飛機(jī)牽引車是空港主要地面設(shè)備之一。近年來，國內(nèi)外航空界相繼研制出一種無桿式牽引車，即在牽引飛機(jī)時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)所需要的時間和油料消耗，節(jié)省頂推飛機(jī)的時間，從而帶來了節(jié)能效益。因無桿牽引車抱住了前起落架，承受飛機(jī)的前輪負(fù)載，所以無桿式牽引車的驅(qū)動橋要承受較大的載荷。基于對驅(qū)動橋可靠性的要求，文中運(yùn)用快速有限元仿真軟件CosmosWorks對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)仿真分析，通過對參數(shù)的優(yōu)化，為無桿牽引車驅(qū)動橋設(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CosmosXpress或CosmosWorks進(jìn)行的．CosmosXpress適合于單個零件的工程分析，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共享一個數(shù)據(jù)庫，這意味著設(shè)計(jì)與分析數(shù)據(jù)將沒有繁瑣的雙向轉(zhuǎn)換操作，分析也因而與計(jì)量單位無關(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)庫也會相應(yīng)地自動更新。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)境操作簡單、節(jié)省時間，且硬盤空間資源要求很小。

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 無桿式飛機(jī)牽引車驅(qū)動橋幾何模型的建立

    根據(jù)驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過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)車橋的受力情況對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕幚恚Ｐ腿鐖D2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，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個節(jié)點(diǎn)，237212個單元，1104978個自由度。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，在求解時自動轉(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平移約束。此時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。

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)上只增加其長度，會使其強(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^增大過度圓弧使應(yīng)力集中得到了很好的擴(kuò)散，極大消除了應(yīng)力集中帶來的影響。并且增加了橋身所用鋼板的厚度。圖6是對新車橋結(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)對于實(shí)際的生產(chǎn)具有很好的參考價值。

5結(jié)論

    通過運(yùn)用SolidWorks對無桿牽引車的車橋建模，并利用CosmosWorks對其進(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)存在的問題，并快速作出改進(jìn)。通過對參數(shù)的優(yōu)化，為無桿牽引車驅(qū)動橋設(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)。