D型与双C型车架材料力学性能对比

郭丹辉

摘 要：矿车动态用计算可以采用D级路面或者更恶劣的路况进行多体动力学模拟，但在矿车众多构件的动态参数无法准确获得，动态计算只能作为一种参考，并且用等效静态载荷的方式施加，即要在前减振器上施加阻尼力。为了深入分析矿车车架应力分布，根据矿用自卸车设计中的分析需求和目前车架分析水平，本文重点对比D型与双C型车架材料力学性能。

关键词：D型车架材料；双C型车架；力学性能；典型工况

中图分类号：TG333 文献标识码：A

0.引言

车架的各种等效受载工况，包括典型静态工况和极限工况。典型等效静态工况包括：满载静止、最大加速启动、重载高速紧急制动、举升、急转弯、平路匀速行驶；极限工况包括：考虑动荷系数的匀速满载行驶、路面不平导致轮胎沉陷或者抬起、下坡制动、偏载下坡等工况。因此，矿用车在运用过程中，其车架的受力情况是很复杂的，基于此，必须重点探讨D型与双C型车架材料力学性能。

1.对比D型与双C型车架有限元模型

1.1 建立有限元模型

为了获得准确的车架在各个工况下的应力分布，此次分析建立了矿用自卸车板壳单元有限元模型（shell 181），这种单元类型的有限元模型比梁单元能更加真实具体地反应车架的应力分布。壳单元shell 181单元说明：Shell 181适用于薄到中等厚度的壳结构。该单元有4个节点，单元每个节点有6个自由度，分别为沿节点X，Y，Z方向的平动及绕节点X，Y，Z轴的转动。退化的三角形选项用于网格生成的过渡单元。Shell 181单元具有应力刚化及大变形功能。该单元有强大的非线性功能，并有截面数据定义、分析、可视化等功能，还能定义复合材料多层壳。Shell 181壳单元的截面定义了垂直于壳X-Y平面的形状。通过截面命令可以定义Z方向连续层，每层的厚度、材料、铺层角及积分点数都可以不同。

1.2 对比分析截面的有限元

截取等长度的部分车架纵梁模型，按照相同的网格密度划分网格，在模型的两端施加全约束，中间部位施加相同的集中力，有限元计算结果如图1和图2所示。

1.3 对比分析结果

1.3.1 对比变形

双C焊缝结构比双厚度变形增加12.5%，双C焊缝结构比D型结构变形增加19.8%；分析其应力情况可知，双C焊缝结构比双厚度应力增加2.9%，双C焊缝结构比D型结构应力增加26.8%。不论对比变形还是应力最大值，双C焊缝结构>双C双厚度>D型结构。

双C焊缝结构和双C双厚度的材料为510L，屈服极限350MPa，抗拉强度510MPa～630MPa；D型结构的材料为Q460CFD，屈服极460MPa，抗拉强度500MPa～680MPa，从材料上来说，双C结构都没有D型结构使用起来安全。

1.3.2 对比惯性矩

双C焊缝结构和双厚度的对比系数p=双C焊缝结构最大变形值/双C双厚度最大变形值=0.702e-4/0.614e-4=1.14mm；由公式可知，抗弯刚度与Iyy成反比，双C双厚度的惯性矩Iyy=0.440e-3；双C焊缝结构的惯性矩Iyy=双C双厚度/对比系数=0.385e-3。

D型结构Iyy（0.42e-3）>双C焊缝结构Iyy（0.385e-3），从截面惯性矩Iyy上来说，实际应用的双C焊缝结构没有D型结构使用起来安全。

2.对比D型与双C型车架材料力学法计算结果

2.1 力学模型简化及弯矩图

将车架作如下简化为如图3所示的形式，A为前桥中心，B为后桥平衡轴位置中心，C为车架尾部后销轴。F1为车架上表面施加的集中载荷主要为发动机、驾驶室、举升油缸和油箱自重，大小为总重的一半11320N，其中F2-F6为橡胶垫上的均布力，各为146226N，F7为后销轴承担的载荷151872N。

2.2 分析结果

2.2.1 D型梁车架的最大弯矩

D型截面惯性矩为0.42，D型截面的抗弯模量为1.71，由弯曲应力计算公式可得224.5MPa，位于后桥平衡轴中心位置。

2.2.2 双C型车架的最大弯矩

双C型截面惯性矩为0.44，考虑到焊缝对截面惯性矩的影响，双C焊缝结构的惯性矩Iyy=双C双厚度/对比系数=0.385 e-3。双C型截面的抗弯模量为1.57，由弯曲应力计算公式可得244.6MPa，位于后桥平衡轴中心位置。

2.2.3 结果

经上述分析可得，D型梁车架的抗弯截面系数比双C焊缝结构车架要大。建议最终版车架结构材料力学性能不要低于原结构，即性能要不低于Q460CFD。

3.双C型车架前板簧后座圆孔力学性能

将双C车架两处结构改变进行了有限元分析，并对结果进行对比。改变如下：1.3652模型前板簧后支座开孔处前移135mm，3652-2模型开孔与后支座对中；3652-2模型车架中取消了小三角板处的第六个减重孔，在原开孔处加10mm厚的槽型横梁。在举升工况中，前板簧后座圆孔前移和对中，车架立板处应力分布带变化随孔位置的改变而迁移，最大值相近，对中后有加强环比无加强环最大应力明显降低；车架下表面处对中比前移应力最大值略有降低。中桥处加槽型横梁在该工况影响了大三角板及其附近的应力分布，应力值增大5%。

结语

XGQ3650系列非公路自卸车广泛应用于大型露天煤矿、铁矿、铜矿等矿山、港口、码头、钢厂、水利工程等大型工程、基础建设等场地的矿石土方运输及水利工程、坑基开挖作业等，其车架是关键部件，在装载、运输、卸载中承受主要的载荷。车架的优劣直接影响着整车的使用寿命，同时反映了整车的技术水平。因此，在改造过程中，应全面对比了解D型与双C型车架材料力学性能，确保车架整体改进的科学性。

参考文献

[1]李贺军，陶珺，姚栋嘉，等.预炭层对ZrC浸渍C/C复合材料微观结构和力学性能的影响[J].新型炭材料，2015，23（4）：372-376，377.