履带车辆负重轮结构强度有限元分析

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《机械设计与研究》1998 No. 3
ta l p rincip les A pp lica tion p ro sp ect
定义为车轮的重心处。其 x 轴正向定义为负重轮轴线指向车 身外面方面, y 轴正向定义为与重量相反方向, z 轴由右手法 则确定。 2. 2 单位制
下: 材料密度 Θ: 2. 7g cm 3; 弹性模量 E: 70GPa; 泊 松 比 Λ: 0. 3; 屈服极限: 220M Pa; 抗弯强度: 420M Pa;
can tran sfo rm the k inem a tics and dynam ics ca lcu la tion of re2 dun tan t robo ts in to tha t of non2redundan t robo ts. T hen m any efficien t ca lcu la tion m ethod s fo r non2redundan t robo ts
Quadra tic Rela tionSh ip of M ultiple Cr iter ia for Redundan t
Robots and It s O ptim iza tion
Tang Sh imang et a l
(B eijing U n iversity of A eronau tics and A stronau tics, B ei2
计算的结果表明, 在这两种工况中, 结构的位移在三个 方向上均在 1mm 之内, 平均位移在 0. 5mm 以内, 这说明负 重轮的变形很小, 其刚度性能是良好的。 6. 2 强度分析
从应力结果可以看出, 车辆直线行进时, 负重轮所承受 的最大拉应力为 51M Pa, 最大压应力为 114M Pa, 最大等效 应力为 111. 5M Pa, 均小于屈服强度, 满足强度要求。最大压 应力和最大剪应力的几何位置正是位于幅板曲率方向变化 的地方, 且在对称面上, 节点号是 1398, 如图 3 中标号所示。 这点是结构和强度设计时应重点考虑的部位之一。
m ethod is m o re d irect and clea r, and the p rocess is m o re
sim p le and rap id. Key word Gea r d rive Equa l streng th op tim iza tion Com b ined gea r fo rm facto r N um eric un it of teeth
(3) 因只作静态线性分析, 计算中不考虑橡胶层。 负重轮是一个圆形盘状的对称结构, 它承受的载荷和约束也 关于 x 2y 平面对称, 所以实体建模和作有限元分析只需考虑 一个对称部分即可。
0 引言
3 有限元网格模型
负重轮是履带车辆行动部分的关键零部件之一, 其结构 和强度对整车的性能与质量有至关重要的影响。
《机械设计与研究》1998 No. 3
关节点上, 各节点载荷按如下公式计算:
Q i = Q max 3 CO S3 2Βi
n
∑ Q max = P 1 + 2 CO S5 2Βi i = 1, 2……n i= 1
式中 Βi —— 第i 节点和坐标原点的连线与 y 轴负向之间夹 角
Q i —— 第 i 节点载荷 (b) 约束
当车辆弯道行驶时, 最大拉应力为 82. 6M Pa, 最大压应 力等于 146. 8M Pa, 对应的节点号是 2341 (如图 4 中所标) ,
图 3
图 4 最大等效应力为 136. 1M Pa, 对应的节点号是 2407 (示于图 4 中) , 这些值都小于屈服强度, 满足设计要求, 它们的几何位 置在负重轮靠车体一侧的左下处并靠近对称面, 显然, 这也 应是设计时重点考虑的部位之一。而两种工况的应力分布均 表明, 负重轮的一些较厚实的部位, 例如轮缘部分, 其剩余强 度较多, 就轮重优化而言, 还有考虑的余地。
can be u sed in th is m ethod. Key words R edundan t robo ts M u ltip le criteria O p 2
W h ile op tim izing tw o and m o re g rade gea r a ssem b ly, th is
《机械设计与研究》1998 No. 3
履带车辆负重轮结构强度有限元分析
中国北方车辆研究所 (北京·100072) 赵 华 陈松青 陈千圣
摘要 本文应用有限单元法对某些履带车辆的负重轮 分两种工况进行了强度分析计算, 校核了其刚强度并提出了 改进建议。
关键词 有限单元法 负重轮 刚强度
jing, Ch ina) P 27 Abstract In th is p ap er it is d raw n tha t the m u ltip le
criteria fo r redundan t robo ts bea r a quad ra tic rela tion sh ip to
A S im ple M ethod of O ptim iza tion for GearD r ive
Hong J ia d i et a l. (Ea st Ch ina J a io tong U n iversity, N anchang, ch ina) P33 Abstract In th is p ap er, O n the ba sis of the theo ry of the equa l2streug th op tim iza tion by ana lyzed rela tion be2
实体建模应以尽可能真实的反映零部件的实际几何形 动载。 下面我们分别分析和计算这两种工况的边界条件。
状, 并能作合理的简化来建立符合真实情况力学性质的有限 元模型为原则。 基于此, 我们采用实体模型完成负重轮的构 型, 其中作了如下简化:
(1) 将幅板和轮缘及与安装配合轴承的部位视为一 体, 忽略焊接影响区的作用。在设计及实际使用中, 是不允许 幅板与焊接零部件有任何相对移动的, 另外, 按设计要求, 焊 接也具有一定的深度, 因此我们认为作这样的简化是合理 的。
so lve a va riety of op tim a l p rob lem s of k inem a tics, dynam ics n it of teeth w a s in truduced, a new m etod w a s p ropo sed tha t
etc. fo r redundan t robo ts in an un ified p a ttern. M eanw h ile, it u sed to acqu ire the op tim a l resu lt of the gea r d rive d irectly.
1 建模及计算环境
4 材料模型
硬件: m icro VA X2 工作站
该负重轮由防腐铝合金材料
软件: i2D EA S 6m 版 CAD CAD CA E 软件, 部分自编
构成, 设定该介质各处均匀且各向
的程序
同性。 其机械和物理性能参数如
2 实体建模
2. 1 坐标系 我们采用笛卡儿右手坐标系建立负重轮模型。坐标原点
5 边界条件
为了建模的方便, 我们采用 mm 作为长度单位, 载荷的 单位为 N (牛顿) , 这样在计算结果中, 位移的单位将是 mm ,
图 1
根据履带车辆的行驶情况, 我 们选择两种工况进行强度分析计
应力的单位则是M Pa。 2. 3 实体建模
算。 车辆直线行进时的载荷和约束条件作为工况 , 车辆弯 道行驶时的载荷和约束条件作工况 。这两种工况均不考虑
(2) 忽略负重轮中心部位的螺孔, 因为在使用中, 装有 紧固螺栓, 而且承担着载荷。根据我们的经验, 这样的简化不 会对应力大小及分布产生较大影响。
工况 : (a) 载荷 车辆直线行进时, 负重轮的主要载荷来源于车体本身重 量, 参照静强度设计原则, 每个车轮载荷按车重的 72% 计 算, 即:
6 计算结果与分析
我们分别就上面两种工况进行了有限元计算。为了能反 映该负重轮结构的刚度和强度特性, 计算结果分别以位移和 应力的方式给出, 其中, 应力用三个方向的主应力, 最大剪应 力, 等效应力 VON M ISS 的形式给出, 位移则给出在 x , y , z 方向的大小。 6. 1 刚度分析
因我们只考虑半个负重
轮, 所以将 x 2y 平面上的所有 节点在 x 方向的位移自由度 约束为零, 其它方向自由, 另
外, 以防止产生刚体移动, 将
位于对称面下轮缘边上外侧
的一个节点在 x , y , z 方向的 位移约束为零。该工况的约束
如图 2 所示。
wenku.baidu.com况 :
(a) 载荷 车辆进入弯道后, 除了承
针对目前所进行的履带车辆负重轮的新材料和新型结 构的研究, 为给这种优化设计方案提供理论依据并为今后进 一步的可靠性研究及实测试验奠定基础, 我们应用 I2D EA S CA E 辅助软件结合部分自编的程序, 对这新方案进行了两 种工况的有限元静强度分析, 计算了其应力分布和位移。
有限元网格剖分主要依据于单元类型的选取及结构的 几何形状, 载荷和约束条件。系统因未提供过渡单元, 使得壳 单元与实体单元不能耦合。 鉴于此, 我们全部选用八节点实 体单元和六节点锲形单元来划分负重轮有限元网格。在承载 不大的部位, 划分得粗一些, 对曲率变化较大的地方, 划分较 细, 以保证形状的真实性及力学计算的精度, 总计 4211 个节 点, 2342 个单元, 如图 1。
图 2
受工况 的载荷外, 还受到侧 向力的作用, 其大小按车重的
28% 计算, 并将这些分布力转化成集中力后施加到负重轮上
下轮缘的相关节点上。
(b) 约束
除工况 的约束外, 还须将车轮与螺拴联结的螺孔处的
节点在 z 方向的位移约束为零, 同时还得解除工况 中在 x , y , z 方向被限死的节点的约束。
W = 133000N ; P = W 3 0. 72; 式中 W —— 车体总重量 P —— 单个负重轮承受的载荷 因车体是通过轴承施载于负重轮上面的, 所以实际上负重轮 承受的是分布载荷, 我们这些载荷以集中力的形式施加于相
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参考文献
1 杨海元, 张敬宇, 赵志岗编著. 固体力学的数值方法. 天津大学出 版社.
2 许镇宇, 邱宣怀主编. 机械零件. 高等教育出版社. 3 I2D EA S 用户手册. 赵华 男, 65 年 6 月出生, 工学硕士, 近年来主要从事机械疲劳 强度及可靠性分析与研究、CAD CAM CA E 应用与开发等工作, 承 担国家预研课题多项, 发表论文数篇, 曾获部科技进步三等奖。
the jo in t accelera tion s. T hen a new sim p le op tim iza tion tw een gea r con tact streng th and gea r bend streng th, the
m ethod ba sed on p a rabo lic in terpo la tion is d iscu ssed. It can concep tion of the com b ined gea r fo rm facto r and num eric u2
tim iza tion