CN107657096A - 基于有限元的矿用自卸车车厢强度评估方法 - Google Patents

基于有限元的矿用自卸车车厢强度评估方法 Download PDF

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董志明
杨芙蓉
郭海全
刘文忠
李显武
宋黎明
段景飞
潘艳君
丁浩然
闫海军
杨哲
王庆超
王晓磊
贾占军
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Abstract

本发明公开了一种基于有限元的矿用自卸车车厢强度评估方法，包括：建立车厢内部空间轮廓，采用离散元的方法计算散装颗粒物料对车厢底板、侧板、前板的压力；近似拟合散装颗粒物料对车厢底板、侧板、前板的压力，以作为有限元分析时的载荷输入条件；确定物料对车厢的载荷，采用有限元的方法对车厢进行应力和应变分析，根据应力和应变分析结果对车厢的强度进行综合评估。本发明针对矿用自卸车在不同工作环境下对车厢的载荷分别加以研究，能够系统地评估车厢的力学性能，并作为评判设计的依据。

Description

基于有限元的矿用自卸车车厢强度评估方法
技术领域
本发明涉及一种车厢强度的评估方法，具体说，涉及一种基于有限元的矿用自卸车车厢强度评估方法。
背景技术
矿用自卸车主要应用于露天矿山散装物料的运输，车厢作为矿用自卸车重要部件之一，在实际工作过程中承受着多种载荷，比如扭转、弯曲、冲击、振动；车厢的额定载重量是车厢自重的7到10倍，车厢自重占整车整备质量的15％-25％；并且车厢和物料对车架的作用是车架设计过程中需重点考虑的因素。所以说在设计过程中准确地计算和评估车厢的强度，对于车厢轻量化设计、提高车厢寿命、研究车厢对车架的作用、提高运输效率等方面有着极为重要的意义。
矿用自卸车运输的物料涉及到多种类型，有煤炭、金属矿山、土石方等，不同的物料其密度和堆装系数也不同，对车厢的载荷也有所不同。当下缺少一种在设计时计算和分析车厢的强度的依据，以至于很难评估车厢的强度和寿命。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供一种基于有限元的矿用自卸车车厢强度评估方法，针对矿用自卸车在不同工作环境下对车厢的载荷分别加以研究，能够较为系统地评估车厢的力学性能，作为评判设计的依据。
技术方案如下：
一种基于有限元的矿用自卸车车厢强度评估方法，包括：
建立车厢内部空间轮廓，采用离散元的方法计算散装颗粒物料对车厢底板、侧板、前板的压力；
近似拟合散装颗粒物料对车厢底板、侧板、前板的压力，以作为有限元分析时的载荷输入条件；
确定物料对车厢的载荷，采用有限元的方法对车厢进行应力和应变分析，根据应力和应变分析结果对车厢的强度进行综合评估。
进一步：建立车厢内部空间轮廓，采用离散元的方法计算散装颗粒物料对车厢底板、侧板、前板的压力，具体包括以下步骤：
根据车厢的几何尺寸建立车厢内部空间轮廓；
用堆装方法将物料填充到建立的车厢内部空间轮廓，此时设定车厢是刚性的；
采用离散元的分析方法计算物料对车厢侧板、底板、前板的压力。
进一步：采用数学方法用公式近似拟合物料对车厢侧板、底板、前板的压力；压力σ＝ρ×gx×x×1/7，ρ为物料的密度，x为平均名义直径，gx为x方向的加速度。
进一步，综合评估具体包括：
根据车厢的实际几何尺寸建立车厢的三维模型，并将其导入到有限元软件中，在有限元软件中建立有限元模型；
定义车厢的材料特性，对车厢划分有限元网格，定义各零部件之间的接触方法，根据三维模型和材料特性建立车厢的有限元模型；
根据车厢的结构特点和安装方式定义车厢的边界条件；
将物料对车厢侧板、底板、前板的压力作为载荷施加到车厢上，根据施加载荷和边界条件进行有限元分析；
获取车厢各零部件的应力、应变等结果数据，对车厢的强度进行综合评估。
进一步：边界条件包括定义车厢和车架之间的接触条件，以及定义车厢和车架铰接孔约束。
与现有技术相比，本发明技术效果包括：
本发明针对矿用自卸车在不同工作环境下对车厢的载荷分别加以研究，用一种较为系统的方法评估车厢的力学性能，作为评判设计的依据。本发明采用离散元和有限元的方法对车厢整体进行强度评估。
附图说明
图1为本发明中基于有限元的矿用自卸车车厢强度评估方法的流程图；
图2为本发明中车厢装载颗粒物料的示意图；
图3为本发明中采用数学公式拟合物料对车厢侧板压力的示意图；
图4为本发明中车厢的结构示意图。
具体实施方式
下面参考示例实施方式对本发明技术方案作详细说明。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
如图1所示，为本发明中基于有限元的矿用自卸车车厢强度评估方法的流程图。
基于有限元的矿用自卸车车厢强度评估方法，具体包括以下步骤：
步骤1：建立车厢内部空间轮廓，采用离散元的方法计算散装颗粒物料对车厢底板、侧板、前板的压力；
步骤11：根据车厢的几何尺寸建立车厢内部空间轮廓；
此时，忽略车厢的其它特征。以某型号矿用自卸车在加速行驶时的工况为例，确定物料对车厢的作用力，评估车厢的强度。
步骤12：用SAE(美国机动车工程师学会)标准的堆装方法将物料填充到建立的车厢内部空间轮廓，此时设定车厢是刚性的，物料的密度和平均名义直径根据实际情况确定；
因为这个步骤只是计算颗粒物料对车厢侧板、前板、底板的压力，所以忽略车厢的其它特征，并认为各零部件是刚性的。
如图2所示，为本发明中车厢装载颗粒物料的示意图。
步骤13：采用离散元的分析方法计算物料对车厢侧板、底板、前板的压力。
步骤2：近似拟合散装颗粒物料对车厢底板、侧板、前板的压力，该压力可以作为有限元分析时的载荷输入条件；
如图3所示，为本发明中采用数学公式拟合物料对车厢侧板压力的示意图。
采用数学方法用公式近似拟合物料对车厢侧板、底板、前板的压力。在加速行驶工况时物料对侧板的压力σ＝ρ×gx×x×1/7，ρ为物料的密度，x为平均名义直径，gx为x方向的加速度，相当于1/7倍的静水压力。物料对车厢底板和前板的压力也可以采用数学公式进行拟合。本步骤拟合出的公式可用于计算对车厢进行有限元分析时的载荷。
采用数学公式拟合散装颗粒物料对车厢底板、侧板、前板的压力，只有这样才可以作为有限元分析时的载荷输入条件。
步骤3：确定物料对车厢的载荷，采用有限元的方法对车厢进行应力和应变分析，根据应力和应变分析结果对车厢的强度进行综合评估。
步骤31：根据车厢的实际几何尺寸建立车厢的三维模型，并将其导入到有限元软件中，在有限元软件中建立有限元模型；
如图4所示，为本发明中车厢的结构示意图。
步骤32：定义车厢的材料特性，对车厢划分有限元网格，定义各零部件之间的接触方法，根据三维模型和材料特性建立车厢的有限元模型；
车厢材料的弹性模量E为2e11Pa，泊松比为0.3，材料密度主7800kg/m3；车厢大部分零部件属于薄壁件，采用壳单元对其划分有限元网格；其复杂零部件采用实体单元进行网格划分；车厢属于焊接件，焊缝采用BOND接解命令代替，不会影响车厢整体的刚度和强度。
步骤33：根据车厢的结构特点和安装方式定义车厢的边界条件；
边界条件包括：定义车厢和车架之间的接触条件，定义车厢和车架铰接孔约束。
步骤34：将物料对车厢侧板、底板、前板的压力作为载荷施加到车厢上，根据施加载荷和边界条件进行有限元分析；
步骤35：获取车厢各零部件的应力、应变等结果数据，对车厢的强度进行综合评估。
本发明所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种基于有限元的矿用自卸车车厢强度评估方法，包括：
建立车厢内部空间轮廓，采用离散元的方法计算散装颗粒物料对车厢底板、侧板、前板的压力；
近似拟合散装颗粒物料对车厢底板、侧板、前板的压力，以作为有限元分析时的载荷输入条件；
确定物料对车厢的载荷，采用有限元的方法对车厢进行应力和应变分析，根据应力和应变分析结果对车厢的强度进行综合评估。
2.如权利要求1所述基于有限元的矿用自卸车车厢强度评估方法，其特征在于：建立车厢内部空间轮廓，采用离散元的方法计算散装颗粒物料对车厢底板、侧板、前板的压力，具体包括以下步骤：
根据车厢的几何尺寸建立车厢内部空间轮廓；
用堆装方法将物料填充到建立的车厢内部空间轮廓，此时设定车厢是刚性的；
采用离散元的分析方法计算物料对车厢侧板、底板、前板的压力。
3.如权利要求1所述基于有限元的矿用自卸车车厢强度评估方法，其特征在于：采用数学方法用公式近似拟合物料对车厢侧板、底板、前板的压力；压力σ＝ρ×gx×x×1/7，ρ为物料的密度，x为平均名义直径，gx为x方向的加速度。
4.如权利要求1所述基于有限元的矿用自卸车车厢强度评估方法，其特征在于，综合评估具体包括：
根据车厢的实际几何尺寸建立车厢的三维模型，并将其导入到有限元软件中，在有限元软件中建立有限元模型；
定义车厢的材料特性，对车厢划分有限元网格，定义各零部件之间的接触方法，根据三维模型和材料特性建立车厢的有限元模型；
根据车厢的结构特点和安装方式定义车厢的边界条件；
将物料对车厢侧板、底板、前板的压力作为载荷施加到车厢上，根据施加载荷和边界条件进行有限元分析；
获取车厢各零部件的应力、应变等结果数据，对车厢的强度进行综合评估。
5.如权利要求4所述基于有限元的矿用自卸车车厢强度评估方法，其特征在于：边界条件包括定义车厢和车架之间的接触条件，以及定义车厢和车架铰接孔约束。
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