论文部分内容阅读
[摘 要]设计了一种无杆飞机牵引车车架结构，应用UG建立了无杆飞机牵引车车架的三维模型，之后导入到ANSYS Workbench中建立了车架的有限元模型，对车架进行了约束模态分析，得到了车架的固有模态频率和振型，通过分析固有模态和振型验证车架的振动特性。结果表明车架固有频率避开了外界激振频率，振型合理，可有效避免共振造成的起落架或抱轮机构的损伤。其结构设计具有较好的动态特性，为相关民航装备设计提供了参考。
[关键词]无杆飞机牵引车；车架；有限元分析；模态分析；ANSYS Workbench
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）36-0333-02
无杆飞机牵引车是一种专门用于在地面牵引飞机的机场特种设备，其车架的结构形式较特殊，在作业过程中，由于外界的激励将产生振动响应，当车架的固有频率和外界激振力频率相接近时，车架就会产生共振[1]，并导致车架的某些部位产生很大的振动载荷，可能会造成车架和飞机前起落架的损伤[2]。因此，车架在设计时应该让其固有频率和振型避开常见的激振力频率，这样才能保证车架具有良好的动态特性，故对车架进行模态分析是有必要的[3]。
目前国内对于无杆飞机牵引车车架的模态分析的研究比较少见。通过对无杆飞机牵引车的车架结构进行模态分析，可以有效的选择合理的设计方案，为车架结构优化设计提供依据[4]。本文介绍了一种无杆牵引车的设计结构，并对其进行约束模态分析，通过模态分析和振型分析验证设计的合理性，为相关民航装备结构设计提供参考。
1.车架结构设计
为了使飞机牵引车车身结构紧凑以减小转弯半径，将驾驶室布置在车架前端的中间位置[5]，其两侧分别布置发动机和燃油箱，根据驾驶室、发动机罩、燃油箱三者的宽度，确定车架前端宽度为3650mm。飞机牵引车前轮距为2640mm，设计最大转向角为60°，当前轮作最大转向时，为避免和车架相碰，同时满足液压油箱和液压马达的安装空间，将两前轮之间的车架宽度的最大值设定为1300mm。为了提高飞机牵引车的横向稳定性和保证抱轮机构的布置空间，车架后部的U型部分的最大宽度设定为3650mm。车架设计成前、后等宽的形式，如图1所示。
2.车架有限元模型的建立
该无杆飞机车的车架是在UG环境下建立的，UG软件具有强大的三维建模功能，并且具有和ANSYS进行数据交换的专用接口[6]，建模时去掉一些不影响精度的倒角和安装孔，以便简化模型。车架整体由钢板焊接而成，车架纵梁是用钢板焊接的工字型截面梁，横梁为槽钢，车架后部的U型部分采用箱型截面梁焊接而成。
在UG模型建立完成后，点击UG工作界面的ANSYS Workbench按钮，就可以直接进入ANSYS Workbench的工作环境[7]，进入后选择相应的分析模块，可以完成不同类型的分析，本文对车架的有限元分析主要在DS模块中进行。结合制造成本和行业要求[8-9]，无杆飞机牵引车车架材料选用低合金高强度钢Q345，取材料的弹性模量为，泊松比为0.3，屈服极限为，抗拉强度为，密度为7850Kg/m3。
由于车架的结构尺寸较大，在对车架划分网格时，把车架结构进行分割，分析纵梁在工作过程中的受力状况并适当调节各部位网格的疏密度，即在受载荷的区域网格划分的较密一些，基本不受载荷的区域网格划分的较疏一些，并指定整个实体的网格类型为空间六面体占优，共划分了284610个节点，138246个单元，得到车架的有限元模型如图2所示。可见网格划分比较均匀，划分的质量较理想，这样有利于提高求解精度。
3.车架约束模态分析
在实际工作状态下，车架是在前后轮的支撑和约束下固定的，所以工作状态下应该对车架进行约束模态分析，即约束模态分析[10]。在建立好车架的有限元模型后，选择Fix Support，对后轮驱动马达的安装孔施加固定约束，约束X、Y、Z三个方向的平动自由度，对前桥在纵梁上的垂直投影面施加固定约束，约束Y、Z两个方向的平动自由度。设定分析频率的阶数和范围同自由模态分析一致，点击Solve进行求解，得到车架约束状态下的前10阶固有模态频率值如表1所示，固有模态振型也列出1～6阶，如图9～14所示。
从图3～8及表1可以看出，约束状态下车架的前6阶模态振型主要表现为车架前端的振动，而车架后端振动幅度很小，这是由于车架在施加约束后，车架后端的刚度较大，所以外界激励和发动机的振动对车架后端振动影响很小，这有利于飞机牵引车抱轮装置工作的平稳性，防止因车架后端振动而造成飞机前起落架损伤。车架在约束模态下振动的相对位移较大，主要表现在车架前端的振动，各振型图中，最大值均出现在车架前段边缘，前段中振幅较小，对设备和驾驶者影响很小；车架自由模态频率相对较低，约束模态频率相对较高，也表明了车架在施加约束后的固有模态频率会发生改变。
4.结论
（1）介绍了一种无杆牵引车车架的结构设计方案，采用UG进行三维建模，利用ANSYS Workbench软件对无杆飞机牵引车车架进行了约束模态分析，得到了车架的10阶固有频率和6阶振型。
（2）针对车架的振型特征和模态结果进行分析，结果表明，该车在实际工作时，车架的固有频率避开了外界激振力频率，可有效防止因车架后端振动而造成飞机前起落架或抱轮机构的损伤；从振型结果来看，车架最大振型出现在约束模态下的车架前端边缘，对设备和操作人员影响较小。车架结构设计合理，有利于牵引车抱轮机构的平穩性。
参考文献
[1] 张建，戚永爱，唐文献，等.基于有限元法的某卡车车架优化设计[J].机械设计与制造，2012（5）：48-50
[2] 阎岷，赵立军，姜继海，等.飞机牵引车结构及动力传动系统的发展[J]. 液压与气动，2009（12）：1-4
[3] 司景萍，韩璐，任庆霜.基于ANSYS的自卸车副车架结构模态分析[J].内蒙古工业大学学报，2011，30（3）：328-323
[4] 杨涛，李光攀，过时迅.基于ANSYS的专用车车架模态分析[J].专用汽车，2008（11）：48-50
[5] 兰布莱尔，阿里佩里，以色列宇航工业有限公司.无牵引杆的飞机牵引车[P].CN101918277A.2010-12-15
注：基金号：中国民用航空总局科技项目（60932016），中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（3122014D020）。
[关键词]无杆飞机牵引车；车架；有限元分析；模态分析；ANSYS Workbench
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）36-0333-02
无杆飞机牵引车是一种专门用于在地面牵引飞机的机场特种设备，其车架的结构形式较特殊，在作业过程中，由于外界的激励将产生振动响应，当车架的固有频率和外界激振力频率相接近时，车架就会产生共振[1]，并导致车架的某些部位产生很大的振动载荷，可能会造成车架和飞机前起落架的损伤[2]。因此，车架在设计时应该让其固有频率和振型避开常见的激振力频率，这样才能保证车架具有良好的动态特性，故对车架进行模态分析是有必要的[3]。
目前国内对于无杆飞机牵引车车架的模态分析的研究比较少见。通过对无杆飞机牵引车的车架结构进行模态分析，可以有效的选择合理的设计方案，为车架结构优化设计提供依据[4]。本文介绍了一种无杆牵引车的设计结构，并对其进行约束模态分析，通过模态分析和振型分析验证设计的合理性，为相关民航装备结构设计提供参考。
1.车架结构设计
为了使飞机牵引车车身结构紧凑以减小转弯半径，将驾驶室布置在车架前端的中间位置[5]，其两侧分别布置发动机和燃油箱，根据驾驶室、发动机罩、燃油箱三者的宽度，确定车架前端宽度为3650mm。飞机牵引车前轮距为2640mm，设计最大转向角为60°，当前轮作最大转向时，为避免和车架相碰，同时满足液压油箱和液压马达的安装空间，将两前轮之间的车架宽度的最大值设定为1300mm。为了提高飞机牵引车的横向稳定性和保证抱轮机构的布置空间，车架后部的U型部分的最大宽度设定为3650mm。车架设计成前、后等宽的形式，如图1所示。
2.车架有限元模型的建立
该无杆飞机车的车架是在UG环境下建立的，UG软件具有强大的三维建模功能，并且具有和ANSYS进行数据交换的专用接口[6]，建模时去掉一些不影响精度的倒角和安装孔，以便简化模型。车架整体由钢板焊接而成，车架纵梁是用钢板焊接的工字型截面梁，横梁为槽钢，车架后部的U型部分采用箱型截面梁焊接而成。
在UG模型建立完成后，点击UG工作界面的ANSYS Workbench按钮，就可以直接进入ANSYS Workbench的工作环境[7]，进入后选择相应的分析模块，可以完成不同类型的分析，本文对车架的有限元分析主要在DS模块中进行。结合制造成本和行业要求[8-9]，无杆飞机牵引车车架材料选用低合金高强度钢Q345，取材料的弹性模量为，泊松比为0.3，屈服极限为，抗拉强度为，密度为7850Kg/m3。
由于车架的结构尺寸较大，在对车架划分网格时，把车架结构进行分割，分析纵梁在工作过程中的受力状况并适当调节各部位网格的疏密度，即在受载荷的区域网格划分的较密一些，基本不受载荷的区域网格划分的较疏一些，并指定整个实体的网格类型为空间六面体占优，共划分了284610个节点，138246个单元，得到车架的有限元模型如图2所示。可见网格划分比较均匀，划分的质量较理想，这样有利于提高求解精度。
3.车架约束模态分析
在实际工作状态下，车架是在前后轮的支撑和约束下固定的，所以工作状态下应该对车架进行约束模态分析，即约束模态分析[10]。在建立好车架的有限元模型后，选择Fix Support，对后轮驱动马达的安装孔施加固定约束，约束X、Y、Z三个方向的平动自由度，对前桥在纵梁上的垂直投影面施加固定约束，约束Y、Z两个方向的平动自由度。设定分析频率的阶数和范围同自由模态分析一致，点击Solve进行求解，得到车架约束状态下的前10阶固有模态频率值如表1所示，固有模态振型也列出1～6阶，如图9～14所示。
从图3～8及表1可以看出，约束状态下车架的前6阶模态振型主要表现为车架前端的振动，而车架后端振动幅度很小，这是由于车架在施加约束后，车架后端的刚度较大，所以外界激励和发动机的振动对车架后端振动影响很小，这有利于飞机牵引车抱轮装置工作的平稳性，防止因车架后端振动而造成飞机前起落架损伤。车架在约束模态下振动的相对位移较大，主要表现在车架前端的振动，各振型图中，最大值均出现在车架前段边缘，前段中振幅较小，对设备和驾驶者影响很小；车架自由模态频率相对较低，约束模态频率相对较高，也表明了车架在施加约束后的固有模态频率会发生改变。
4.结论
（1）介绍了一种无杆牵引车车架的结构设计方案，采用UG进行三维建模，利用ANSYS Workbench软件对无杆飞机牵引车车架进行了约束模态分析，得到了车架的10阶固有频率和6阶振型。
（2）针对车架的振型特征和模态结果进行分析，结果表明，该车在实际工作时，车架的固有频率避开了外界激振力频率，可有效防止因车架后端振动而造成飞机前起落架或抱轮机构的损伤；从振型结果来看，车架最大振型出现在约束模态下的车架前端边缘，对设备和操作人员影响较小。车架结构设计合理，有利于牵引车抱轮机构的平穩性。
参考文献
[1] 张建，戚永爱，唐文献，等.基于有限元法的某卡车车架优化设计[J].机械设计与制造，2012（5）：48-50
[2] 阎岷，赵立军，姜继海，等.飞机牵引车结构及动力传动系统的发展[J]. 液压与气动，2009（12）：1-4
[3] 司景萍，韩璐，任庆霜.基于ANSYS的自卸车副车架结构模态分析[J].内蒙古工业大学学报，2011，30（3）：328-323
[4] 杨涛，李光攀，过时迅.基于ANSYS的专用车车架模态分析[J].专用汽车，2008（11）：48-50
[5] 兰布莱尔，阿里佩里，以色列宇航工业有限公司.无牵引杆的飞机牵引车[P].CN101918277A.2010-12-15
注：基金号：中国民用航空总局科技项目（60932016），中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（3122014D020）。