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基于HyperWorks的平衡軸有限元分析

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基于HyperWorks的平衡軸有限元分析

平衡軸懸掛是重型卡車最重要的零部件之一，主要起平衡中、后橋所受載荷的作用。其結(jié)構(gòu)由平衡軸、支架、軸殼等構(gòu)成，因使用環(huán)境惡劣，用戶嚴(yán)重超載，導(dǎo)致平衡軸支架出現(xiàn)斷裂。以往開發(fā)的新平衡軸懸掛通常采用路試的方法驗(yàn)證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，該方法成本高、周期長(zhǎng)，而利用軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析更加準(zhǔn)確和快捷。為此，采用一種行之有效的新方法來(lái)設(shè)計(jì)平衡軸懸掛，并對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算和優(yōu)化是十分必要的。
圖是市場(chǎng)反饋的一種平衡軸懸掛支架開裂的情況，該平衡軸懸掛以前搭載于6×4公路載貨車，核定的載重不超過40t，未出現(xiàn)平衡軸支架開裂現(xiàn)象?，F(xiàn)在主機(jī)廠為了降低成本，將此款平衡軸懸掛搭載于8×4公路自卸車，在實(shí)際使用過程中，個(gè)別用戶嚴(yán)重超載，載重甚至達(dá)到60t，導(dǎo)致支架開裂。
為了滿足客戶使用要求，必須對(duì)平衡軸懸掛的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化。
圖是用UGNX7.5建立的平衡軸懸掛3D模型，使用UG建模簡(jiǎn)單，易于修改。
利用HyperWorks中Hypermesh12.0建立，支架、平衡軸采用二階10節(jié)點(diǎn)四面體單元，推力桿、橋、板簧等簡(jiǎn)化成一維Bar單元，采用CBEAM模擬輪胎。圖4是實(shí)體結(jié)構(gòu)有限元模型，圖5是平衡軸懸掛有限元模型。
在Hypermesh12.0中，設(shè)置材料mat name:QT500-7，type:ISOTROPIC，card image:MAT1；mat name:42CrMo，type:ISOTROPIC，card image:MAT1.在Card Edit中輸入表1中的彈性模量和泊松比。
設(shè)置屬性：type:3D，cardimage:PSOLID，并將屬性賦予支架和軸。
在Hypermesh12.0中導(dǎo)入平衡軸支架三維實(shí)體模型，如圖3所示。設(shè)置好網(wǎng)格參數(shù)后，利用Automesh劃分網(wǎng)格，如圖5所示。
平衡軸懸掛工作時(shí)主要受到整車自重及貨物的重量。一般中后橋承載重量為整車總重的70%，即為平衡軸懸掛所受的重力。本款平衡軸懸掛所搭載的車型，額定總重量為40 t，平衡軸懸掛所受載荷28 t。考慮到客戶超載情況，整車總重量加到60t，平衡軸懸掛所受載荷42t。分別計(jì)算在這兩種載荷作用下，平衡軸懸掛的應(yīng)力情況。加載如下：
彎曲工況下，Z向-1g重力加速度；沖擊工況下，Z向-2.5g重力加速度。
根據(jù)支架斷裂情況，重點(diǎn)考察圖6重要區(qū)域的應(yīng)力情況。
將建立好的有限元模型，利用OptiStruct求解器進(jìn)行求解，用HyperView查看結(jié)果。
載重為40t時(shí)，對(duì)由于連接引起的孔周應(yīng)力失真不予考慮。支架在各個(gè)工況下，各部分結(jié)構(gòu)的應(yīng)力如圖所示。
從40t分析結(jié)果來(lái)看，該款平衡軸懸掛的結(jié)構(gòu)能夠滿足使用要求。但現(xiàn)實(shí)中，用戶超載嚴(yán)重，最多超載到額定重量的50%，因此，進(jìn)行60 t的分析是十分重要，也是具有參考價(jià)值的。
載重為60 t時(shí)，對(duì)由于連接引起的孔周應(yīng)力失真不予考慮。支架在各個(gè)工況下，各部分結(jié)構(gòu)的應(yīng)力如圖所示。
為了滿足客戶要求，必須對(duì)平衡軸懸掛中支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)模型如圖所示，將應(yīng)力集中區(qū)域的圓弧由R5加大到R20，取消減重孔，增加2條加強(qiáng)筋。
為了驗(yàn)證改進(jìn)效果，重新進(jìn)行平衡軸懸掛的有限元分析，在整車載重60 t，沖擊系數(shù)2.5的工況下支架的應(yīng)力圖如圖所示。

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