彎曲工況
關注創建者：CAE追夢者 創建時間：2019-10-30
彎曲工況的實例教程
5 結論
本文采用HyperMesh軟件對車輪利用5種建模方式進行離散，在彎曲工況下進行強度分析和疲勞分析，研究對比了分別用殼單元與體單元離散車輪，在螺栓安裝面是否模擬預緊力與接觸，接觸模擬方式不同（接觸對與GAPUNI單元）時，車輪的強度與疲勞分析結果，可知采用模型4的方法（殼單元離散，考慮預緊力，用GAPUNI模擬接觸）強度、疲勞分析結果最為準確，且此方法使用殼單元建模簡單，GAPUNI單元相比接觸對建模簡單，分析易收斂，考慮螺栓預緊力，能正確模擬車輪彎曲試驗工況的受力狀態，保證了結果的精確度。
在進行實驗的過程中，測試點位置先后2次進入彎曲段，如圖6、圖7所示，刮板輸送機啞鈴銷的載荷曲線的波動能夠反應出啞鈴銷與啞鈴窩接觸力狀態。在實驗至200 s時，物料裝載使得啞鈴銷受力發生突變，可以看出有貨載時4枚應變片應力突變極值分別為300、282、137、450 kN；在820 s時測試位置進入彎曲段時，應力出現更大的一次波動，對應為刮板機推溜動作對中部槽啞鈴銷產生的較大沖擊力作用，遠離煤壁側啞鈴窩內的啞鈴銷軸由于被推移而產生偏轉角，在彎矩的作用下，使得啞鈴銷軸承受的拉力載荷激增，最大值達到600、153 kN；且由于彎曲角的存在靠近煤壁側啞鈴窩內的啞鈴銷所受拉力作用在瞬時顯著減小后又恢復，可見在進入彎曲段過程中，遠離煤壁側啞鈴銷軸為受力的薄弱點。
3 結語
(1）研究刮板輸送機過彎曲段工況動力學特性。研究結果可知:瞬時接觸力峰值約大于穩定載荷的1個數量級（6～10倍）。中部槽向前時，啞鈴銷與啞鈴窩的接觸力最大值同時發生在遠離煤壁側過彎曲段的過程中。
圖6 遠離煤壁側啞鈴銷軸應力變化曲線圖
圖7 靠近煤壁側啞鈴銷軸應力變化曲線圖
(2）通過實驗分析手段驗證了過彎曲段工況下刮板輸送機啞鈴銷與中部槽啞鈴窩接觸力特性理論分析的正確性。
(3）主要針對過彎曲段工況進行研究，探究了同一時刻彎曲段處中部槽的速度、位移、夾角變化情況。
參考文獻
[1] 毛君,謝春雪,孫九猛,等.故障載荷下刮板輸送機動力學特性研究[J].機械強度,2016,38(6):1156-1160.
[2] 姚國華，高知睿，李小賽．中國煤炭資源承載能力評價[J]．中國礦業，2020,29(8):1-7.
[3] 趙巧芝．我國刮板輸送機發展現狀、趨勢及關鍵技術[J]．煤炭工程，2020,52(8):183-187.
展開 當優化結構的有限元分析模型中存在多個工況時，TOSCA bead優化可以組合這些工況。當然，最好的辦法是對這些工況獨立的定義其設計響應，然后在目標函數的定義中為這些工況設定合適的權重系數。本文基于后者的思路，以一個薄板受彎的樣條優化為例，展示tosca對多工況的處理方法。
模型信息：
薄板承受兩個方向的荷載，如圖1所示，一個豎直方向，一個水平方向。
優化問題：
設計區域：所有節點
優化約束：節點邊界條件
優化目標：最大化剛度
最大加筋高度：5
為了考慮兩個工況，分別為這兩個工況定義其設計響應，如圖2所示。
本例中需要限制加筋的高度，因此需要把加筋高度定義為設計響應，如圖3所示。
由于考慮了兩個荷載工況，需要在目標函數中定義荷載工況對設計響應的權重系數，如圖4中所示。
最后的加強筋優化結果，如圖5所示。
多工況彎曲板加筋優化.pdf
展開 約束方式與水平彎曲工況相同。
經有限元分析，應力云圖如圖5所示。該車身在水平彎曲工況下的最大應力為79MPa，最大應力集中在電堆支架的側面。安全系數為2.17，強度滿足要求。
圖5 急轉彎工況下的應力云圖
綜上，整理結果如表3所示。
表3 原系統結構3種工況各總成最大應力及變形情況
3 氫系統的框架結構的優化方案
3.1 氣瓶支架改進方案
根據Hyper works的分析結果得知，氣瓶支架的最大應力出現在極限工況下的型鋼與槽鋼焊接的邊緣位置，大小為165MPa,且大多在80MPa以下。在極限工況下，許用應力小于500MPa認為安全；在彎曲工況下，許用應力小于250MPa認為安全，因此，將序號1的橫梁尺寸由50*30*2.5變為50*30*1.5，因緊急制動工況下變形較大，故主橫梁尺寸不變，結果如圖6所示。
圖6 氣瓶支架改進方案
3.2 電堆支架改進方案
電堆支架的整體應力相對較小，變形也相對較小，且大部分集中在100MPa以下，故將電堆支架的上部橫梁由50*50*2改為50*30*2.5。最大應力出現在急轉彎工況的支架兩端，大小為130MPa，應力裕度比較大，故在電堆支架的豎梁由50*50*2改為50*30*2.5。如圖7所示。
圖7 電堆支架改進方案
3.3 輔助散熱器支架改進方案
因輔助散熱器支架的應力裕度較大，未出現應力集中的情況，故將支架橫梁截面面積40*30*2.5改為40*30.1.5。如圖8所示。
圖8輔助散熱器支架改進方案
4 改進后對比分析
4.1 水平彎曲工況
該系統結構在水平彎曲工況下的最大應力為120MPa。結果如圖9所示。
展開 （1）水平彎曲工況
水平彎曲工況下，車身骨架承受的載荷主要是由車身、動力總成、備用輪胎、電瓶、散熱器、壓縮機、油箱和油、司機座椅、乘客、行李箱、清潔水箱、玻璃等的質量在重力加速度作用下而產生的。該工況模擬客車在平坦路面以較高車速勻速行駛時產生的對稱垂直載荷。它是經常行駛于平坦道路上的大客車主要運行情況，其車速較高、車身骨架扭轉角不大，它主要承受由垂直振動所引起的較大的彎曲載荷。載荷與邊界條件
水平彎曲工況下，車身骨架承受的載荷是主要質量在重力加速度作用下而產生的。本文根據車載質量的空間布置情況將它們換算節點載荷施加在其布置位置的梁的節點上。
此外，為消除車身骨架的剛體位移，需要對骨架與懸架的裝配位置的節點進行約束。水平彎曲工況下，其邊界條件為:約束前輪裝配位置處節點的三個平動自由度UX, UY, UZ，從而釋放三個轉動自由度ROTX, ROTY, ROTZ;約束后輪裝配位置處節點的垂直方向自由度UZ，釋放其它自由度。
水平彎曲工況加載示意圖
(2)極限扭轉工況
整車滿載水平放置，后兩輪固定，前軸間加一極限扭矩(前軸負荷的一半乘以輪距)，相當于客車單輪懸空的極限受力情況，模擬客車在崎嶇不平的道路上低速行駛時產生的斜對稱垂直載荷。極限扭矩計算公式:T =P x L/2，其中T表示計算扭矩、p表示前橋懸掛負荷、L表示前輪輪距。扭轉工況下的動載，在時間上變化得很緩慢，所以慣性載荷也很小，因此，車身的扭轉特性也可以近似地看作是靜態的，而試驗結果也證實了這一點，靜態扭轉試驗和動載試驗所測得的骨架的薄弱部位一致。即靜態扭轉時骨架上的大應力點，就可以用來判定動載時的大應力點。
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這種形變通常由機械壓力、彎曲試驗、復雜工況中的受力狀況等因素引發。在實際應用場景中，彎曲的形式多樣，可表現為均勻彎曲、局部彎曲等多種模式。彎曲的程度主要依據材料的彎曲角度、曲率半徑以及所受的彎曲力大小來衡量。
UHYPER.for 子程序：通過自定義高階應變勢能函數（如 Ogden 模型、Yeoh 模型），可覆蓋小至大變形全范圍，與實驗數據誤差穩定在 3% 以內，尤其適合軟體機器人扭轉、彎曲等大變形工況。
（2） 計算效率
Mooney-Rivlin 模型：無需編譯子程序，計算迭代次數少。
（三）彎曲力學測試設備：模擬材料彎曲載荷下的性能表現
彎曲力學測試設備通過對試樣施加垂直于其軸線的彎曲力，檢測材料的抗彎強度、抗彎彈性模量、彎曲撓度、斷裂韌性等指標，適用于需評估材料在彎曲工況下性能的場景：
建筑與結構材料領域：對鋼筋、木材、水泥梁等結構材料進行彎曲測試，判斷其在建筑結構中承受彎曲載荷（如樓板承重、橋梁受彎）時的性能。
平臺還提供了彈簧觸點簡化、三點/四點彎曲、多工況跌落測試等專業模板，大幅提升了工作效率。
3.SimLab 工程應用
在實際工程應用中，SimLab 已經幫助客戶解決了諸多難題。
該案例對一個試件加載不同工況的彎曲和扭轉組合載荷，使用得到的應力結果進行疲勞分析。結構計算中含有兩個加載步，使用兩個測試非恒幅載荷（序列載荷）來計算不同工況的疊加疲勞，基于這個案例可以實現不同工況的疲勞損傷疊加計算。視頻文件主要演示練習workbench和ncode的基礎操作，一些經驗介紹會更詳細一些。
平臺還提供了彈簧觸點簡化、三點/四點彎曲、多工況跌落測試等專業模板，大幅提升了工作效率。
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基LS-DYNA的超薄件拉延及回彈分析10個月前
</p><p>o 顯著減少剪切自鎖問題，適用于彎曲主導的工況。</p><p>o 對翹曲和復雜應力分布的模擬更準確。</p><p>o 算法：基于Belytschko-Wong-Chiang理論，采用全積分（Full Integration），每個單元使用2×2個積分點。</p><p>o 積分點：更多積分點提高了計算精度，但代價是更高的計算成本。
本案例建立包含隨機多邊形粗骨料、界面過渡區（ITZ）及水泥砂漿在內的細觀混凝土梁二維模型，對混凝土梁在三點彎曲工況下進行有限元模擬，展示混凝土梁跨中部位的裂縫發展情況。
在Abaqus CAE軟件內，采用AbyssFish RandomPolygon2D V2.0插件建立多邊形粗骨料、實體界面過渡區、水泥砂漿三部件混凝土細觀模型。
圖6 遠離煤壁側啞鈴銷軸應力變化曲線圖
圖7 靠近煤壁側啞鈴銷軸應力變化曲線圖
(2）通過實驗分析手段驗證了過彎曲段工況下刮板輸送機啞鈴銷與中部槽啞鈴窩接觸力特性理論分析的正確性。
(3）主要針對過彎曲段工況進行研究，探究了同一時刻彎曲段處中部槽的速度、位移、夾角變化情況。
圖11 車架變形圖
2.4.2 公路彎曲工況
該工況最大當量應力為140.9 MPa, 出現在牽引橫梁腹板處，如圖12所示，小于該處T700材質的許用應力值194 MPa, 滿足強度要求。
