专用车CAE技术专题案例三 ——自卸车油缸上支座结构有限元分析

油缸举升机构作为自卸车的关键组件，其结构可靠性关系到自卸车能否正常工作，是影响整车性能的关键部件。举升机构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。上支座的结构若单薄，会导致其强度不够；结构过于厚实，浪费材料，不利于节约成本。本文将对市场某款自卸车的举升机构上支座进行有限元分析（包括螺栓组），对上支座的结构进行强度校核，以检验是否满足工作需求。

建立仿真模型

图1所示为举升机构上支座几何模型，上支座通过螺栓与自卸车箱体油缸座垫板（焊接于前板）相连接，油缸轴与支座轴筒铰接。对上支座、螺栓、螺母、垫圈进行网格划分，如图2所示。上支座结构简单，为铸钢件，在hypermesh中切分后进行六面体网格划分，同样对螺栓、螺母、垫圈进行六面体划分。各部件材料参数如下表1所示。

图1 上支座三维模型 图2上支座组件网格模型

表1 上支座材料特性参数

边界条件及载荷工况

对自卸车箱体进行受力分析，画出车厢受力示意图，如图3所示，图中B点为上支座，在举升初始时刻，箱体开始脱离副车架，经油缸举升作用，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。举升角度达到货物安息角时，货物开始卸出，此时箱体受到货物重力慢慢减小。通过ADAMS软件对箱体进行动态仿真，获取B点出的反作用力，仿真时间为40s（其中举升25s，回程15s），货物满载为35t，并考虑箱体自重。仿真得到B点处反作用力曲线如图4所示，举升机构中有两个上支座同时使用，其受力大小相同，所以将仿真得到的作用力数值除以2即为单个支座受力大小，载荷曲线数据将用于支座的静力分析。

图3自卸车上装受力简图图4上支座受力曲线图

本分析考虑螺栓预紧力作用，依据标准，螺栓预紧力F0=（0.5～0.7）σs *As，其中σs为螺栓的屈服强度，As为螺纹部分危险剖面的计算直径，查阅相关标准，取0.5-0.7之间的系数，设定F0 =65000N。

边界条件：固定油缸支座垫板边缘节点所有自由度。

静力分析及结果

对支座组件进行静载分析，在abaqus中，设定2个分析步，第1个分析步：施加预紧力；第2个分析步：施加X、Z方向载荷，输入整个历程载荷数据；Abaqus中载荷及边界如下图5所示。各部件之间定义接触属性。

图5 支座组件边界及载荷示意图

图6为支座等效应力云图，图7为支座第一主应力云图，图8为第三主应力云图，静力分析结果如下；

其中，由图6可知1号标记处等效应力为202Mpa，小于材料的屈服强度270Mpa；由图7可知1号标记处第一主应力（拉应力）为230Mpa，考虑安全系数1.2，最大主应力值230*1.2=276Mpa>270Mpa（材料屈服强度），刚好超过屈服强度。由分析可知，1号标记处主要承受拉应力作用，是高应力区域，易发生塑性变形。

由等效应力云图可知，2号、3号标记处等效应力也很大，2号处并超过了材料屈服强度，此处为支座与螺栓垫圈接触处，由图8第三主应力云图可知，该处主要承受第三主应力作用（压应力），同样，在载荷作用下，3号标记处也主要承受压应力作用。根据金属塑性材料特性，其抗压强度要远高于其抗拉强度，在压应力作用下不易损坏，所以2号、3号标记处在单次静载荷作用下不会发生破坏。

图6支座结构等效应力应力云图

图7支座结构第一主应力云图

图8支座结构第三主应力云图

图9为螺栓结构的等效应力云图，其中靠近上述1号标记处的螺栓受到的应力最大，与实际情况及理论分析相同，螺栓表面单元等效应力最大值为653.7Mpa，未超过螺栓材料屈服强度。

图9螺栓等效应力云图

总结

对举升机构上支座进行了动态仿真分析，获取了支座在一个循环工作周期内反作用力值，将其应用于支座的静力分析，校核了支座结构强度以及螺栓强度，结果表明：在静载工况下，支座结构及螺栓强度满足要求。后期将对支座进行疲劳寿命计算，检验支座寿命是否满足设计需求。

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