自卸车自卸系统受力及仿真分析

司敏捷

中国重汽集团青岛重工有限公司 山东 青岛 266111

引言

自卸车经常在复杂多变的路况上行驶以及在各种工况下工作，工作条件恶劣，在设计初期必须对自卸车的零部件性能提出更高的要求。自卸系统作为自卸车的关键组件，起到举升卸载、回程作用，其结构可靠性关系到自卸车能否正常工作，以及自卸车的安全性，是影响整车性能的关键部件。自卸系统中的上支座作为连接件，连接油缸总成和车箱总成，确保举升力能作用到箱体；翻转轴支座连接箱体底部与副车架，起到翻转支撑作用。自卸车在举升工作及行驶在颠簸路面时，上支座、翻转轴支座受到的载荷复杂多变，随着作业时增长，支座会出现疲劳破坏现象。针对这一问题，本文以市场上某款自卸车U型车箱为研究对象，对自卸系统在举升卸载、回程整个周期内进行受力分析，并借助CAE软件对自卸系统部件进行静力学以及疲劳分析，校核结构强度和疲劳寿命。结合理论分析和仿真分析，有助于在设计初期为自卸系统的结构设计提供方向，提高其可靠性。

1 自卸系统受力分析

1.1 理论分析

由机械原理可知，自卸系统类似一个连杆机构系统，其摇杆（油缸）可以伸缩，为更好的研究自卸系统在举升、回程整个周期中的受力状态，对其进行简化，在举升初始时刻，箱体开始脱离副车架，经过油缸举升作用，举升角达到α，此时箱体主要承受底板翻转轴在A点的反作用力、货物加上箱体重量、油缸上支座B点反作用力。始时刻箱体中心距支座A点X方向距离；L1为举升初始时刻箱体中心距支座B点X方向距离。

1.2 动力学仿真分析

MSC.ADAMS是一款多体动力学仿真分析软件，可对机械系统的部件定义驱动和约束关系,施加外力或强制运动,构建机械系统的仿真模型，可同时显示多次仿真结果的动画以及数据曲线及干涉碰撞检测等。本文以某自卸车为例，借助ADAMS软件建立自卸系统样机模型，以获取样机模型在整个工作周期内各关键点的受力情况，为自卸系统结构优化设计和受力分析提供依据。在ADAMS中对自卸系统各部件的连接处施加约束，副车架与地面固定连接；油缸第一节末端与副车架上的下支座用转动副连接；油缸末节与上支座用转动副连接；翻转支座与副车架转轴之间用转动副连接。对油缸施加移动副，并定义移动驱动，利用阶跃函数step(time,x0,h0,x1,h1)对驱动定义直线速度。

2 自卸系统强度及疲劳分析

2.1 支座静力学分析

依据上述对自卸系统的受力分析，得到了上支座和翻转轴支座作用力随时间变化的曲线，借助ABAQUS有限元分析软件，对上支座和翻转轴支座进行有限元分析，校核其结构强度刚度是否满足设计需求。首先在hypermesh中划分网格，翻转支座为折弯件，对其抽取中面，划分四边形网格，翻转支座轴筒与支架通过焊缝连接，利用rbe3+实体单元方式模拟焊接连接；上支座为铸钢件，对其划分六面体网格，将网格导入ABAQUS软件中，定义材料属性、载荷及边界条件。在上支座转轴孔处以及翻转轴轴筒中心处设置参考点，然后利用coupling连接方式将参考点与轴筒内壁的节点关联，将载荷施加在参考节点上。对上支架的螺栓孔处施加固定约束；对翻转轴支架与底板焊接处施加固定约束。分别对上支座和翻转轴支座进行静力分析，载荷取上述作用力曲线中的最大值，经过有限元分析，得到支座结构应力分布云图。从应力云图可知，上支座最大等效应力为303.65Mpa，出现在螺栓孔连接处，超过了材料的屈服强度，未达到材料抗拉极限；翻转轴支座的最大等效应力出现在轴筒与支架的焊接处，最大值为177.85Mpa，Q235低碳钢的焊接材料一般选择E43型号焊条，该焊条的抗拉强度≥421MPa，在该分析中，焊核是安全的，满足设计需求。

2.2 支座疲劳分析

疲劳破坏是结构件主要的失效形式，大多数结构在静载条件满足设计需求，但是随着使用时间的累计，逐渐产生疲劳裂纹，最终断裂失效。疲劳现象发生的原因在于结构在交变应力或应变的作用下发生了性能变化。疲劳分析方法中的名义应力法主要应用于高周疲劳分析，该方法起源于19世纪，是目前应用最为广泛的疲劳寿命计算方法。该方法首先需要对结构进行静力学分析，获取结构危险点出的应力，然后结合材料的S-N曲线，计算危险点部位的应力集中系数，最后根据Miner线性损伤累计法则计算零件的寿命。自卸系统支座在自卸车工作状态下使用频次较高，容易出现疲劳失效，借助在ADMAS中分析得到的支座作用力曲线以及在ABAQUS中分析得到的静力学结果，利用FE-SAFE疲劳分析软件，对支座进行疲劳分析，计算支座的疲劳寿命。支座在自卸车油缸举升到回程整个周期内受到的载荷大小，将该载荷曲线作为疲劳载荷谱输入，对支座进行疲劳寿命估算。在FE-SAFE中设定结构表面粗糙度以及载荷谱，依据软件自带Seeger’smethod方法拟合S-N曲线，只需给定材料的抗拉强度、弹性模量即可，最后求解得到结构的疲劳寿命。上支座的危险点处的最低疲劳寿命为372200次循环，油缸经过372200次周期（举升至回程）后，支座螺栓孔处会发生疲劳破坏，翻转轴支座危险点处的最低疲劳寿命为3326000次循环，表明经过3326000次周期（举升至回程）后，翻转轴支座处会发生疲劳破坏；依据标准《QC/T223-2010自卸车试验方法》，自卸车自卸系统需要连续举升超过3000次，保证自卸系统部件不能发生破坏。仿真分析得出的疲劳寿命大于标准所规定的3000次，表明该结构符合设计要求。

3 结语

1）通过理论分析，对自卸车的自卸系统进行了受力分析，并结合ADAMS软件对自卸系统进行了动态仿真，得到了上支座以及翻转轴支座作用力变化曲线图，为自卸系统的设计提供了依据。2）对上支座及翻转轴支座进了结构静力分析，校核了其结构强度，结果表明：结构等效应力未超过材料屈服强度，结构强度能满足设计需求。3）依据静力学分析结果，对上支座及翻转轴支座进行了疲劳寿命分析，结果表明：支座结构疲劳寿命大于标准规定数值，满足设计需求。