空壓機車架結構評估方法
【專利摘要】本發(fā)明旨在提供一種空壓機車架結構評估方法，該評估方法步驟包括：對空壓機車架模型進行不同工況下的有限元分析，利用電測試驗對有限元分析結果進行驗證，最后綜合有限元分析結果與電測試驗結果對空壓機車架結構進行全面評估。該評估方法克服現(xiàn)有空壓機車架結構設計中需要通過大量的測試方能定型，開發(fā)成本高，周期長的缺陷，具有步驟簡單、耗時短、可靠性強的特點，為空壓機車架的優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。
【專利說明】空壓機車架結構評估方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及車架結構檢測評估領域，具體涉及一種空壓機車架結構評估方法。
【背景技術】
[0002]我國的移動式空壓機市場要占到整個壓縮機市場越1/3的市場份額，作為一個新興市場，移動式空壓機的市場空間相對更大，利潤更高。目前移動式空壓機市場主要由臺資和外資企業(yè)占據(jù)，市面上自主研發(fā)的空壓機較少。車架是移動式空壓機的主要承載件，目前國內(nèi)對此類車架的設計仍處于經(jīng)驗設計階段，對其空壓機工作時的受力情況引起的對車架的破壞等問題還沒有進行定量的研究，致使產(chǎn)品的初始開發(fā)階段極易發(fā)生結構斷裂，需要通過大量的測試方能定型，開發(fā)成本高，周期長。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明旨在提供一種空壓機車架結構評估方法，該評估方法克服現(xiàn)有空壓機車架結構設計中需要通過大量的測試方能定型，開發(fā)成本高，周期長的缺陷，為空壓機車架的優(yōu)化設計提供準確理論依據(jù)。
[0004]本發(fā)明技術方案如下:一種空壓機車架結構評估方法，包括以下步驟:
A、建立空壓機車架有限元模型，并設定材料屬性、載荷、約束條件；
B、對有限元模型在自重垂直起吊工況、縱向傾斜起吊工況、橫向傾斜起吊工況下進行有限元分析，得到相應工況應力云圖；
C、各應力云圖上應力最大的區(qū)域的區(qū)域設為電測區(qū)域，選擇自重垂直起吊工況、縱向傾斜起吊工況、橫向傾斜起吊工況中易于實際進行的工況，對空壓機車架實體上電測區(qū)域進行電測試驗；
D、對電測試驗結果與有限元分析結果進行對比，評估有限元分析結果與實際測試的誤差范圍，若誤差在允許范圍內(nèi)，則有限元模型及評估方法建立成功，進行全面評估；若誤差超出允許范圍，則返回步驟A重新進行。
[0005]所述的自重垂直起吊工況，包括起吊加速度為Ig的自重垂直起吊工況，起吊加速度為2g的自重垂直起吊工況，起吊加速度為4g的自重垂直起吊工況；
所述的縱向傾斜起吊工況，包括起吊加速度為1.5g、縱向傾斜+15°起吊工況，起吊加速度為1.5g、縱向傾斜-15°起吊工況；
所述的橫向傾斜起吊工況，包括起吊加速度為1.5g、橫向傾斜+15°起吊工況，起吊加速度為1.5g、橫向傾斜-15°起吊工況。
[0006]所述對起吊加速度為4g的自重垂直起吊工況下的有限元分析類型為非線性靜力分析。
[0007]所述自重垂直起吊工況模擬過程中，在空壓機車架有限元模型中的起吊架頂部約束全部自由度，通過有限元分析求出各自重垂直起吊工況下各關鍵部位的位移與應力情況，計算出該工況下車架最大應力，找出應力較大的區(qū)域。[0008]所述縱向傾斜起吊工況模擬過程中，在空壓機車架有限元模型中的起吊架頂部約束全部自由度，通過有限元分析求出各縱向傾斜起吊工況下各關鍵部位的位移與應力情況，計算出該工況下車架最大應力，找出應力較大的區(qū)域。
[0009]所述橫向傾斜起吊工況模擬過程中，在空壓機車架有限元模型中的起吊架頂部約束全部自由度，通過有限元分析求出各縱向傾斜起吊工況下各關鍵部位的位移與應力情況，計算出該工況下車架最大應力，找出應力較大的區(qū)域。
[0010]所述的步驟D中，有限元模型及評估方法建立成功后，進行全面評估是指有限元分析中出現(xiàn)了超出屈服強度的應力區(qū)域，則證明空壓機車架結構不符合符合質(zhì)量要求，否則則證明空壓機車架結構符合質(zhì)量要求。
[0011]本發(fā)明空壓機車架結構評估方法對空壓機車架進行有限元分析，結合空壓機車架起吊時的特殊工況，其中Ig自重垂直起吊工況、2g自重垂直起吊工況下，空壓機車架發(fā)生彈性形變；而4g自重垂直起吊工況下，局部位置受力很大甚至超出了材料的屈服極限，即空壓機車架發(fā)生塑性形變，所以對車架進行材料非線性靜力分析，更為貼合實際；1.5g縱向傾斜+15°起吊工況、1.5g縱向傾斜-15°起吊工況、1.5g橫向傾斜+15°起吊工況、1.5g橫向傾斜-15°起吊工況則為空壓機車架起吊時發(fā)生搖擺的工況；以上工況覆蓋了空壓機車架起吊時可能出現(xiàn)的工況，保證了分析結果的全面性。通過對上述工況下空壓機車架的有限元分析，得到各個工況下的應力云圖，并對應力云圖中應力較大的區(qū)域進行電測試驗驗證，有限元分析與電測試驗的結合增強了評估結論的準確性與科學性。
[0012]綜上所述，空壓機車架結構評估方法通過有限元分析與電測試驗進行結合，完成空壓機車架的結構評估，具有步驟簡單、耗時短、可靠性強的特點，為空壓機車架的優(yōu)化設計提供準確理論依據(jù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明空壓`機車架結構評估方法流程圖。
[0014]
[0015]
【具體實施方式】
[0016]下面結合實施例進一步說明本發(fā)明。
[0017]實施例1
本實施例空壓機車架結構評估方法步驟如下:
A、建立空壓機車架有限元模型，并設定材料屬性、載荷、約束條件；
B、對有限元模型在自重垂直起吊工況、縱向傾斜起吊工況、橫向傾斜起吊工況下進行有限元分析，得到相應工況應力云圖；
C、各應力云圖上應力最大的區(qū)域的區(qū)域設為電測區(qū)域，選擇自重垂直起吊工況、縱向傾斜起吊工況、橫向傾斜起吊工況中易于實際進行的工況，對空壓機車架實體上電測區(qū)域進行電測試驗；
D、對電測試驗結果與有限元分析結果進行對比，評估有限元分析結果與實際測試的誤差范圍，若誤差在允許范圍內(nèi)，則有限元模型及評估方法建立成功，進行全面評估；若誤差超出允許范圍，則返回步驟A重新進行；
所述的自重垂直起吊工況，包括起吊加速度為Ig的自重垂直起吊工況，起吊加速度為2g的自重垂直起吊工況，起吊加速度為4g的自重垂直起吊工況；
所述的縱向傾斜起吊工況，包括起吊加速度為1.5g、縱向傾斜+15°起吊工況，起吊加速度為1.5g、縱向傾斜-15°起吊工況；
所述的橫向傾斜起吊工況，包括起吊加速度為1.5g、橫向傾斜+15°起吊工況，起吊加速度為1.5g、橫向傾斜-15°起吊工況；
所述對起吊加速度為4g的自重垂直起吊工況下的有限元分析類型為非線性靜力分
析；
所述自重垂直起吊工況模擬過程中，在空壓機車架有限元模型中的起吊架頂部約束全部自由度，通過有限元分析求出各自重垂直起吊工況下各關鍵部位的位移與應力情況，計算出該工況下車架最大應力，找出應力較大的區(qū)域；
所述縱向傾斜起吊工況模擬過程中，在空壓機車架有限元模型中的起吊架頂部約束全部自由度，通過有限元分析求出各縱向傾斜起吊工況下各關鍵部位的位移與應力情況，計算出該工況下車架最大應力，找出應力較大的區(qū)域；
所述橫向傾斜起吊工況模擬過程中，在空壓機車架有限元模型中的起吊架頂部約束全部自由度，通過有限元分析求出各縱向傾斜起吊工況下各關鍵部位的位移與應力情況，計算出該工況下車架最大應力，找出應力較大的區(qū)域；
所述的步驟D中，有限元模型及評估方法建立成功后，進行全面評估是指有限元分析中出現(xiàn)了超出或接近屈服強度的應力區(qū)域，則證明空壓機車架結構不符合質(zhì)量要求，否則則證明空壓機車架結構符合質(zhì)量要求。
[0018]下面舉例說明自重垂直起吊工況、縱向傾斜起吊工況中的空壓機車架結構評估方法:
一、Ig自重垂直起吊工況:
1、在Hypermesh中導入預設好的空壓機車架模型kyjcj.stp ；
2、劃分網(wǎng)格:網(wǎng)格大小為5_;并對網(wǎng)格質(zhì)量進行檢查；
3、對車架模型進行模擬焊接與螺栓連接；
4、對材料屬性進行設定:其中起吊架采用管狀結構，所用材料為20號鋼，其出廠狀態(tài)下的屈服應力為220Mpa，最小抗拉強度為360Mpa，彈性模量2.1 X IO5Mpa,泊松比為0.3，密度為7.8g/cm3 ;底盤和牽引桿是沖壓鋼板焊接件，所用材料為Q235-B，其出廠狀態(tài)下的屈服應力為355MPa，最小抗拉強度為455Mpa，彈性模量2.1 X IO5Mpa,泊松比為0.3，密度為
7.8g/cm3 ；
5、對空壓機車架材料進行設定:在materials中定義材料,命名為Ml,其中type選擇ISOTROPIC,, Card image選擇ΜΑΤΙ，在編輯下輸入各個參數(shù)值，E為2.le+5、NU為0.3、RHO為 7.8e-9。
[0019]6、建立屬性組:在 properties 中，type 選擇 2D, card image 選擇PSHELL, materials選擇所建的材料Ml，在編輯中下的T中輸入車架的厚度值，為空壓機車架上各部件選擇相應的厚度值；
7、模型修正:在tool中，應用faces和normals檢查有限元模型是否存在重復面以及法線是否一致，對出現(xiàn)的不一致情況進行修正；
8、施加邊界條件及載荷分布
選擇在Analysis中的constrains對車架起吊處設置為約束6個自由度,命名為conl ；
在ID中利用rigids來約束模型上所安裝的零件，如發(fā)動機、冷卻器、油箱等；并在建立好的RBE2上施加質(zhì)量塊，并將各零件質(zhì)量添加在ID中的masses中，命名為massl ；
在load collectors中設置其Ig垂直向下重力加速度；Card image選擇GRAV,編輯其數(shù)值分別為，G=9800、N1=0、N2=0、N3=-1，命名為Gl ；
在Analysis中的1adsteps建立計算工況，type選擇linear static, SPC選擇所建的conl, LOAD選擇Gl,命名為dis_l ；
9、有限元分析:利用上述步驟建立的有限元模型，在NX-NASTRAN中使用“SESTATIC101-多約束”線性求解器進行有限元分析計算，得到應力云圖；
10、應力云圖中較大應力區(qū)域設為電測區(qū)域，對空壓機車架實體的電測區(qū)域進行預處理后貼上應變片，將應變片與DH3816靜態(tài)應變測試系統(tǒng)進行連接；
11、對貼片完畢后的空壓機車架實體進行起吊試驗，起吊工況為Ig自重垂直起吊工況，落地時平衡采樣，起吊后進行測試并記錄電測試驗數(shù)據(jù)；
12、將電測試驗數(shù)據(jù)與應力云圖中對應電測區(qū)域的應力值進行對比，二者誤差位于誤差范圍內(nèi)，且應力云圖中未出現(xiàn)超出屈服強度的應力區(qū)域，因此可以判斷該空壓機車架符合該工況下的質(zhì)量要求。
[0020]二、4g自重垂直起吊工況非線性靜力分析:
1、在Hypermesh中導入預設好的空壓機車架模型kyjcj.stp ；
2、劃分網(wǎng)格:網(wǎng)格大小為5_;并對網(wǎng)格質(zhì)量進行檢查；
3、對車架模型進行模擬焊接與連接；
4、對材料屬性進行設定:其中起吊架采用管狀結構，所用材料為20號鋼，其出廠狀態(tài)下的屈服應力為220Mpa，最小抗拉強度為360Mpa，彈性模量2.1 X IO5Mpa,泊松比為0.3，密度為7.8g/cm3 ;本車架是金屬結構焊接件，所用材料為Q235-B，其出廠狀態(tài)下的屈服應力為355MPa，最小抗拉強度為455Mpa，彈性模量2.1 X IO5Mpa,泊松比為0.3，密度為7.8g/cm3 ；
5、對空壓機車架材料進行設定:在materials中定義材料,命名為Ml,其中type選擇ISOTROPIC, card image選擇ΜΑΤΙ，在編輯下輸入各個參數(shù)值，E為2.le+5、NU為0.3、RHO為 7.8e-9，在 MATSl 中，type 選擇 PLASTIC、UMITl 數(shù)值為 220Mpa ；
6、建立屬性組:在properties 中，type 選擇 2D, card image 選擇 PSHELL, materials選擇所建的材料M1，在編輯中下的T中輸入車架的厚度值，為空壓機車架上各部件選擇相應的厚度值；
7、模型修正:在tool中，應用faces和normals檢查有限元模型是否存在重復面以及法線是否一致，對出現(xiàn)的不一致情況進行修正；
8、施加邊界條件及載荷分布
選擇在Analysis中的constrains對車架起吊處設置為約束6個自由度,命名為conl ；
在ID中利用rigids來約束模型上所安裝的零件，如發(fā)動機、冷卻器、油箱等；并在建立好的RBE2上施加質(zhì)量塊，并將各零件質(zhì)量添加在ID中的masses中，命名為massl ； 在load collectors中設置其4g垂直向下重力加速度；Card image選擇GRAV,編輯其數(shù)值分別為，G=39200、Nl=O、N2=0、N3=-1，命名為 G4 ；
在Analysis中的1adsteps建立計算工況,type選擇nonlinear static, SPC選擇所建的conl, LOAD選擇G4，命名為dis_l ；
9、有限元分析:利用上述步驟建立的有限元模型，在NX-NASTRAN中使用“NLSTATIC106”非線性求解器進行有限元分析計算，得到應力云圖；
10、應力云圖中較大應力區(qū)域設為電測區(qū)域，對空壓機車架實體的電測區(qū)域進行預處理后貼上應變片，將應變片與DH3816靜態(tài)應變測試系統(tǒng)進行連接；
11、對貼片完畢后的空壓機車架實體進行起吊試驗，起吊工況為Ig自重垂直起吊工況，落地時平衡采樣，起吊后進行測試并記錄電測試驗數(shù)據(jù)，將電測試驗數(shù)據(jù)乘以4，預估得到4g自重垂直起吊工況下的電測試驗數(shù)據(jù)；
12、將后者電測試驗數(shù)據(jù)與應力云圖中對應電測區(qū)域的應力值進行對比，二者誤差位于誤差范圍內(nèi)，且應力云圖中未出現(xiàn)超出屈服強度的應力區(qū)域，因此可以判斷該空壓機車架符合該工況下的質(zhì)量要求。
[0021]三、1.5g縱向傾斜-15°起吊工況，即重力施加位置在整體坐標軸的方向與-Z軸夾角為15°，與-Y軸夾角75°:
1、在Hypermesh中導入預設好的空壓機車架模型kyjcj.stp ；
2、劃分網(wǎng)格:網(wǎng)格大小為5_;并對網(wǎng)格質(zhì)量進行檢查；
3、對車架模型進行模擬焊接與連接；
4、對材料屬性進行設定:其中起吊架采用管狀結構，所用材料為20號鋼，其出廠狀態(tài)下的屈服應力為220Mpa，最小抗拉強度為360Mpa，彈性模量2.1 X IO5Mpa,泊松比為0.3，密度為7.8g/cm3 ;本架和牽引架是沖壓鋼板焊接件，所用材料為Q235-B，其出廠狀態(tài)下的屈服應力為355MPa，最小抗拉強度為455Mpa，彈性模量2.1 X IO5Mpa,泊松比為0.3，密度為
7.8g/cm3 ；
5、對空壓機車架材料進行設定:在materials中定義材料,命名為Ml,其中type選擇ISOTROPIC, card image選擇ΜΑΤΙ，在編輯下輸入各個參數(shù)值，E為2.le+5、G為8.le+4、NU 為 0.3、RHO 為 7.8e-9 ；
6、建立屬性組:在properties 中，type 選擇 2D, card image 選擇 PSHELL, materials選擇所建的材料M1，在編輯中下的T中輸入車架的厚度值，為空壓機車架上各部件選擇相應的厚度值；
7、模型修正:在tool中，應用faces和normals檢查有限元模型是否存在重復面以及法線是否一致，對出現(xiàn)的不一致情況進行修正；
8、施加邊界條件及載荷分布
選擇在Analysis中的constrains對車架起吊處設置為約束6個自由度,命名為con2 ；
在ID中利用rigids來約束模型上所安裝的零件，如發(fā)動機、冷卻器、油箱等；并在建立好的RBE2上施加質(zhì)量塊，并將各零件質(zhì)量添加在ID中的masses中，命名為massl ；
在load collectors中設置其1.5g垂直向下重力加速度；Card image選擇GRAV,編輯其數(shù)值分別為，G=14700、Ν1=0、Ν2=-0.260、Ν3=-0.966，命名為 Gl.5g (-Y);
在Analysis中的1adsteps建立計算工況，type選擇linear static, SPC選擇所建的 con2, LOAD 選擇 Gl.5g (_Y)，命名為 dis-l.5g (_Y)；
9、有限元分析:利用上述步驟建立的有限元模型，在NX-NASTRAN中使用“SESTATIC101-多約束”線性求解器進行有限元分析計算，得到應力云圖；
10、應力云圖中較大應力區(qū)域設為電測區(qū)域，對空壓機車架實體的電測區(qū)域進行預處理后貼上應變片，將應變片與DH3816靜態(tài)應變測試系統(tǒng)進行連接；
11、對貼片完畢后的空壓機車架實體進行起吊試驗，起吊工況為Ig縱向傾斜-15°起吊工況，落地時平衡采樣，起吊后進行測試并記錄電測試驗數(shù)據(jù)，將電測試驗數(shù)據(jù)乘以1.5，預估得到1.5g縱向傾斜-15°起吊工況下的電測試驗數(shù)據(jù)；
12、將后者電測試驗數(shù)據(jù)與應力云圖中對應電測區(qū)域的應力值進行對比，二者誤差位于誤差范圍內(nèi)，且應力云圖中未出現(xiàn)超出屈服強度的應力區(qū)域，因此可以判斷該空壓機車架符合該工況下的質(zhì)量要求。
[0022]以上實施例為本發(fā)明7種工況中的具有典型代表的3種，其他工況下的評估方法與上述方法步驟類似，僅為相應具體參數(shù)上的變化；最后，綜合考慮7種工況下的分析與測試結果，本實施例中使用的空壓機車架結構符合質(zhì)量要求。
【權利要求】
1.一種空壓機車架結構評估方法，其特征在于包括以下步驟: A、建立空壓機車架有限元模型，并設定材料屬性、載荷、約束條件； B、對有限元模型在自重垂直起吊工況、縱向傾斜起吊工況、橫向傾斜起吊工況下進行有限元分析，得到相應工況應力云圖； C、各應力云圖上應力較大的區(qū)域設為電測區(qū)域，選擇自重垂直起吊工況、縱向傾斜起吊工況、橫向傾斜起吊工況中易于實際進行的工況，對空壓機車架實體上電測區(qū)域進行電測試驗； D、對電測試驗結果與有限元分析結果進行對比，評估有限元分析結果與實際測試的誤差范圍，若誤差在允許范圍內(nèi)，則有限元模型及評估方法建立成功，進行全面評估；若誤差超出允許范圍，則返回步驟A重新進行。
2.如權利要求1所述的空壓機車架結構評估方法，其特征在于: 所述的自重垂直起吊工況，包括起吊加速度為Ig的自重垂直起吊工況，起吊加速度為2g的自重垂直起吊工況，起吊加速度為4g的自重垂直起吊工況； 所述的縱向傾斜起吊工況，包括起吊加速度為1.5g、縱向傾斜+15°起吊工況，起吊加速度為1.5g、縱向傾斜-15°起吊工況； 所述的橫向傾斜起吊工況，包括起吊加速度為1.5g、橫向傾斜+15°起吊工況，起吊加速度為1.5g、橫向傾斜-15°起吊工況。
3.如權利要求2所述的空壓機車架結構評估方法，其特征在于: 所述對起吊加速度為4g的自重垂直起吊工況下的有限元分析類型為非線性靜力分析。
4.如權利要求2所述的空壓機車架結構評估方法，其特征在于:所述自重垂直起吊工況模擬過程中，在空壓機車架有限元模型中的起吊架頂部約束全部自由度，通過有限元分析求出各垂直起吊工況下各關鍵部位的位移與應力情況，計算出該工況下車架最大應力，找出應力較大的區(qū)域。
5.如權利要求2所述的空壓機車架結構評估方法，其特征在于:所述縱向傾斜起吊工況模擬過程中，在空壓機車架有限元模型中的起吊架頂部約束全部自由度，通過有限元分析求出各縱向傾斜起吊工況下各關鍵部位的位移與應力情況，計算出該工況下車架最大應力，找出應力較大的區(qū)域。
6.如權利要求2所述的空壓機車架結構評估方法，其特征在于:所述橫向傾斜起吊工況模擬過程中，在空壓機車架有限元模型中的起吊架頂部約束全部自由度，通過有限元分析求出各縱向傾斜起吊工況下各關鍵部位的位移與應力情況，計算出該工況下車架最大應力，找出應力較大的區(qū)域。
7.如權利要求1所述的空壓機車架結構評估方法，其特征在于:所述的步驟D中，有限元模型及評估方法建立成功后，進行全面評估是指有限元分析中出現(xiàn)了應力超出屈服強度或應力值接近屈服強度的區(qū)域，則證明空壓機車架結構不符合質(zhì)量要求，否則證明空壓機車架結構符合質(zhì)量要求。
【文檔編號】G06F17/50GK103793554SQ201310732025
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年12月26日 優(yōu)先權日:2013年12月26日
【發(fā)明者】尹輝俊, 劉媛媛, 莫翔明, 孫釗, 李峰, 王新宇 申請人:廣西科技大學, 柳州福臻車體實業(yè)有限公司, 尹輝俊, 莫翔明