Finite Element Analysis for the Structure Optimization Design of the CPUE Load－Bearing Wheel of Tracked Vehicle

A new kind of material cast polyurethane elastomers (CPUE) is introduced to take the place of rubber on load-bearing wheel for the first time. Based on load-bearing wheel dimensions, material properties and operat-ing conditions, the structure of wheel flange is optimized by zero-order finite element method. A detailed three-di-mensional finite element model of flange of load-bearing wheel is developed and utilized to optimize structure of wheel flange. Its service life, which is affected by flange structure parameter, is analyzed by comparing the opti-mization results with those of prototype of wheel. The results of optimization are presented and the stress field of loar-bearing wheel in optimal dimension obtained by using finite element analysis method is demonstrated. The fi-nite element analysis and optimization results show that the CPUE load-bearing wheel is feasible and suitable for the tracked vehicle and has a guiding value in practice of the weighting design of the whole tracked vehicle.     

轮边驱动电动客车扭杆弹簧双横臂独立悬架强度分析方法

针对轮边驱动电动客车的扭杆弹簧双横臂独立悬架强度分析方法不成熟的问题,在分析该类悬架结构特点的基础上,利用有限元技术,构建适用于该悬架特征的有限元分析模型;将经过有效性验证的模型用于评估悬架强度,形成轮边驱动电动客车扭杆弹簧双横臂独立悬架的强度分析方法。以轮边驱动电动客车扭杆弹簧双横臂独立悬架为案例,计算7种典型载荷工况下的悬架等效应力及位移,结果表明:衬套、球铰、限位块等刚度和自由度的合理设置以及预载的正确施加验证了该模型的有效性;由于扭杆支架结构的薄弱性、结构承载的不均衡性以及存在扭杆弹簧应力集中的情况,导致极限工况下最大等效应力达到1 800 MPa,强度不满足设计要求。最后根据计算结果提出结构优化建议,并进一步通过计算验证了结构改进的有效性,整个悬架在极限工况下的最大等效应力降低为993 MPa,扭杆支架最大等效应力在700 MPa以内。     

梁端翼缘扩大型梁柱节点受力性能

为了研究不同形状参数下梁端翼缘加强板对梁端翼缘扩大型梁柱节点的影响,分析了不同形状的梁端扩大翼缘形状最优方案.基于梁端强度相同的准则,改变其翼缘加强板的形状,设计了三种形状的梁端翼缘扩大型梁柱节点.利用有限元分析软件ABAQUS建立了不同形状参数下的有限元分析模型,研究在静载作用下节点的力学特征,对比分析不同材料参数的扩翼对梁端翼缘扩大型节点性能的影响程度.结果表明,不同扩翼形状对节点承载力水平影响并不显著,而对节点处应力分布影响较大;扩翼强度对节点的受力性能影响不大.     

Non-pneumatic mechanical elastic wheel natural dynamic characteristics and influencing factors

Non-pneumatic tire appears to have advantages over traditional pneumatic tire in terms of flat proof and maintenance free.A mechanical elastic wheel(MEW) with a non-pneumatic elastic outer ring which functions as air of pneumatic tire was presented.The structure of MEW was non-inflatable integrated configuration and the effect of hinges was accounted for only in tension. To establish finite element model of MEW, various nonlinear factors, such as geometrical nonlinearity, material nonlinearity and contact nonlinearity, were considered. Load characteristic test was conducted by tyre dynamic test-bed to obtain force-deflection curve. And the finite element model was validated through load characteristic test. Natural dynamic characteristics of the MEW and its influencing factors were investigated based on the finite element model. Simulation results show that the finite element model closely matched experimental wheel. The results also show that natural frequency is related to ground constraints, material properties, loads and torques. Influencing factors as above obviously affect the amplitude of mode of vibration, but have little effect on mode of vibration shape. The results can provide guidance for experiment research, structural optimization of MEW.     

大轴距轮式车辆动力学建模研究

对于大型载重车辆或轴距较大车辆,车架的柔性对整车振动特性的影响不容忽视。一般采用有限元法建立车架的柔体模型,但该模型规模大、求解效率低,不便于进行快速参数敏感度分析及结构优化。提出了运用多刚体离散元法快速建立车架有限自由度柔体模型的方法,所建模型可方便用于后续结构优化。以某混凝土搅拌运输车为例,建立了整车的动力学模型,并分析了其振动特性。通过对该车的振动测试,验证了所建模型的准确性及建模方法的有效性,为后续减振优化奠定了基础,可为类似结构车辆的动力学建模提供参考。     

单层施威德勒型球面网壳屈曲路径全过程追踪

以单层施威德勒球面网壳为研究对象,通过使用ANSYS有限元程序,利用弧长法进行结构几何非线性计算跟踪后屈曲平衡路径,求出网壳的失稳模态和极限稳定承载力,研究不对称加载对单层网壳极限稳定承载力的影响规律。研究表明：弧长法是网壳结构整体非线性分析的有效方法,能有效地追踪网壳失稳全过程,确定极限稳定承载力;在非对称荷载所占比例较大时,非对称加载比对称加载易引起失稳,设计中非对称荷载起主要控制作用。     

变电构架中无加劲肋法兰节点有限元分析

运用有限元软件ANSYS对变电构架中常用的无加劲肋法兰进行了非线性数值分析.揭示了无加劲肋法兰节点在拉弯荷载作用下的受力特点和应力分布,比较了不同法兰盘厚度的节点在相同荷载作用下的螺栓内力,并分析了法兰盘刚度影响无加劲肋法兰节点受力性能的原因.     

钢制组装式车轮的轻量化设计及多目标优化

设计了一种以热轧高强钢作为内轮辋、低碳钢作为外轮辋材料的异种钢材组装式车轮,提出一种车轮多种工况下循环载荷疲劳耐久试验方法,对车轮进行疲劳寿命预测. 基于有限元法,计算不同位置下施加载荷时车轮的强度、刚度,不同应力频率下的疲劳寿命和安全系数,并分析出局部大应力关键部分. 以转弯工况建立参数化模型,定义了8个结构设计变量,利用最优拉丁超方实验设计方法选取初始样本点,拟合了车轮Kriging近似模型,以车轮最小质量、疲劳寿命和疲劳寿命安全系数最大为目标,并以应力、最大形变量为约束,对车轮进行多目标优化,并进行弯曲疲劳试验验证. 结果表明,异种钢材组装式车轮在优化后,性能良好,满足设计寿命要求,质量较优化前车轮减重9.73%.     

集中荷载作用下弹性支撑矩形钢管混凝土翼缘工字形梁稳定性能研究

为研究弹性支撑刚度对矩形钢管混凝土翼缘工字形梁稳定性能的影响,开展了集中荷载作用下3根带有不同弹性支撑刚度的矩形钢管混凝土翼缘工字形梁的稳定性能试验,研究试验梁的位移及应变的变化规律,获得梁的失稳形式和稳定承载力。试验结果表明,整个加载破坏过程分为三个阶段,即弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段,3根试验梁均发生整体弯扭屈曲失稳。随着弹性支撑刚度增加,梁稳定承载力增大,验证了设置弹性支撑可有效地提高该梁的稳定承载力。在试验基础上,利用ANSYS有限元软件对该梁进行非线性屈曲分析,将获得的稳定承载力与试验结果进行对比,误差均小于5%,从而验证有限元分析方法的正确性。最后,研究了混凝土强度、上翼缘含钢率和腹板高厚比等参数对该类梁稳定性能的影响规律。研究表明,增大上翼缘钢管含钢率和减小腹板高厚比均可明显提高该类梁的稳定承载力,而增强混凝土强度对梁的稳定承载力提高较小。     

三角形空翼缘梁的极限承载力试验研究

在澳大利亚学者提出的空翼缘梁（HFB）的基础上,提出一种新型三角形空翼缘梁（THFB）.通过试验测试,对三角形空翼缘梁（THFB）和传统H型钢梁在承受集中荷载作用下的破坏过程进行了对比,发现两种梁的破坏模态存在明显差异,THFB在集中荷载作用下极易发生局部屈曲,传统H型钢梁则易发生整体失稳,且THFB比传统H型钢梁具有较好的抗弯扭性能.利用有限元软件ANSYS对试验试件进行有限元模拟,试验结果和有限元模拟结果吻合较好.基于所建的有限元模型对THFB进行参数分析,参数主要包括上翼缘板厚、上翼缘板宽、腹板厚和钢材屈服强度,得出了THFB梁的承载力随不同参数的变化规律.最后结合理论和有限元分析,验证了Eurocode 3提供的H型钢梁设计公式计算THFB极限承载力的适用性.研究结果表明：采用Eurocode 3提供的H型钢梁设计公式对THFB的极限承载力进行验算是安全的,但偏于保守.     

混凝土柱-钢梁边节点受力性能非线性有限元分析

利用有限元程序对混凝土柱与钢梁组合节点受力性能进行了非线性有限元分析,并将计算结果与试验结果进行了对比,同时确定了有限元程序在本结构试验中的应用范围。分析结果表明,在荷载作用下钢梁的最大应力区域出现在钢梁与混凝土组合节点的角部翼缘处;在钢梁上设置对称的加劲肋能够改善试件的受力性能。     

GFRP 材料车轮轮毂有限元分析

本文使用 Glassfiber Reinforced Plastic（无碱型）薄壁圆筒材料（以下称 GFRP）制作车轮轮毂结构,并配合橡胶外垫作为保护部件,用以代替目前使用的充气式自行车轮胎。借助弹塑性力学基本理论,通过有限元分析方法对车轮进行“非线性屈曲”分析,得出在外荷载作用下,车轮轮毂的最大弹性变形量及轮毂在弹性限度内发生失稳破坏的荷载临界值,并与 GFRP 材料的抗拉强度及弹性模量值进行比对,论证了在安全范围内,该材料用作车轮轮毂的可行性。     

冷弯薄壁型钢-加气混凝土组合梁的设计及分析

蒸压轻质加气混凝土板和冷弯薄壁型钢在低层民居中已经作为承重结构加以应用.笔者采用非线性有限元法,研究了这两种材料组合梁的设计方法,通过不同荷载形式下应力分布的结果对比,讨论荷载形式对有效翼缘宽度的影响.并得出了各种参数下的组合梁,在塑性极限阶段的混凝土有效翼缘宽度的取值方法,并根据有效翼缘宽度得出等效矩形应力分布高度的计算方法,建立了冷弯薄壁型钢-加气混凝土组合梁塑性极限承载力计算公式.     

腹板加劲肋对空翼缘梁LHFB承载能力的影响

为改善空翼缘梁LHFB的受力性能,对LHFB设置了横向加劲肋.考虑几何非线性与材料非线性的影响,利用有限元软件ANSYS计算其在3种不同荷载作用下的承载力.研究加劲肋厚度、连接形式、加劲肋数量、端部加劲肋对LHFB承载力的影响.分析结果表明,对LHFB设置横向加劲肋,能有效的抑制空翼缘梁LHFB畸变屈曲的发生,提高构件的承载力.建议对LHFB加设横向加劲肋时,加劲肋厚度按bs/15选取,并且与翼缘和腹板全部焊接.在纯弯状态和均布荷载作用下沿梁长均匀布置两道加劲肋,在跨中集中力作用下在跨中位置布置一道加劲肋.     

马蹄形断面波形钢腹板支架稳定承载性能研究

为了研究波形钢腹板支架结构在围岩压力作用下的平面内稳定性能,设计了马蹄形断面波形钢腹板支架的模型试验,分析了支架的稳定承载力、位移与应变发展规律。试验结果表明：支架的最终破坏形态为整体非对称失稳,支架两侧向外变形产生水平位移,右侧水平位移明显大于左侧水平位移;极限荷载时,仅拱顶翼缘和角部腹板进入了塑性阶段。支架的试验结果与有限元分析结果吻合良好,验证了有限元模型的正确性。在此基础上,对波形钢腹板支架的弹塑性屈曲性能进行了有限元参数分析,表明波形钢腹板支架对初始缺陷并不敏感,而腹板高度、腹板厚度及翼缘厚度是弹塑性稳定承载力的敏感参数,影响较大。长细比较小时,对称失稳和反对称失稳均可能发生;长细比较大时,支架会发展反对称失稳;支架的弹塑性屈曲荷载随长细比的增大而降低。有限元计算结果表明,相同边界条件和荷载情况下,波形钢腹板支架的极限稳定承载力是用钢量相同的矿用工字钢支架的2倍以上。     

负载下焊接加固受弯工形钢梁的受力特性分析

采用通用有限元软件ANSYS建立有限元模型,对3个不同初始负载下焊接加固的受弯工形钢梁和1个做对比用的未加固工形钢梁的受力特性进行有限元分析,并详细介绍了2种用于模拟负载下焊接加固钢梁受力特性的有限元分析方法。基于目前最常用的、仅采用生死单元技术而未考虑焊接热过程的有限元分析方法,采用间接热一结构耦合分析方法,考虑焊接热过程和随温度变化的钢材材性,提出了能够考虑负载下焊接过程影响的有限元分析方法。通过将有限元计算结果与相应的试验结果进行对比,验证了采用的有限元分析方法和有限元模型的可行性。计算结果表明：负载下焊接加固后的钢梁的极限承栽能力受初始负载的影响较大。     

沥青路面组合结构车辙试验研究

为了研究路面结构对沥青路面抗车辙性能的影响,在车辙试验的基础上,采用有限元方法建立组合结构车辙试验模型,分析组合结构车辙试验的可行性,提出组合结构车辙试验合适的试件厚度宜大于10cm。根据车辙试验设备和试验方法,开发组合结构车辙试模,并提出组合结构车辙试验方法。针对沥青层厚度、层间接触条件和结构层强度比影响因素,进行组合结构车辙试验,进一步验证组合结构车辙试验的可行性,同时分析上述结构因素对沥青路面高温性能的影响规律。研究结果有助于改善高温条件下的沥青路面材料和结构组合设计。     

焊接加固热作用对工形截面压弯钢构件承载性能的影响

为研究焊接加固热作用及不同初始负载对工字形压弯钢柱承载性能的影响,基于考虑热影响的热结构耦合分析方法进行了热源模型热输入改进,并考虑初始几何缺陷、初始残余应力及摩擦等,完成了不同负载下焊接加固的3个工字形压弯钢柱的模拟分析。研究了焊接位移时程、腹板应力应变重分布及荷载位移关系,通过有限元分析与相应试验结果对比验证,进而获得了试验无法获得的焊接温度场、翼缘与加固板间的焊接应力应变重分布以及翼缘边缘屈服承载力等结果,并将承载力结果与规范计算结果对比,考察了现有设计方法。结果表明,焊接顺序决定焊接变形的发展过程,焊接热输入和初始负载共同决定持载焊接的位移变化范围和焊接残余变形的大小;初始负载越大,应力应变重分布往偏心受力方向发展更多,承载力越低,而初始残余应力不影响极限承载力;采用考虑热影响的有限元方法具有一定可行性和总体安全性,规范设计方法仍有可提升空间。     

砂轮片正常与非正常工作条件下的有限元分析

利用有限元分析软件ANSYS对砂轮片进行了有限元建模,并对砂轮片进行了正常与非正常工作2种条件下的有限元应力分析,结果表明:侧面力的影响远远大于切削力的影响,是引起砂轮片失效的重要因素之一.分析结果为砂轮片失效机理的进一步研究以及砂轮片结构的优化设计提供了参考.     

基于惯性释放方法的某型电动轮自卸车 车架结构性能分析

电动轮自卸车载质量大且工作环境恶劣,车架作为主要的运输承载结构,其结构安全性要求较高。为研究某型电动轮自卸车车架的结构力学性能,建立了车架有限元模型,并基于惯性释放方法对不同工况下的车架结构进行了强度分析。研究结果表明：绝大部分测点的仿真结果和试验结果的相对误差在10%以内,且强度符合设计要求。在此基础上对车架结构进行了模态分析和频率响应分析,其中车架一阶模态频率为21.3 Hz,车架危险点频率响应激振频率为29.0 Hz,与载荷激励频率无重叠,有效地避免了共振的发生。