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基于SimSolid的卡車登車梯結構模態和靜強度分析

一、簡述

牽引車一般會在駕駛室后部的車架上設有工作平臺，便于用戶連接掛車和檢查維修，而車架離地距離較大，為了登車便利常常會在車架上安裝登車梯。登車梯為懸臂梁結構，如圖1所示，為了保證結構的可靠性，需要對登車梯結構的模態、剛度和強度進行分析。本文使用SimSolid對登車梯進行了模態和靜強度分析，對建模和分析過程進行了說明，并將分析結果與Optistruct計算結果進行對比。

 

圖1 登車梯結構

二、SimSolid建模

第一步，導入幾何和設置材料。導入stp格式的三維幾何模型，檢查模型的完整性和干涉情況。根據軟件提示，在焊接處發幾處輕微干涉，由于可以手動建立焊縫連接，此處可以忽略。登車梯由多個薄板沖壓件拼焊而成，從Assembly目錄中每個部件的圖標可以看出，SimSolid已自動將幾何識別為薄壁結構。然后對所有部件施加材料屬性定義，設為默認的Steel材料即可，如圖2所示。

 

圖2 材料設置

第二步，建立各部件間的連接關系。此登車梯總成共由13個部件組成，通過螺栓和焊接連接到一起，在常規的有限元分析中，當部件過多時，連接建模也會耗費不少時間，在SimSolid中則比較簡單和輕松。一般的，如果總成模型帶有螺栓和螺母，SimSolid會自動識別并創建連接關系，但在此例中，由于原三維幾何模型中沒有螺栓螺母，因此需要在螺栓處手動創建連接關系，此外還有焊縫連接，這在SimSolid中都非常簡單。

首先手動建立焊縫連接。以右側彎管的焊接為例，如圖3所示，點擊Creat seam welds圖標打開創建焊縫工具，焊縫尺寸采用默認設置（焊縫高度3mm、最小長度12mm）即可，Master part選擇彎管，Mate part（s）of master part選擇需要焊接的三個部件，點擊Find welds則軟件會自動搜索匹配焊縫，SimSolid共發現5條焊縫，這正是實際的焊縫位置，選擇OK讓SimSolid創建焊接關系。同理，創建左側彎管的焊縫連接，最終建立的焊縫連接如圖4所示，紅色標記即為SimSolid建立的焊縫。

 

圖3 手動建立焊縫連接

 

圖4 最終創建的焊縫連接關系

接下來，由于導入的幾何中缺少了螺栓螺母，SimSolid不能自動創建螺栓連接，需要手動創建連接。以右側斜撐的連接為例，具體操作如圖5所示，最終建立整個結構的螺栓連接關系如圖6所示。可以發現，我們通過SimSolid建立的螺栓連接與有限元分析中常用的螺栓模擬方式不同，是一種類似于面面接觸關系的連接類型，這一點在后續分析時可以看的更清楚。

 

圖5 手動創建螺栓連接

 

圖6 最終創建的螺栓連接關系

第三步，定義分析工況，進行約束模態分析和靜強度分析，其中靜強度分析包括模擬登車和前后振動兩種工況。約束模態分析設置如圖7所示，約束登車梯與車架的4個連接孔，計算前三階模態，可以看到SimSolid自動創建了接觸邊界Contact conditions，點擊可以發現就是我們第二步中建立的模擬螺栓連接，我們的猜想得到了印證。

 

圖7 約束模態分析設置

接下來，可以進行約束模態工況的計算求解，也可以完成靜強度工況的定義，三個工況一起計算。模擬登車工況的約束設置與模態分析工況相同，在登車梯的下橫梁上施加Z向-2000N的力模擬人的重量，定義如下圖8所示。前后振動工況的約束設置不變，通過Inertia load工具施加慣性載荷，設置結構承受y向10g加速度（98m/sec^2）載荷，如圖9所示。所有工況定義完成后，提交SimSolid計算，如圖10所示。

 

圖8 模擬登車工況設置

 

圖9 前后振動工況設置

 

圖10 提交SimSolid計算

三、后處理和結果對比分析

計算完成后通過Result plot工具查看結果并繪制云圖，SimSolid計算的一階模態為36.016Hz，振型為左右擺動，二階模態為79.76Hz，振型為上下彎曲，Optistruct計算的一階模態為31.44Hz，二階模態為74.76Hz，振型皆與SimSolid相同。二者計算的頻率結果有一定差別，一方面我們可以通過求解設置提高SimSolid計算精度，另一方面，我們可以導入螺栓幾何，使用螺栓連接替代面面接觸，使SimSolid模型與有限元模型結果更接近。根據經驗，一般要求登車梯一階模態頻率大于25Hz，根據二者的計算結果都可以判定結構滿足模態要求，說明在精度要求不高的情況下，SimSolid的分析結果有一定的工程應用價值。

   

圖11 一階模態對比

 

圖12 二階模態對比

SimSolid與Optistruct計算的模擬登車工況位移結果對比如下圖13所示，應力結果對比如下圖14所示。SimSolid與Optistruct計算的前后振動工況位移結果對比如下圖15所示，應力結果對比如下圖16所示。三種工況的計算結果對比如表1所示，通過對比分析可以發現，兩種軟件的計算結果絕對值存在一定差距，但結構變形和應力分布的趨勢是相同的，與設計和分析工程師的主觀經驗分析吻合，SimSolid的分析結果對工程設計有一定指導意義。

表1 SimSolid與Optistruct計算結果對比

	一階模態	二階模態	登車工況位移	登車工況應力	前后振動工況位移	前后振動工況應力
SimSolid	36.02	79.76	1.11	110	2.03	126
Optistruct	31.44	74.76	1.36	93	4.10	170
差距	14.6%	6.7%	18.4%	18.3%	50.5%	25.9%

 

圖13 模擬登車工況位移對比

 

圖14 模擬登車工況應力對比

 

圖15 前后振動工況位移對比

 

圖16 前后振動工況應力對比

四、總結

通過運用SimSolid軟件對登車梯的結構分析案例，可以發現SimSolid能夠快速分析判定結構的性能，找到結構的薄弱環節，雖然其計算結果與傳統有限元仿真的結果還存在一定差距，但是其創新的高效性和便利性是傳統有限元軟件無法比擬的，且入門簡單上手快，不需要彈性力學基礎和理解復雜的有限元理論，對于工程設計初期階段的粗略分析和快速改進特別有效。

同時也需要指出，現階段的SimSolid軟件還存在一定缺點，如分析和后處理功能還比較簡單，計算結果類型不夠全面（如不能顯示模態應變能），某些復雜模型計算時會出現崩潰，但相信隨著軟件的推廣和不斷完善，SimSolid能夠逐步解決這些問題，在工程設計中得到快速發展應用。