高速三角履带总成机架静载应力及模态分析*

走过路过不要错过作者：梁 康 相辉玉 张 勇摘 要：机架是三角履带总成关键支撑结构，其模态特性直接影响高速履带总成的高速行驶稳定性。针对50 km/h高速三角履带总成机架，分析其结构承载及张紧拉力，采用有限元分析机架的应力状态。然后，以该应力状态为基础，开展机架的模态分析。针对三角履带总成的模态特性，给出橡胶履带花纹间距的数值范围，为三角履带总成的结构优化设计及性能研究提供参考。0 引言现有工程车辆底盘的行走方式主要包含橡胶轮式和金属履带式。橡胶轮式底盘具有行驶速度快、机动灵活等优点，但存在泥泞、冰雪等复杂路况适应性不足的缺点。金属履带式底盘具有承载能力强、环境适应性强等优点，但同时存在行驶速度低、整机质量笨重、易损伤路面等缺点。为克服以上两种常见行走方式的缺点，三角履带总成逐步得以推广应用。三角履带总成采用橡胶履带，具备行驶速度快、接地面积大、环境适应性强、承载能力大、不损伤路面等优点，广泛应用于农业机械、抢险救援、雪地作业、地质勘探和军用设备等。针对三角履带总成相关技术及理论问题，国内外科研机构的众多学者及技术人员针对三角履带总成开展广泛的技术研究。其中，吕凯[1] 等综述三角履带总成的国内外研究现状、设计要点及难点、行驶性能和接地压力等关键性能，同时针对可能出现的各类设计及使用风险，开展细致的分析。王攀然[2] 等针对三角履带支撑架的共振及疲劳等问题，建立三角履带支撑架有限元模型，借助Ansys Workbench 有限元软件对三角履带支撑架进行模态分析，得到各阶频率、对应的振型及应变云图。赵子涵[3] 等首先对不同载荷下橡胶履带轮在坚实地面和松软地面的接地压力进行测试。根据测试结果提出一种橡胶履带轮静态接地压力分布数学模型，履带长度方向的接地压力采用二次余弦函数表示，履带宽度方向的接地压力采用线性函数表示。王天昊[4] 分析三角履带轮系各构件的功能以及内部力的分配。在受力分析的基础上，结合地形随机不平度函数、牛顿欧拉法与迭代法，建立三角履带轮动力学模型。根据三角履带轮的动力学模型，在RecurDyn中建立了三角履带轮的联合仿真实验平台，利用动力学模型对三维仿真模型的运动进行控制，在多种复杂环境下对联合仿真实验平台进行仿真实验，对三角履带轮的环境适应能力进行验证。本文针对高速三角履带总成机架，分析其静载受力工况，仿真分析获得其预应力状态，并以此为基础分析预应力条件下的机架模态特性。1 机架静载受力分析依据三角履带总成承载工况，分析三角履带总成机架的结构受力边界条件，有限元分析机架静载应力分布状态。1.1 静载受力工况分析静载状态下，三角履带总成机架主要承担车桥传递至驱动轮的载荷G 0、机架的重力G 1、橡胶履带张紧导致驱动轮承载的F 1、张紧液压缸产生的反作用力F 2、负重轮轴产生的向上的支撑力F 4 和F 5 以及橡胶履带张紧导致导向轮产生挤压力F 6，见图1 和图2，载荷数值见表1。图1 三角履带总成载荷分析图2 机架载荷示意图1.2 机架静载应力分析针对三角履带总成机架，采用Ansys Workbench 静力学分析模块开展机架应力状态分布的仿真分析。首先，划分三角履带总成机架的网格，设置材料属性为Q550钢材，然后依据表1 机架载荷明细设置其受力边界条件，分析获得机架的应力分布状态。分析结果表明，机架的最大应力约为327 MPa。图3 机架划分网格图4 机架应力分布图2 模态分析2.1 模态分析的理论基础模态分析是动力学分析的基础，其主要目的是确定机构的振动频率、振型和应变，用于解决机构的振动及噪声问题。根据达朗贝尔原理，建立动力学运动方程。多自由度系统的振动方程为2.2 预应力状态下模态分析针对三角履带总成机架，以静载状态下的应力分布为基础，开展机架模态分析，获得其前阶振型频率及最大位移量，见图5~图7以及表2。图5 第一、二阶振型图图6 第三、四阶振型图图7 第五、六阶振型图3 履带花纹间距为保障橡胶履带的散热、降低摩擦阻力和增大抓地力，橡胶履带表面均配置有形状和尺寸各异的胎面花纹，沿橡胶履带轴向存在间距各异的凸起与凹槽。由于凸起处与凹槽处的橡胶履带厚度发生剧烈变化，导致两处的刚度剧烈变化。图8 橡胶履带胎面花纹侧向剖面在硬地面行驶过程中，负重轮周期性的碾压在橡胶履带的凸起与凹槽，导致机架受周期性的冲击载荷。依据振动机械设备的常用设计经验，要求冲击载荷的频率4 结论针对三角履带总成机架，依据结构承载工况，分析其静载受力边界条件，采用Ansys Workbench 分析机架应力分布状态，并进一步分析其模态特性。分析结果表明，机架的最大应力为237 MPa，前6 阶模态如表1所示。依据振动机械设计经验，设定机架受到的冲击载荷的频率与履带花纹间距及最大车速的关系。以最大车速50 km/h 为例, 履带花纹的间距d≥0.148 m。举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟01-2014:31相关文章液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估飞机牵引车车架的改进设计与有限元分析微纪录片｜寒夜“微”光治污劳模王佳伟：我们自己能干的，就不求人海丽气象吧｜德州解除大雾橙色预警 1月20日最低气温-7℃

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