热轧酸洗钢用于饲喂车底盘的研究分析

季铧   石荣玲   

（徐州工程学院机电工程学院，江苏 徐州 221018）

摘要: 本文通过建立底盘车架的模型，分别进行刚度，以及应力分析，来确定轻量化底盘的优化设计。通过计算校核底盘刚度，运用SOLIDWORKs软件对底盘进行三维建模，通过ANSYS Workbench软件模块，对导入的底盘模型进行静力学分析。

关键字：饲喂车 搅拌系统 底盘 刚度 有限元

1.引言

底盘车架，作为饲喂车的关键承重件。其主要承载驾驶室、料箱、油箱等，不仅如此在行驶过程中还会受到力矩和力，并且在搅拌过程中也会受到力和震动。所以，底盘的强度就关系到整辆车的可靠性以及寿命。在设计底盘时应该首先考虑到其刚度和强度，在保证整车的安全可靠性的前提下再进行轻量优化^[1]。

2.系统建模分析

2.1方案设计

本设计，以中型卡车二类底盘为原型，底盘上配有称重和TMR搅拌系统；其由两条大梁和8条横梁构成，其中底盘长6800mm，前段980mm，后段渐宽，为1200mm，如下图2-1为基础模型。

随着高强结构钢的研究与开发；其优良的性能特点，增大了底盘轻量化的可行性。同时，再对底盘结构进行适当调整，主要改变大梁截面尺寸、横梁尺寸、横梁的布置以及底盘宽度等参数。能进一步满足轻量化的需求。用材从原来的B510L提升到B750L，是本次优化的基础^[2]。

表2-1 材料属性表

图2-1 底盘简化模型

表2-2 底盘参数表

2.2底盘的可靠性分析

（1）刚度校核

自走式精确饲喂车在实际的生产使用过程中，往往处在复杂多变的工况下，各种各样的载荷，振动会使底盘车架产生多样的形变。大类可分为弯曲和扭转两种；实际上，往往是两种的复杂组合。

分析底盘承受载荷的方式，将底盘精简为简支梁的力学模型，可得底盘的弯曲刚度计算公式^[4]：

                           （）      （2-1）

式中   ——弯曲刚度，单位；

——集中力，单位；

——轴距，单位；

——测量点到支点的距离，单位；

——挠度，单位。

图2-2 受力分析

通过对前、后驱动桥轴线处，适当地施加约束^[14]；以前后轮轴连线的中点位置处，分别施加集中力，得到的计算值对比如下表：

表2-3 计算结果对比

分析底盘在承受扭转力时，发生的扭转角，可以研究底盘的扭转刚度。在理想状态下，不考虑轴距，其扭转刚度计算公式：

                                  （）   （2-2）

式中    ——扭转刚度，单位；

——扭矩，单位；

——扭转角，单位；

——集中力，单位；

——力臂，单位；

——测量点的高度差，单位。

通过约束后驱动桥轴线上方的3个平动自由度，以及前驱动桥轴线的横纵方向的平动自由度^[14]；在前轮的轴线中心处施加集中力，得到的计算值对比，如下表2-4。

表2-4 计算结果对比

（2）底盘的限元分析

为了更加准确地分析底盘在工作状态，受力以及形变的特征，在SOLIDWORKs中建立模型再导入ANSYS Workbench中进行有限元分析。建模时时应该遵从如下原则：

表2-5 载荷数据表

①模型的结构必须要合理，有较清晰的传力路径和几何特征。

②使用适宜的尺寸单元，在能够保精度的状况下，增大网格的划分尺寸，提高计算效率。

③建模时有选择性地抓住主要结构特征，忽略一些次要的细节，合理地对模型做出简化。

底盘的本体及焊缝的有限元，全部采用壳体单元进行划分（如下图2-3），为保证参数化后的模型在形变优化后依然保持网格的质量，将网格的划分控制在平均尺寸6mm左右。选取从左到右2、3两根横梁以及，6、7两根横梁间添加约束，模拟车轴支承，对两条大梁分别施加载荷（见表2-5），进行模拟^[5]。

图2-3 网格划分

应力和形变结果分析：

底盘的材质选用高强钢B750L（热轧酸洗汽车钢），屈服强度≥750MPa，抗拉强度800~980MPa^[15]。通过新建材料参数，建立有限元求解，得到的总形变图（图2-4）和等效应力图（图2-5）如下：

图2-4 总形变图

图2-5 等效应力图

总形变图可以看到，最大的形变出现在整条底盘的中部为5×10^-5m。

分析等效应力图，最大等效应力，集中靠近前后轮轴的两条主大梁上为5.6MPa，在许用范围内，可靠。

整车在运行中，底盘主要承受压力、扭矩等。此车架底盘的结构，相比于原型（中型二类卡车底盘）在大多数工况下，安全系数更高；材质B750L（热轧酸洗汽车钢）底盘的可靠性也高于B510L（普通汽车钢）。另外，工艺上采用辊压成形的材料，不易开裂，相比于冲压，可大大提高疲劳强度^[3]。

结论：可以实现底盘车架减重60kg，减少部件质量15%以上。

3.总结 

对饲喂车的底盘进行轻量化设计，确定了底盘的基本尺寸参数。计算校核了底盘的可靠性；借助ANSYS Workbench对底盘进行结构有限元分析，得出形变与应力云图，找出了底盘中部以及前后轮轴处的应力集中点，结果的数据对比可得：选用材料B750L能够在使车架在满足可靠性的基础到简化质量达到15%，为后续优化提供依据。

参考文献

[1]沈红光. 高地隙折腰式水田动力底盘设计与试验[D].东北农业大学,2017.

[2]张文学,黄传清.宝钢1880mm热轧工艺技术自主集成创新实践[J].宝钢技术,2008（02）:21-27.

[3]周斌,陈彤.全混日粮饲料搅拌车的磨损和使用[J].中国奶牛,2008（08）:53-56.

[4]刘新田,黄虎,刘长虹,郭辉,范平清.基于有限元的汽车车架静态分析[J].上海工程技术大学学报,2007（02）:112-116.

[5]张钊,江国和,魏景松.ANSYS Workbench计算复杂机械手臂简化方法[J].机电设备,2017,34（05）:20-25+31.