无人粮食转运车车身刚强度分析

2020-04-10张博强吴心平金泉军陈京山陈朋辉

汽车实用技术 2020年4期

张博强吴心平金泉军陈京山陈朋辉

摘要：因有限元分析方法的不断成熟，使分析所得的结果准确度大幅提高，从而降低了研究成本，缩短了研发周期。基于这些特点，将有限元分析方法应用于各类车的设计研究。文章通过无人粮食转运车的结构特点，对该无人粮食转运车在四种典型工况下的刚度和强度进行了计算，分析了粮食转运车在这四种工况下运行时的位移变形量的最大值和应力最大值及其出现的位置，所得结果为新车型的车身骨架提供数据化参考。

关键词：无人粮食转运车;刚度;强度;工况

中图分类号：U467 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2020）04-30-04

Study on optimization of body structure of unpiloted grain transport vehicle

Zhang Boqiang¹，Wu Xinping¹， Jin Quanjun²^*， Chen Jingshan¹， Chen penghui¹

（ 1.Henan university of technology， Henan Zhengzhou 450000;2.Zhejiang Geely New Energy Commercial Vehicle Co. LTD， Zhejiang Hangzhou 311228 ）

Abstract： Due to the continuous maturity of the finite element analysis method，the accuracy of the analysis results is greatly improved， therefore， reducing the research cost and shortening the development cycle. Based on these characteri -stics， the finite element analysis method is applied to the design research of various types of vehicles. Based on the structural characteristics of the unpiloted grain transfer vehicle， this paper calculates the stiffness and strength of the unpiloted grain transfer vehicle under four typical working conditions， and analyzes the maximum displacement deforma -tion， the maximum stress and the position of the unpiloted grain transfer vehicle running under these four working conditi -ons. the results provide a data reference for the body frame of the new vehicle.

Keywords： Unpiloted grain transfer vehicle; Stiffness; Intensity; Working condition

CLC NO.： U467 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2020）04-30-04

1 前言

科技的迅猛发展带动了人们生活水平的提高，使得人工劳动成本越来越高，传统的粮食转运车已经不能满足人们的需求，所以急需开发基于无人驾驶技术的智能转运车来解决这一问题。本文以自行开发的无人粮食转运车作为本次研究的对象，运用有限元分析方法对该转运车车身骨架结构进行刚度和强度的计算;粮食转运车在实际的行驶过程中会出现多种工况，选择其中最常见的四种工況，即在较高车速下的匀速直线行驶（水平弯曲工况），路面崎岖有凹坑导致左右车轮腾空（极限扭转工况），紧急转弯（急转弯工况）和紧急刹车（紧急制动工况）四种比较典型的工况^[1]。

2 整车数学模型及刚强度计算

2.1 粮食转运车有限元模型

良好的三维模型是有限元分析的前提，将无人粮食转运车的三维模型导入Hypermesh中生成有限元模型，并采用Hypermesh/Optistruct进行有限元分析计算。计算时先对无人粮食转运车的车身骨架的材料添加属性，然后在不同工况下在不同的位置对模型添加不同的载荷和约束.最后计算得出位移云图和应力云图^[²^]。其中整车结构的有限元模型如图1所示。

2.2 强度计算

金属材料分为无明显屈服现象和有明显屈服现象两种。无明显屈服现象的金属材料需测量其规定的非比例延伸强度或规定的残余伸长应力，而有明显屈服现象的金属材料则可以测量其屈服强度^[³^]。本车所用的材料为Q235，有明显的屈服现象。屈服强度的计算公式为：

（1）

式中σ是屈服强度，单位为“MPa”，F是材料发生塑性变形量是原长的0.2%时所受的力，单位为“N”，S是材料的横截面积，单位是“m²”^[⁴^]。

2.3 刚度计算

（1）车身一般受拉压和弯曲的刚度，而刚度是描述物体抵抗变形拉伸的能力。其中刚度的理论计算公式为：

（2）

其中δ是因力所产生的形变，P是作用在结构上的恒力^[5]。

（2）用Hypermesh计算刚度后所得的结果是位移云图，计算时添加的是材料的属性（弹性模量等），计算的是位移量，所以可用以下公式计算。

拉伸和压缩刚度为：

（3）

其中E为弹性模量，A为截面面积。

扭转刚度计算公式为：

（4）

其中，θ為加载力矩下车身角变形量，M为扭矩^[6]。

3 工况分析

3.1 弯曲工况

满载的粮食转运车在良好路面而且是在匀速直线行驶下的工况，称为弯曲工况。因为此工况是在良好路面且是直线行驶，所以弯曲工况是转运车车速最高的工况，车身骨架所承受的动载荷也是最大的。在这种工况进行仿真模拟主要用来研究转运车在行驶时车身各部分的变形和受力情况，根据所计算的应力云图和位移云图上的应力值和位移量来校对弯曲工况下粮食转运车车身骨架的刚度和强度^[7]。

粮食转运车车身和其它零部件总成及一些附件（如发动机、转向器、变速箱、电池等）受重力的影响，计算时需要在相应的地方添加对应的载荷，载荷类型为节点载荷。转运的货物则采用均布载荷添加在转运车上。在上述载荷添加完毕的条件下，只需要再约束前后车轮与悬架相连地方的水平和垂直方向的平动自由度即可。

3.2 极限扭转工况

因车身左右受到不对称的力而产生的载荷叫做扭转载荷，转运车在受到这种载荷下的工况叫极限扭转工况^[8]。无人粮食转运车在实际行驶过程中，经常会遇到一些坑坑洼洼的路面，粮食转运车在这些路面上行驶时，会因为凹坑或者凸起石块使其中一个车轮瞬间悬空，使其他车轮抬高因此而受到载荷增大的情况，在这种情况下会使车身骨架左右受力不对称。

极限扭转工况下，有个车轮是悬空的（本文主要研究左前轮），所以施加的约束与水平弯曲工况不同，应将该模型左前轮与悬架相连的节点处的各个方向的自由度予以释放，对模型的其他轮胎与悬架连接处节点的全部平动自由度予以约束。粮食转运车的行驶状况和弯曲工况大体相同，所以转运车所需要添加的其他载荷与水平弯曲工况时添加的载荷相同。同理，由于是左前轮是悬空，这个情况水平弯曲工况是没有的，所以施加的约束与水平弯曲工况不同，应将该模型左前轮与悬架相连的节点处的各个方向的自由度释放了，其它的平动自由度全部约束。

3.3 急转弯工况

转弯是粮食转运车在实际行驶经常遇到的，而且转弯是会产生离心力的。因为离心力，车身骨架会受到离心侧向力的作用，这种作用力会对车身造成一定的弯矩，且转弯横向力会通过转向拉杆传递到底架上，所以为了保证周围人的人身安全，车身骨架需要具有一定的强度和刚度。

在对急转弯工况进行仿真模拟时，需在模型上加载离心加速度，其它所需要添加的载荷与弯曲工况一样。如果仿真模拟的工况是左转弯，则约束右前轮垂直方向的平动自由度，若模拟的是右转弯则约束左前轮，本次仿真实验模拟的是左转弯，其他车轮则约束的是水平和垂直方向的平动自由度。

3.4 紧急制动工况

粮食转运车在遇到紧急情况时需要在最短的时间内停住，因此会采取紧急制动，而在制动过程中，粮食转运车会以最大的减速度进行减速，制动结束后，粮食转运车再次启动运行时，则需要加速，基于以上两种情况，粮食转运车前后轴的载荷都会有相应的变化，并且都会有纵向的载荷作用于粮食转运车上。其中纵向载荷的大小取决于转运车自身的质量和转运车在减速时减速度的大小或在加速时加速度的大小。又因为加减速度较大，车身骨架会受到极高的载荷，这种载荷对车身会产生极大的负荷^[9]，因此，对紧急制动工况进行分析计算是非常有必要的。

运用Hypermesh对转运车各部分进行分析计算，将载荷添加在对应的地方，计算出最大应力值和其所分布的位置。若符合要求，那么加速状况下的最大应力就不需要计算了。紧急制动工况下除了要施加与水平弯曲工况一样的载荷外，还需要模拟紧急制动时所产生的惯性力作用，即在车身骨架上施加一个加速度，方向是水平向前。载荷加载的方式与急转弯工况类似，将横向加速度的大小修改即可;在此工况下约束所有车轮与悬架相连处水平和垂直方向的平动自由度即可。

4 计算结果及分析