冶金车架钢结构、薄板混合建模应力分析

摘 要：文章以SolidWorks Simulation有限元软件为平台，结合简化经验公式，分析冶金车辆车架钢结构与薄板混合模型的应力分布情况。

关键词：SolidWorks Simulation；有限元；车架

1 概述

SolidWorks Simulation是一款基于有限元技术的设计分析软件，是SRAC开发的工程分析软件产品之一。它使计算力学的任务从被动的校核上升为主动的设计与优化，成为目前设计的重要工具之一。传统的冶金运输车车架的设计一般根据工程设计人员的经验，在产品设计阶段制定多个设计方案，用简化计算方法或有限元法对车架进行分析，在多个设计方案中选出较好的方案，然后对车架进行试验。作者以出口南亚某国的100t轧辊运输车的车架为模型，采用简化计算方法和SolidWorks Simulation 有限元分析方法来校核车架。

2 100t轧辊运输车车架参数化建模

该冶金专用车的动力源为电机，电机将动力通过减速器、联轴器传送至车轮。其特点一是承载量大，总载重量为100吨，自重超过14吨：二是速度低，以30米每分钟的速度行走在平直的轨道上。承载结构由车架和行走裝置组成。车架结构由优质碳素钢板和工字钢焊接而成，其主要承受轧辊、减速器、电动机、传动轴等载荷。行走装置的主、从动轮通过轴承与车架的纵梁直接刚性连接，因此在分析时可不考虑行走装置的影响。

2.1 根据材料力学经验公式计算

设计参数：

自重G0=13.4t；载重G1=100t；车长L=6.33m；轮距L1=3.6m；台面钢板长度a=522mm；台面钢板厚度b=25mm；型钢高度h=400mm。

图1 主梁截面图

由公式 Mmax=1/8*q*L1*L1 得 Mmax=145.11 nm；截面模量W =I/e 得 W=2.64*106mm3

计算应力σ=Mmax/W 得σ=55MPa。（图1）

2.2 SolidWorks Simulation分析

在平直的轨道上，这次计算只选用了弯曲工况，由于车架和行走机构的连接是通过无弹性元件也无阻尼器件的刚性连接，所以对车架的边界约束，可直接采用作用于悬架与车架连接处的前、后共4个面约束，前约束允许沿X轴方向的位移，后约束限制全部自由度。约束面积的大小为连接轴的直径乘以其与车架实际接触的长度。

车架是由工字钢作为横梁与25mm厚的钢板焊接而成。在SolidWorks Simulation模型处理中：型钢类结构件适合采用焊接方式建模，在做CAE分析时，就不需要处理单元类型，系统自动识别为横梁单元。

薄板类在做CAE分析时，就不要出来单元类型，自动识别为壳单元类型。在SolidWorks Simulation 中只要长度、宽度尺寸和厚度尺寸相比，大于10倍的板类零件，做CAE分析时，自动识别为壳单元，省去了处理单元类型的麻烦。在推导横梁单元的刚度矩阵式，所有横梁的横截面信息已经做为参数计算在内。因此，最终的网络源自于接点的线框。由接点确定的直线或曲线段将被划分为横梁单元。在SolidWorks Simulation中接点是自动获取得到的。每个横梁的端点都要6个自由度，对这6个自由度进行约束及释放能够代表各式各样的连接情况。

100t轧辊运输车车架是型钢类、薄板类混合建模一种模型。在SolidWorks Simulation 中做CAE分析时需要将模型建成装配件。（见图2）。

图2 车架有限元模型

网络划分，离散化结果（见图3）。

图3

横梁折弯应力结果（见图4）。

图4

通过计算，车架沿垂直方向的变形呈“U”形，中间加载处的位移最大为1.3mm，纵梁的两端最大位移为0.6mm此外，车架的纵梁有沿垂直方向的翘曲现象，而这些变形较小，不会对电动机的输出轴、减速器与车轮之间的传动配合产生不利影响。从应力分布图及计算结果可知，最大应力值出现在其中的一个约束处为45Mpa。

3 结束语

文章以有限元软件SolidWorks Simulation为工具，结合机械力学经验简化公式，以出口产品100t轧辊运输车车架为研究对象，分析在满载情况下车架应力分布，为产品的可靠性提供理论保证，为产品的进一步结构优化提供可能性。

参考文献

[1]徐克晋.金属结构[Z].1992.

[2]陈超祥，叶修梓.SolidWorks Simulation 2010基础教程[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2008.

[4]曹锋.SolidWorks 2007从入门到精通[M].人民邮电出版社，2008.

作者简介：杨立志（1980-），男，工程师，从事冶金车辆设计研究工作。