某型自卸车举升机构强度分析及优化设计

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1、某型自卸车举升机构强度分析及优化设计张敏苏新涛北汽福田汽车股份有限公司长沙汽车厂技术中心CAE分析室长沙410129摘要：本文针对市场反馈某型自卸车举升机构的三角臂结构经常失效问题，建立举升机构的多体动力学模型并进行刚柔耦合分析，发现三角臂结构强度性能不足，且与实际破坏形式一致；运用Nastran对三角臂进行尺寸优化设计，结果表明当料厚40mm时，三角臂结构性能最优；最后，通过超载举升试验进一步验证仿真结果，从而完全解决了三角臂结构失效问题。关键字：三角臂尺寸优化MSC.Nastran0、前言专用汽车举升机构有

2、很多种，常见的中重型卡车一般采用单顶放大机构，这种机构在整车上容易布置，举升压力小，成本低。该机构由2根拉杆、2个三角臂及一个油缸组成（如图1所示），其中，三角臂结构性能至关重要，如果设计的较厚重，虽能保证强度及刚度性能，但材料成本增加；如果设计的较薄，可能造成屈服变形或断裂现象，进而引发举升死点、侧翻等问题，严重影响举升机构的可靠性、安全性。图1单顶放大举升机构根据市场反馈，某型自卸车三角臂结构经常发生屈服变形或根部断裂造成车辆侧翻事故，表明该三角臂结构存在设计缺陷，应重新进行设计。由于三角臂结构随举升过程而

3、发生空间位置变化，三角臂受载情况较为复杂，因此，建立举升机构动力学仿真模型、刚柔耦合分析，是三角臂结构强度分析的非常有效、实用、方便的一种方法。本文首先运用MSC.Nastran计算并输出三角臂的约束模态应力、应变等信息的mnf文件，再导入MSC.Adams软件中，建立刚柔耦合结构的举升机构仿真模型，计算三角臂结构动态应力；然后再次运用MSC.Nastran针对三角臂进行尺寸优化并确定三角臂厚度；最后通过举升试验验证仿真结果的准确性，以此解决三角臂结构失效问题。1、运用有限元法建立三角臂模态中性文件三角臂为厚度

4、30mm的Q345A（材料特性，如表1所示）板材，其有限元模型采用六面体单元（CQUAD6）-1-单元进行网格划分（如图2所示），该模型共有个11848节点，14549个单元。图2三角臂有限元网格模型表1材料属性3材料名称弹性模量（MPa）泊松比密度(Kg/mm)屈服强度（MPa）T≤16，δs≥345；16＜T≤35，δs≥325；Q345A2.1E+50.37.85E-635＜T≤50，δs≥295；50＜T≤100，δs≥275；建立模态卡片、载荷步、输出控制卡片后运行计算即可得出三角臂模态中性mnf文件

5、，在mnf文件中保留着三角臂柔体的全部模态信息，如图3所示。图3三角臂柔性体的模态信息2、刚柔耦合动力学分析首先将Parasoid格式文件的举升系统三维模型导入Adams中（重点是导入各个零部件的质量、质心位置、转动惯量等信息），并分别创建拉杆与拉杆支座、油缸与油缸支座、三角板与拉杆及油缸转动副，油缸内外筒滑动副等关系；其次，将货箱及货物（按超载20%）配重，且确保重心坐标、货箱尺寸、转动惯量与实际一致；然后，利用MSCAdams里的Flexibodies中的RigidToFlex模块将三角臂替代为预先输出的m

6、nf文件，将质心重合及三坐标对齐。具体刚柔耦合举升机构动力学模型如图4所示。在油缸内外筒滑动-2-副处施加Motion以此驱动，根据货箱尺寸确定举升时间为20s、最大举升角度48度（参照国家标准QC/T222《自卸车通用技术条件》，如表2所示）。表2货箱举升时间货箱内部长度L（m）举升时间(s)L≤4.8≤204.8＜L＜6.5≤40L≥6.5≤55图4刚柔耦合举升机构动力学模型计算完成后进入后处理，观察三角臂的动态应力情况，利用HotSpots监测最大应力节点信息，如图5所示。根据HotSpots监测情况，当

7、2.4s时三角臂结构的应力水平最高，此时三角臂的应力分布云图，如图6所示。图5最高应力节点信息图6三角臂在2.4s时的应力分布云图-3-货箱举升角度-时间曲线举升时间－拉杆拉力（红色）举升时间－油缸压力（绿色）曲线图7相关曲线o55从上图表中看出，当举升至2.4s时，货箱翻转角度为4.65、油缸受载7.31×10N、拉杆受载5.0×10N、三角臂结构的最高应力值为366MPa，高于材料的屈服强度325MPa，与市场反馈发生屈服变形或断裂现象一致，表明刚柔耦合强度分析较准确地反映举升机构的实际受力状况，因此，有必

8、要对三角臂重新进行优化设计。3、三角臂尺寸优化分析依据刚柔耦合分析结果作为三角臂结构有限元分析的边界条件，进而进行尺寸优化分析。尺寸优化问题描述：◆变量：侧板厚度变化范围30.0mm～50.0mm，以5.0mm为增量；（考虑原材料的统一性,材料的屈服强度为295MPa）◆约束：最高VonMises应力值不高于245MPa（考虑疲劳系数为1.2，则三角臂材料的许用应力为295/1.2=2