CN103793554A - 空压机车架结构评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明旨在提供一种空压机车架结构评估方法，该评估方法步骤包括：对空压机车架模型进行不同工况下的有限元分析，利用电测试验对有限元分析结果进行验证，最后综合有限元分析结果与电测试验结果对空压机车架结构进行全面评估。该评估方法克服现有空压机车架结构设计中需要通过大量的测试方能定型，开发成本高，周期长的缺陷，具有步骤简单、耗时短、可靠性强的特点，为空压机车架的优化设计提供理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及车架结构检测评估领域，具体涉及一种空压机车架结构评估方法。
背景技术
我国的移动式空压机市场要占到整个压缩机市场越1/3的市场份额，作为一个新兴市场，移动式空压机的市场空间相对更大，利润更高。目前移动式空压机市场主要由台资和外资企业占据，市面上自主研发的空压机较少。车架是移动式空压机的主要承载件，目前国内对此类车架的设计仍处于经验设计阶段，对其空压机工作时的受力情况引起的对车架的破坏等问题还没有进行定量的研究，致使产品的初始开发阶段极易发生结构断裂，需要通过大量的测试方能定型，开发成本高，周期长。
发明内容
本发明旨在提供一种空压机车架结构评估方法，该评估方法克服现有空压机车架结构设计中需要通过大量的测试方能定型，开发成本高，周期长的缺陷，为空压机车架的优化设计提供准确理论依据。
本发明技术方案如下：一种空压机车架结构评估方法，包括以下步骤：
A、建立空压机车架有限元模型，并设定材料属性、载荷、约束条件；
B、对有限元模型在自重垂直起吊工况、纵向倾斜起吊工况、横向倾斜起吊工况下进行有限元分析，得到相应工况应力云图；
C、各应力云图上应力最大的区域的区域设为电测区域，选择自重垂直起吊工况、纵向倾斜起吊工况、横向倾斜起吊工况中易于实际进行的工况，对空压机车架实体上电测区域进行电测试验；
D、对电测试验结果与有限元分析结果进行对比，评估有限元分析结果与实际测试的误差范围，若误差在允许范围内，则有限元模型及评估方法建立成功，进行全面评估；若误差超出允许范围，则返回步骤A重新进行。
所述的自重垂直起吊工况，包括起吊加速度为1g的自重垂直起吊工况，起吊加速度为2g的自重垂直起吊工况，起吊加速度为4g的自重垂直起吊工况；
所述的纵向倾斜起吊工况，包括起吊加速度为1.5g、纵向倾斜+150起吊工况，起吊加速度为1.5g、纵向倾斜-150起吊工况；
所述的横向倾斜起吊工况，包括起吊加速度为1.5g、横向倾斜+150起吊工况，起吊加速度为1.5g、横向倾斜-150起吊工况。
所述对起吊加速度为4g的自重垂直起吊工况下的有限元分析类型为非线性静力分析。
所述自重垂直起吊工况模拟过程中，在空压机车架有限元模型中的起吊架顶部约束全部自由度，通过有限元分析求出各自重垂直起吊工况下各关键部位的位移与应力情况，计算出该工况下车架最大应力，找出应力较大的区域。
所述纵向倾斜起吊工况模拟过程中，在空压机车架有限元模型中的起吊架顶部约束全部自由度，通过有限元分析求出各纵向倾斜起吊工况下各关键部位的位移与应力情况，计算出该工况下车架最大应力，找出应力较大的区域。
所述横向倾斜起吊工况模拟过程中，在空压机车架有限元模型中的起吊架顶部约束全部自由度，通过有限元分析求出各纵向倾斜起吊工况下各关键部位的位移与应力情况，计算出该工况下车架最大应力，找出应力较大的区域。
所述的步骤D中，有限元模型及评估方法建立成功后，进行全面评估是指有限元分析中出现了超出屈服强度的应力区域，则证明空压机车架结构不符合符合质量要求，否则则证明空压机车架结构符合质量要求。
本发明空压机车架结构评估方法对空压机车架进行有限元分析，结合空压机车架起吊时的特殊工况，其中1g自重垂直起吊工况、2g自重垂直起吊工况下，空压机车架发生弹性形变；而4g自重垂直起吊工况下，局部位置受力很大甚至超出了材料的屈服极限，即空压机车架发生塑性形变，所以对车架进行材料非线性静力分析，更为贴合实际；1.5g纵向倾斜+150起吊工况、1.5g纵向倾斜-150起吊工况、1.5g横向倾斜+150起吊工况、1.5g横向倾斜-150起吊工况则为空压机车架起吊时发生摇摆的工况；以上工况覆盖了空压机车架起吊时可能出现的工况，保证了分析结果的全面性。通过对上述工况下空压机车架的有限元分析，得到各个工况下的应力云图，并对应力云图中应力较大的区域进行电测试验验证，有限元分析与电测试验的结合增强了评估结论的准确性与科学性。
综上所述，空压机车架结构评估方法通过有限元分析与电测试验进行结合，完成空压机车架的结构评估，具有步骤简单、耗时短、可靠性强的特点，为空压机车架的优化设计提供准确理论依据。
附图说明
图1为本发明空压机车架结构评估方法流程图。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明。
实施例1
本实施例空压机车架结构评估方法步骤如下：
A、建立空压机车架有限元模型，并设定材料属性、载荷、约束条件；
B、对有限元模型在自重垂直起吊工况、纵向倾斜起吊工况、横向倾斜起吊工况下进行有限元分析，得到相应工况应力云图；
C、各应力云图上应力最大的区域的区域设为电测区域，选择自重垂直起吊工况、纵向倾斜起吊工况、横向倾斜起吊工况中易于实际进行的工况，对空压机车架实体上电测区域进行电测试验；
D、对电测试验结果与有限元分析结果进行对比，评估有限元分析结果与实际测试的误差范围，若误差在允许范围内，则有限元模型及评估方法建立成功，进行全面评估；若误差超出允许范围，则返回步骤A重新进行；
所述的自重垂直起吊工况，包括起吊加速度为1g的自重垂直起吊工况，起吊加速度为2g的自重垂直起吊工况，起吊加速度为4g的自重垂直起吊工况；
所述的纵向倾斜起吊工况，包括起吊加速度为1.5g、纵向倾斜+150起吊工况，起吊加速度为1.5g、纵向倾斜-150起吊工况；
所述的横向倾斜起吊工况，包括起吊加速度为1.5g、横向倾斜+150起吊工况，起吊加速度为1.5g、横向倾斜-150起吊工况；
所述对起吊加速度为4g的自重垂直起吊工况下的有限元分析类型为非线性静力分析；
所述自重垂直起吊工况模拟过程中，在空压机车架有限元模型中的起吊架顶部约束全部自由度，通过有限元分析求出各自重垂直起吊工况下各关键部位的位移与应力情况，计算出该工况下车架最大应力，找出应力较大的区域；
所述纵向倾斜起吊工况模拟过程中，在空压机车架有限元模型中的起吊架顶部约束全部自由度，通过有限元分析求出各纵向倾斜起吊工况下各关键部位的位移与应力情况，计算出该工况下车架最大应力，找出应力较大的区域；
所述横向倾斜起吊工况模拟过程中，在空压机车架有限元模型中的起吊架顶部约束全部自由度，通过有限元分析求出各纵向倾斜起吊工况下各关键部位的位移与应力情况，计算出该工况下车架最大应力，找出应力较大的区域；
所述的步骤D中，有限元模型及评估方法建立成功后，进行全面评估是指有限元分析中出现了超出或接近屈服强度的应力区域，则证明空压机车架结构不符合质量要求，否则则证明空压机车架结构符合质量要求。
下面举例说明自重垂直起吊工况、纵向倾斜起吊工况中的空压机车架结构评估方法：
一、1g自重垂直起吊工况：
1、在Hypermesh中导入预设好的空压机车架模型kyjcj.stp；
2、划分网格：网格大小为5mm；并对网格质量进行检查；
3、对车架模型进行模拟焊接与螺栓连接；
4、对材料属性进行设定：其中起吊架采用管状结构，所用材料为20号钢, 其出厂状态下的屈服应力为220Mpa，最小抗拉强度为360Mpa，弹性模量2.1×105Mpa，泊松比为0.3，密度为7.8g/cm3；底盘和牵引杆是冲压钢板焊接件，所用材料为Q235-B,其出厂状态下的屈服应力为355MPa，最小抗拉强度为455Mpa，弹性模量2.1×105Mpa，泊松比为0.3，密度为7.8g/cm3；
5、对空压机车架材料进行设定：在materials中定义材料，命名为M1，其中type选择ISOTROPIC,,Card image选择MAT1，在编辑下输入各个参数值，E为2.1e+5、NU为0.3、 RHO为7.8e-9。
6、建立属性组：在properties中，type选择2D,card image选择PSHELL,materials选择所建的材料M1，在编辑中下的T中输入车架的厚度值，为空压机车架上各部件选择相应的厚度值；
7、模型修正：在tool中，应用faces和normals检查有限元模型是否存在重复面以及法线是否一致，对出现的不一致情况进行修正；
8、施加边界条件及载荷分布
选择在Analysis中的constrains对车架起吊处设置为约束6个自由度，命名为con1；
在1D中利用rigids来约束模型上所安装的零件，如发动机、冷却器、油箱等；并在建立好的RBE2上施加质量块，并将各零件质量添加在1D中的masses中，命名为mass1；
在load collectors中设置其1g垂直向下重力加速度；Card image 选择GRAV,编辑其数值分别为，G=9800 、N1=0、N2=0、N3=-1，命名为G1；
在Analysis中的loadsteps建立计算工况，type选择linear static，SPC选择所建的con1,LOAD选择G1,命名为dis-1；
9、有限元分析:利用上述步骤建立的有限元模型，在NX-NASTRAN中使用“SESTATIC 101-多约束”线性求解器进行有限元分析计算，得到应力云图；
10、应力云图中较大应力区域设为电测区域，对空压机车架实体的电测区域进行预处理后贴上应变片，将应变片与DH3816静态应变测试系统进行连接；
11、对贴片完毕后的空压机车架实体进行起吊试验，起吊工况为1g自重垂直起吊工况，落地时平衡采样，起吊后进行测试并记录电测试验数据；
12、将电测试验数据与应力云图中对应电测区域的应力值进行对比，二者误差位于误差范围内，且应力云图中未出现超出屈服强度的应力区域，因此可以判断该空压机车架符合该工况下的质量要求。
二、4g自重垂直起吊工况非线性静力分析：
1、在Hypermesh中导入预设好的空压机车架模型kyjcj.stp；
2、划分网格：网格大小为5mm；并对网格质量进行检查；
3、对车架模型进行模拟焊接与连接；
4、对材料属性进行设定：其中起吊架采用管状结构，所用材料为20号钢, 其出厂状态下的屈服应力为220Mpa，最小抗拉强度为360Mpa，弹性模量2.1×105Mpa，泊松比为0.3，密度为7.8g/cm3；本车架是金属结构焊接件，所用材料为Q235-B,其出厂状态下的屈服应力为355MPa，最小抗拉强度为455Mpa，弹性模量2.1×105Mpa，泊松比为0.3，密度为7.8g/cm3；
5、对空压机车架材料进行设定：在materials中定义材料，命名为M1，其中type选择ISOTROPIC,card image选择MAT1，在编辑下输入各个参数值，E为2.1e+5、NU为0.3、 RHO为7.8e-9，在MATS1中，type选择PLASTIC、LIMIT1数值为220Mpa；
6、建立属性组：在properties中，type选择2D,card image选择PSHELL,materials选择所建的材料M1，在编辑中下的T中输入车架的厚度值，为空压机车架上各部件选择相应的厚度值；
7、模型修正：在tool中，应用faces和normals检查有限元模型是否存在重复面以及法线是否一致，对出现的不一致情况进行修正；
8、施加边界条件及载荷分布
选择在Analysis中的constrains对车架起吊处设置为约束6个自由度，命名为con1；
在1D中利用rigids来约束模型上所安装的零件，如发动机、冷却器、油箱等；并在建立好的RBE2上施加质量块，并将各零件质量添加在1D中的masses中，命名为mass1；
在load collectors中设置其4g垂直向下重力加速度；Card image 选择GRAV,编辑其数值分别为，G=39200 、N1=0、N2=0、N3=-1，命名为G4；
在Analysis中的loadsteps建立计算工况，type选择nonlinear static，SPC选择所建的con1,LOAD选择G4,命名为dis-1；
9、有限元分析:利用上述步骤建立的有限元模型，在NX-NASTRAN中使用“NLSTATIC 106”非线性求解器进行有限元分析计算，得到应力云图；
10、应力云图中较大应力区域设为电测区域，对空压机车架实体的电测区域进行预处理后贴上应变片，将应变片与DH3816静态应变测试系统进行连接；
11、对贴片完毕后的空压机车架实体进行起吊试验，起吊工况为1g自重垂直起吊工况，落地时平衡采样，起吊后进行测试并记录电测试验数据，将电测试验数据乘以4，预估得到4g自重垂直起吊工况下的电测试验数据；
12、将后者电测试验数据与应力云图中对应电测区域的应力值进行对比，二者误差位于误差范围内，且应力云图中未出现超出屈服强度的应力区域，因此可以判断该空压机车架符合该工况下的质量要求。
三、1.5g纵向倾斜-150起吊工况，即重力施加位置在整体坐标轴的方向与-Z轴夹角为150，与-Y轴夹角750：
1、在Hypermesh中导入预设好的空压机车架模型kyjcj.stp；
2、划分网格：网格大小为5mm；并对网格质量进行检查；
3、对车架模型进行模拟焊接与连接；
4、对材料属性进行设定：其中起吊架采用管状结构，所用材料为20号钢, 其出厂状态下的屈服应力为220Mpa，最小抗拉强度为360Mpa，弹性模量2.1×105Mpa，泊松比为0.3，密度为7.8g/cm3；本架和牵引架是冲压钢板焊接件，所用材料为Q235-B,其出厂状态下的屈服应力为355MPa，最小抗拉强度为455Mpa，弹性模量2.1×105Mpa，泊松比为0.3，密度为7.8g/cm3；
5、对空压机车架材料进行设定：在materials中定义材料，命名为M1，其中type选择ISOTROPIC,card image选择MAT1，在编辑下输入各个参数值，E为2.1e+5、G为8.1e+4 、NU为0.3、 RHO为7.8e-9；
6、建立属性组：在properties中，type选择2D,card image选择PSHELL,materials选择所建的材料M1，在编辑中下的T中输入车架的厚度值，为空压机车架上各部件选择相应的厚度值；
7、模型修正：在tool中，应用faces和normals检查有限元模型是否存在重复面以及法线是否一致，对出现的不一致情况进行修正；
8、施加边界条件及载荷分布
选择在Analysis中的constrains对车架起吊处设置为约束6个自由度，命名为con2；
在1D中利用rigids来约束模型上所安装的零件，如发动机、冷却器、油箱等；并在建立好的RBE2上施加质量块，并将各零件质量添加在1D中的masses中，命名为mass1；
在load collectors中设置其1.5g垂直向下重力加速度；Card image 选择GRAV,编辑其数值分别为，G=14700 、N1=0、N2=-0.260、N3=-0.966，命名为G1.5g（-Y）；
在Analysis中的loadsteps建立计算工况，type选择linear static，SPC选择所建的con2,LOAD选择G1.5g（-Y）,命名为dis-1.5g（-Y）；
9、有限元分析:利用上述步骤建立的有限元模型，在NX-NASTRAN中使用“SESTATIC 101-多约束”线性求解器进行有限元分析计算，得到应力云图；
10、应力云图中较大应力区域设为电测区域，对空压机车架实体的电测区域进行预处理后贴上应变片，将应变片与DH3816静态应变测试系统进行连接；
11、对贴片完毕后的空压机车架实体进行起吊试验，起吊工况为1g纵向倾斜-150起吊工况，落地时平衡采样，起吊后进行测试并记录电测试验数据，将电测试验数据乘以1.5，预估得到1.5g纵向倾斜-150起吊工况下的电测试验数据；
12、将后者电测试验数据与应力云图中对应电测区域的应力值进行对比，二者误差位于误差范围内，且应力云图中未出现超出屈服强度的应力区域，因此可以判断该空压机车架符合该工况下的质量要求。
以上实施例为本发明7种工况中的具有典型代表的3种，其他工况下的评估方法与上述方法步骤类似，仅为相应具体参数上的变化；最后，综合考虑7种工况下的分析与测试结果，本实施例中使用的空压机车架结构符合质量要求。
Claims (7)
1.一种空压机车架结构评估方法，其特征在于包括以下步骤：
A、建立空压机车架有限元模型，并设定材料属性、载荷、约束条件；
B、对有限元模型在自重垂直起吊工况、纵向倾斜起吊工况、横向倾斜起吊工况下进行有限元分析，得到相应工况应力云图；
C、各应力云图上应力较大的区域设为电测区域，选择自重垂直起吊工况、纵向倾斜起吊工况、横向倾斜起吊工况中易于实际进行的工况，对空压机车架实体上电测区域进行电测试验；
D、对电测试验结果与有限元分析结果进行对比，评估有限元分析结果与实际测试的误差范围，若误差在允许范围内，则有限元模型及评估方法建立成功，进行全面评估；若误差超出允许范围，则返回步骤A重新进行。
2.如权利要求1所述的空压机车架结构评估方法，其特征在于：
所述的自重垂直起吊工况，包括起吊加速度为1g的自重垂直起吊工况，起吊加速度为2g的自重垂直起吊工况，起吊加速度为4g的自重垂直起吊工况；
所述的纵向倾斜起吊工况，包括起吊加速度为1.5g、纵向倾斜+150起吊工况，起吊加速度为1.5g、纵向倾斜-150起吊工况；
所述的横向倾斜起吊工况，包括起吊加速度为1.5g、横向倾斜+150起吊工况，起吊加速度为1.5g、横向倾斜-150起吊工况。
3.如权利要求2所述的空压机车架结构评估方法，其特征在于：
所述对起吊加速度为4g的自重垂直起吊工况下的有限元分析类型为非线性静力分析。
4.如权利要求2所述的空压机车架结构评估方法，其特征在于：所述自重垂直起吊工况模拟过程中，在空压机车架有限元模型中的起吊架顶部约束全部自由度，通过有限元分析求出各垂直起吊工况下各关键部位的位移与应力情况，计算出该工况下车架最大应力，找出应力较大的区域。
5.如权利要求2所述的空压机车架结构评估方法，其特征在于：所述纵向倾斜起吊工况模拟过程中，在空压机车架有限元模型中的起吊架顶部约束全部自由度，通过有限元分析求出各纵向倾斜起吊工况下各关键部位的位移与应力情况，计算出该工况下车架最大应力，找出应力较大的区域。
6.如权利要求2所述的空压机车架结构评估方法，其特征在于：所述横向倾斜起吊工况模拟过程中，在空压机车架有限元模型中的起吊架顶部约束全部自由度，通过有限元分析求出各纵向倾斜起吊工况下各关键部位的位移与应力情况，计算出该工况下车架最大应力，找出应力较大的区域。
7.如权利要求1所述的空压机车架结构评估方法，其特征在于：所述的步骤D中，有限元模型及评估方法建立成功后，进行全面评估是指有限元分析中出现了应力超出屈服强度或应力值接近屈服强度的区域，则证明空压机车架结构不符合质量要求，否则证明空压机车架结构符合质量要求。
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