主流CAD软件（如Pro/e、CATIA、UG）的数据之间的无缝连接，各个相对独立的分析系统，通过可以互联的数据，将复杂的CAD三维模型所构造的有限元模型导入分析系统中，然后进行参数设置、载荷施加和约束定义后，通过内置求解器进行分析计算。

2.2 施加约束及载荷

该安装平台车工作时，车架内侧的4根水平横梁为主承载梁，施加5 t载荷，定义材料属性，弹性模量2×105，泊松比0.3，屈服强度345 MP。平台车固定时，车架承受静载荷，由车架的自身质量及有效载荷组成。对于额定载重5 t的安装平台车车架静载荷的分布按照部件的质量大小和安装位置进行处理，有效载荷按照集中载荷在主承载横梁上进行分配，车架质量简化为均布载荷。定义了约束和载荷后，对车架应力及变形量分布进行计算机求解。

2.3 平台车车架应力分析

由图3车架应力分布云图可知，在5 t载荷的作用下，最大应力位于车架内侧主承载横梁与车体两侧支撑柱的连接处，应力极大值为196.76 MP；由图4车架变形量分布云图可知，车架前后两端处的变形最小，主承载横梁中部区域变形量最大，变形极大值为0.29 192 mm。

为保证安装平台车车架的承载可靠性及定位精度，对平台车车架在大载荷作用下的变形控制是非常重要的。由模拟结果可知，平台车车架的变形主要分布在主承载横梁中部，故可以考虑适当增加主承载横梁下方的支撑柱数量，同时增加主承载横梁的壁厚，提高车架系统的总体刚度；保证主承载横梁与车体两侧支撑柱之间的连接质量，有利于减小应力集中对车架结构强度的影响。

3 结语

利用Solidworks软件对安装平台车建模，应用有限元分析软件ANSYS Workbench对安装平台车车架结构应力场、变形场求解，输出各物理场分布云图，分析模拟结果，探讨车架结构上最大应力、最大变形的分布情况，提出了车架结构的优化思路。

参考文献

[1] 范开英，沈兰华.基于ANSYS Workbench的桥式起重机小车架有限元分析[J].机械工程师，2015（4）：108-110.

[2] 张进国，程晓辉，孙敬宜.基于ANSYS的汽车车架结构有限元分析[J].拖拉机与农用运输车，2006（5）：63-64.

[3] 高卫民，王宏雁.汽车结构分析有限元法[J].汽车研究与开发，2000（6）：30-32.