飛機(jī)牽引車是空港主要地面設(shè)備之一。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外航空界相繼研制出一種無(wú)桿式牽引車，即在牽引飛機(jī)時(shí)不用牽引桿而是用一種夾持一提升機(jī)構(gòu)將飛機(jī)前起落架夾持并提升離地，牽引行駛。這種無(wú)桿牽引車的優(yōu)點(diǎn)是：取消了牽引桿，有效地減輕了自身重力，節(jié)省了牽引飛機(jī)所需要的時(shí)間和油料消耗，節(jié)省頂推飛機(jī)的時(shí)間，從而帶來(lái)了節(jié)能效益。因無(wú)桿牽引車抱住了前起落架，承受飛機(jī)的前輪負(fù)載，所以無(wú)桿式牽引車的驅(qū)動(dòng)橋要承受較大的載荷。基于對(duì)驅(qū)動(dòng)橋可靠性的要求，文中運(yùn)用快速有限元仿真軟件CosmosWorks對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)仿真分析，通過(guò)對(duì)參數(shù)的優(yōu)化，為無(wú)桿牽引車驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)提供可靠的分析數(shù)據(jù)。
1分析方案
1.1建模、分析工具的介紹
SolidWorks作為目前第一主流的三維機(jī)械CAD軟件之一，其工程分析是通過(guò)CosmosXpress或CosmosWorks進(jìn)行的.CosmosXpress適合于單個(gè)零件的工程分析，而CosmosWorks則適合于零部件或產(chǎn)品的工程分析，其功能更為強(qiáng)大。文中利用CosmosWorks進(jìn)行車橋結(jié)構(gòu)的工程分析。Cosmos/Works是完全整合在SolidWorks中設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)的，提供壓力、頻率、約束、熱量和優(yōu)化分析，為設(shè)計(jì)工程師在SolidWorks的環(huán)境下，提供比較完整的分析手段。憑借先進(jìn)的快速有限元技術(shù)(FFE)，工程師能非常迅速地實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模的復(fù)雜設(shè)計(jì)的分析和驗(yàn)證，并且獲得修正和優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的必要信息。分析的模型、結(jié)果和SolidWorks共享一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，這意味著設(shè)計(jì)與分析數(shù)據(jù)將沒(méi)有繁瑣的雙向轉(zhuǎn)換操作，分析也因而與計(jì)量單位無(wú)關(guān)。在幾何模型上，可以直接定義載荷和邊界條件，如同生成幾何特征，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)也會(huì)相應(yīng)地自動(dòng)更新。計(jì)算結(jié)果也可以直觀地顯示在SolidWorks精確的設(shè)計(jì)模型上。這樣的環(huán)境操作簡(jiǎn)單、節(jié)省時(shí)間，且硬盤(pán)空間資源要求很小。
1.2分析方法的確定
車橋的受力并不復(fù)雜，主要是根據(jù)分析結(jié)果的對(duì)比，為新車橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。因此，確定其分析方案流程如圖1所示。
圖1分析方案流程圖
2基于SolidWorks軟件的有限元模型建立
2.1 無(wú)桿式飛機(jī)牽引車驅(qū)動(dòng)橋幾何模型的建立
根據(jù)驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)SolodWorks進(jìn)行建模，車橋結(jié)構(gòu)為焊接結(jié)構(gòu)，建模在焊接條件下進(jìn)行，可以使車橋的分析更加接近實(shí)際情況。并且根據(jù)車橋的受力情況對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，所建模型如圖2所示。
圖2車橋幾何模型
2.2車橋有限元模型
在CosmosWorks中，根據(jù)表1建立有限元模型。
表1有限元模型參數(shù)
2.2.1材料的屬性
材料選取16Mn，該材料的彈性模量E=212 GPa，泊松比σ=0.31，屈服極限=250 MPa，密度=7.87×103 ks/m3 。
2.2.2網(wǎng)格的劃分
網(wǎng)格劃分是一個(gè)重要的步驟，網(wǎng)格越細(xì)精度越高，但隨著網(wǎng)格的不斷細(xì)化，應(yīng)力的增長(zhǎng)趨于緩慢，并向某定值靠近，由此可大致確定真實(shí)應(yīng)力的取值。因此，在車橋網(wǎng)格劃分時(shí)，采用的是10mm×0.5mm的單元，網(wǎng)格劃分精細(xì)。車橋網(wǎng)格劃分結(jié)果，共370878個(gè)節(jié)點(diǎn)，237212個(gè)單元，1104978個(gè)自由度。建立的有限元模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。
圖3有限元模型的網(wǎng)格劃
2.2.3載荷與約束的處理
載荷和約束施加與工程實(shí)際是否吻合直接影響到分析結(jié)果的正確性、合理性。在實(shí)際工作中，只需分析最不利工況(即最大載荷、最大幅度的工況)即可。在CosmosWorks中，載荷與約束直接在幾何模型上加載，在求解時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到有限元模型上。在分析中，約束在鉸接處添加鉸鏈約束，在鉸接支撐面上添加無(wú)平移約束。此時(shí)橋上的載荷僅為承載的飛機(jī)的前部的重力加上承載的部分車的自重力，在車橋承載面上施加載荷為200 kN。所添加約束與載荷如圖4所示。
圖4添加的載荷與約束
3 仿真分析結(jié)果
以上的準(zhǔn)備工作做完之后就可以直接運(yùn)行分析，得出分析結(jié)果。CosmosWorks通過(guò)彩色云圖顯示應(yīng)力和位移的分布，以不同的顏色表示不同范圍的應(yīng)力值，能形象逼真地表現(xiàn)車橋內(nèi)部的應(yīng)力和位移應(yīng)變分布情況。圖5所示的是原車橋的應(yīng)力、位移圖解。
圖5原車橋分析結(jié)果
由應(yīng)力圖解可很容易看出應(yīng)力較大的區(qū)域，為結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供明確的方向。最大應(yīng)力值為178 MPa，而16 Mn的屈服應(yīng)力為250 MPa。因此，該結(jié)構(gòu)的最薄弱的環(huán)節(jié)也滿足強(qiáng)度要求。由位移圖解可以看出其最大位移為0.22 mm，滿足剛度要求。
4 根據(jù)原車橋的數(shù)據(jù)對(duì)新車橋建模分析
新的車型要求車橋的跨度增大，若在原車橋的基礎(chǔ)上只增加其長(zhǎng)度，會(huì)使其強(qiáng)度降低。為了不但能使新的車橋能滿足跨度要求，而且強(qiáng)度要進(jìn)一步提高，在原車橋的基礎(chǔ)上進(jìn)行了多處修改，并通過(guò)CosmosWorks進(jìn)行應(yīng)力分析比較，得出一種比較理想的改進(jìn)方案。為新車橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了比較好的依據(jù)。
新的車橋除了跨度加大之外，其轉(zhuǎn)向節(jié)臂和橋身做了適當(dāng)?shù)男薷模ㄟ^(guò)增大過(guò)度圓弧使應(yīng)力集中得到了很好的擴(kuò)散，極大消除了應(yīng)力集中帶來(lái)的影響。并且增加了橋身所用鋼板的厚度。圖6是對(duì)新車橋結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果。
圖6新車橋分析結(jié)果
由分析結(jié)果可以看出，新車橋最大應(yīng)力為103 MPa，比原車橋有明顯改善。
在此基礎(chǔ)上對(duì)車橋進(jìn)行了疲勞分析，可以得出車橋的安全系數(shù)。圖7給出了原車橋與新車橋安全系數(shù)。
由圖7可以看出安全系數(shù)由原來(lái)的1.53增加到現(xiàn)在的3.27，進(jìn)一步提高了車橋的可靠性。進(jìn)而可以使整車的安全性得到了提高。
圖 7安全系數(shù)圖解
通過(guò)分析可以看出，新車橋的各方面性能要優(yōu)于原車橋，原車橋已在實(shí)際中應(yīng)用，因此新車橋的分析數(shù)據(jù)對(duì)于實(shí)際的生產(chǎn)具有很好的參考價(jià)值。
5結(jié)論
通過(guò)運(yùn)用SolidWorks對(duì)無(wú)桿牽引車的車橋建模，并利用CosmosWorks對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元仿真分析研究，可以看出運(yùn)用SolidWo出s及其插件可以方便地查看結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，并快速作出改進(jìn)。通過(guò)對(duì)參數(shù)的優(yōu)化，為無(wú)桿牽引車驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)提供了可靠的分析數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了其受力的仿真優(yōu)化，最終獲得整體結(jié)構(gòu)比較理想的設(shè)計(jì)參數(shù)。