p019_某机构基座承受冲击载荷的刚强度分析

某机构基座承受冲击载荷的刚强度分析

陈文英

中国北方车辆研究所

某机构基座承受冲击载荷的刚强度分析

陈文英

（中国北方车辆研究所）

摘要：本文利用MSC.Nastran结构静力计算功能对某机构基座进行了整体刚度与强度分析，得到各个部位的变形和应力，并通过MSC.Patran的后处理功能观察了其应力和变形情况，清楚准确地找出设计的薄弱环节，提出了有效、可行的改进措施，为该机构的论证和优化设计提供了有力支持。

关键词：基座有限元刚度强度

1概述

根据设计要求，该基座应具备承受冲击的能力。因此，在研制中，对机构的外廓尺寸和全重有严格的限制，要求设计在满足功能、结构要求的前提下，尽可能优化结构，减少重量。由于机构在使用中承受较大的载荷和冲击，所以分析计算基座在这种工况条件下的应力和变形情况具有重要意义。

该基座使用铝合金材料，底部有气囊缓冲减振，希望能承受20g的冲击加速度，以便保证基座及其零部件在实际使用时安全可靠，不发生损坏。

本文利用MSC.Software 公司的有限元分析程序MSC.Nastran，对机构在承受冲击载荷时基座的刚度与强度进行了分析计算，得到各个部位的变形和应力，并通过MSC.Patran的后处理功能观察其应力和变形情况，清楚准确地找出设计的薄弱环节，提出了有效、可行的改进措施, （例如筋板的加厚加宽、尖角或直角过度部位加圆角、注意焊接部位焊缝质量等。）为该机构的论证和优化设计提供了有力支持。

2 有限元模型的建立

根据基座的结构几何特征和承载方式，以Pro-E软件建造的基座三维实体模型为基础，建立了详细的基座有限元模型，如图1所示。

2.1 网格划分

我们知道，CAD软件建立的模型，尤其是复杂大型结构，往往不能顺利正确地转换到有限元分析软件（CAE）中去，要经过多次的修改和消除CAD建模过程中存在与隐含的造型逻辑错误。否则，无法划分有限单元网格，或划出来的网格不正确，无法计算。

有限元分析首要和关键的一步是进行单元的剖分，有限元的分析模型必须要求结构模型的点、线、面、体严格正确无误，本模型就花费了分析人员较多时间和精力才转换成功。然后，就是对转换过来的正确模型进行单元剖分，考虑到计算机硬件、分析软件和计算时间的限制，单元的大小、多少非常关键，需要分析人员认真细致地考虑网格单元参数。本基座采

用10节点四面体实体单元（Tet10 Element）进行网格划分。结点数和单元数见表1。

表1 基座的结点数和单元数

部件节点数单元数

基座 250328 130056

2.2 材料与属性

计算中所使用的材料参数如下：

合金铝的材料参数：

弹性模量：7.0E+04；

材料密度：2.85E-06；

泊松比：0.32；

抗拉强度σb ≥ 410 N/mm2

长度单位：mm。

2.3 基座有限元模型受力及约束分析

根据载荷任务书的要求，对20g冲击进行有限元分析计算。

表2：冲击工况载荷数据表

名称重量kg

基座重量 1980

发动机 508

风扇及空气滤 30

燃油(两桶) 220

散热器与管路 110

传动系 450

行动系 1400

上部机构 1150

电池 65

工具 80

电台 25

百叶窗 70

合计 6088

受力情况：本工况是底部冲击，底部有气囊缓冲，基座将受到冲击，设计要求为20g

的冲击加速度。这时的人员重量不考虑，要考虑的载荷有基座、上部机构重量及基座内各零

部件重量；但是，它们的惯性力将是重量的20倍。

另外，重要的一点就是基座底部的受力情况与行进时有很大不同，整个底部受到气囊的均布压力，除此之外还有其它子系统的重力及惯性力。

这些力的具体数值可根据设计提供的加载数据表来确定（见表2）；气囊对基座底部的压力，可根据力平衡关系，计算得出：p = 0.142 MPa 。

约束条件：根据受力情况，我们选择了变形最小的面进行约束，其中前甲板约束了三个水平自由度，即x 方向、y 方向、z 方向；后甲板约束了一个y 方向自由度。

3 计算结果图

我们关心和感兴趣的是：计算结果的Von Mises 等效应力是否超出材料的强度极限。以下是计算结果图（冲击工况：图1、图2、图3、图4）。

根据形状改变比能理论，认为只要形状改变比能达到材料的某一个极限值，材料将会发生屈服或破坏，即Von Mises 屈服准则。因为它能回答工程设计者最关心的材料的最终破坏强度数值问题，所以被广泛采用，它是缺少一次项的二阶张量式：

()()()[]

2

2

132

322

1

2σσσσσσ

σ−+−+−=

e

其中，1σ、2σ、3σ是第一、第二、第三主应力，当e σ大于材料的强度极限[]410=b σMPa 时，我们认为材料失效。

冲击时，承受20g 冲击加速度，最大等效应力发生在底甲板上的筋板与筋板接合处，具体位置见图3所示，应力最大值为MPa 972=MAX σ，小于材料的强度极限[]410=b σMPa ，此时没有破坏的危险性。其它应力较大的位置有：立柱与顶甲板的接合处，顶甲板上的筋板与上部机构座圈的接合处，见图3所示。综上分析，建议在应力大的位置加圆弧过度，以缓和应力集中，使变形协调，改善应力分布。图4为结构变形图，最大位移发生在底甲板，其位移值（相对于为尾甲板）为 1.94cm, 这个变形为弹性变形，不是塑性变形，冲击完成后即恢复原样，满足总体设计要求。

4 分析与结论

综合以上分析讨论，可以得出以下结论：

该设计方案有足够的刚强度，局部可稍做改动，例如在危险部位加圆弧过度，以减小应力集中，优化应力分配。另外，焊接部件一定要注意焊缝质量，确保焊接部件焊接牢固。