基于MSCNastran的矿用电动轮自卸车货箱模态分析
摘要：针对矿用电动轮自卸车货箱的动态特性，提出基于模态分析结果的货箱结构改进方法.通过Patran建立货箱结构的有限元模型，应用MSC Nastran对其进行模态分析，得到货箱结构的动态参数.根据模态分析结果对货箱结构进行改进，货箱结构固有频率及振型得到较好的改善，为进一步研究矿用电动轮自卸车货箱的优化设计和预测疲劳寿命奠定基础.关键词：矿用电动轮自卸车; 货箱; 模态分析; MSC Nastran
中图分类号：TD421.7文献标志码：B
1引言
重型矿用电动轮自卸车是年开采量在千万吨级以上的大型露天矿山或煤场普遍使用的高效运输设备，其载重量和功率较大.由于重型矿用电动轮自卸车的设计制造难度大，对整车的性能及可靠性要求高，目前国内大型矿山使用的重型矿用电动轮自卸车基本为国外公司所垄断.
重型矿用电动轮自卸车的载重量大、工作环境复杂及行驶路况恶劣.货箱作为重型矿用电动轮自卸车的直接和主要承载部件，应具有足够的强度和刚度.由于货箱体积庞大，装备质量大，造价昂贵，在前期研发中很难使用实验测试的方法对产品进行设计指导.因此，在货箱的设计及优化过程中使用现有的有限元仿真技术对其进行仿真分析，能够发现货箱的设计问题，降低设计成本，缩短设计周期，提高设计的成功率.
本文以某重型矿用电动轮自卸车货箱为研究对象，从动力学特性的角度分析货箱，通过Patran和MSC Nastran建立有限元模型进行模态分析，并结合货箱的动态特性，获取货箱的动态参数，为进一步研究矿用电动轮自卸车的优化设计和预测疲劳寿命奠定基础.
2有限元计算方法
有限元法是用来解决复杂结构问题的一种数值分析方法，它首先将连续结构划分成有限尺度的单元，并在内外边界上选取点作为节点，然后把单元和节点分别编号，形成单元的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵，从而得到总体结构的运动方程，根据这个方程可以计算结构的动力响应.
2.1运动方程
先将货箱的结构离散，考虑各节点的力应满足Fm+Fc+Fk=P(t) (1)式中：Fm为惯性力矩阵;Fc为阻尼力矩阵;Fk为弹性力矩阵;P(t)为外载荷矩阵.
惯性力矩阵Fm=MQ¨(2)式中：M为质量矩阵;Q¨为节点位移加速度矩阵.
弹性力矩阵Fc=CQ· (3)式中：C为阻尼矩阵;Q·为节点速度矩阵.
弹性力矩阵Fk=KQ (4)式中：K为刚度矩阵;Q为节点位移矩阵.
运动方程为MQ¨+CQ·+KQ=P(t) (5)1.2结构固有频率和振型
令式(5)中P(t)=0，即得到自由振动的运动方程.在实际工程中，阻尼对结构的固有频率和振型影响不大，因此可进一步忽略阻尼力，得到无阻尼自由振动的运动方程MQ¨+KQ=0 (6)设结构作简谐运动，即Q=Φcos ωt(7)把式(7)代入式(6)，得(K-ω2M)Φ=0(8)即为求解结构固有频率与振型的特征方程，在实际情况选取振型(模态)矩阵，使ΦTiMΦj=0，i≠j
货箱的模态分析结构的前10阶模态振型见图2～11.可知，第1阶模态是6.716 Hz，主要是弯曲模态，最大变形量发生在货箱前端顶部.第2阶模态是14.656 Hz，主要是扭转模态，最大变形量发生在侧板上端.第3阶模态是16.736 Hz，主要是扭转模态，最大变形量发生在货箱前端顶部.第4阶模态是17.053 Hz，主要是弯曲模态，最大变形量发生在货箱前端顶部.第5阶模态是28.331 Hz，主要是弯曲模态，最大变形量发生在侧板上端.第6阶模态是28.471 Hz，主要是弯曲模态，最大变形量发生在货箱前端顶部.第7阶模态是34.019 Hz，主要是弯曲模态，最大变形量发生在货箱前端顶部.第8阶模态是35.305 Hz，主要是弯曲模态，最大变形量发生在侧板上端.第9阶模态是35.952 Hz，主要是弯曲模态，最大变形量发生在侧板上端.第10阶模态是43.409 Hz，主要是弯曲模态，最大变形量发生在货箱前端顶部.
2.2货箱模态分析
在行驶过程中矿用电动轮自卸车货箱受到外部激励有两类：一是矿用电动轮自卸车在行驶时路面不平度对车轮作用的随机激励，引起车轮不平衡;二是发动机运转时，工作冲程燃烧爆发压力和活塞往返惯性力引起的简谐激励，其特点是频率范围较宽.如果这些激励频率与货箱的某些固有频率相吻合时，就会产生共振，并导致货箱上某些部位产生很大的共振动载荷，造成货箱损坏.因此货箱设计时应注意以下几点：
(1)货箱的低阶频率(即1阶弯曲和扭转频率值)应低于发动机怠速运转频率，以避免发生共振.(2)货箱的弹性模态频率应尽量避开发动机经常工作的频率范围.(3)货箱固有频率应避开路面的激励频率.(4)货箱振型应尽量光滑，避免有突变.
2.2.1地面激励影响
路面不平度激励引起货箱的振动与矿用电动轮自卸车行驶速度有关.当路面激励频率与货箱的模态频率相重叠，货箱就会发出共振，其共振车速v=3.6×Lmin×f(13)式中：Lmin为路面不平度波长，m;f为路面激励频率，Hz.
我国不同路面谱的不平度波长的实测数据见表2.
通过比较，加强后的货箱振动频率有所提高，其低阶模态值远离路面激励频率及发动机正常工作所激励的频率范围.根据计算与分析可以看出，货箱的低阶频率均高于地面激励频率，避开路面的激励频率和发动机的怠速所激励频率;货箱的第10阶模态频率为52.356 Hz，不在发动机正常工作所激励的频率范围内，因此货箱满足动态特性的条件.
3结束语
通过模态分析，货箱的各阶固有频率较高，对降低整车的振动有利.因为自卸车运行时，路面不平度对它的激励能量主要集中在低频区，由于自卸车车速较低，因此激励的带宽窄，频域靠近零.所以第1阶弹性模态频率的提高对降低整车的振动有利.
从动力学特性的角度分析货箱，结合货箱的动态特性，通过建立货箱的有限元模型并对其进行模态分析，得到货箱前10阶固有频率及振型图，获取货箱的动态参数，对进一步研究研究矿用电动轮自卸车的优化设计和预测疲劳寿命提供重要的理论参考和依据.参考文献：
王勖成. 有限单元法. 北京： 清华出版社， 2003.
赵峰. BJ3043E型自卸汽车车架静动态有限元分析及结构改进. 济南： 山东大学， 2004.(编辑于杰)
转自：http://www.jfdown.com/d/l_191383.html
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