根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件備胎架進(jìn)行了實(shí)體參數(shù)化建模、裝配、干涉檢查和運(yùn)動(dòng)仿真，對關(guān)鍵件進(jìn)行了有限元分析，并將優(yōu)化沒計(jì)好的零件生成全相關(guān)的二維工程圖。油田專用車備胎架通過，螺栓與車架縱梁上、翼板相連接，兩側(cè)各安裝一個(gè)15.5-20備胎。

1 參數(shù)化建模

借助SolidWoIks基于特征的實(shí)體建模功能，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣、抽殼、筋、鏡像以及打孔等操作來實(shí)現(xiàn)備胎架（圖1）的三維實(shí)體參數(shù)化建模。SolidWorksI作窗口左側(cè)的FeatureManager設(shè)計(jì)樹提供了零件模型的大綱視圖，完整記錄了設(shè)計(jì)過程，從中能了解設(shè)計(jì)思路，方便查看零件模型的生成情況，并可通過對特征和草圖的修改實(shí)現(xiàn)對零件模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)修改。

2 裝及動(dòng)態(tài)仿真

備胎架的各個(gè)零件模型設(shè)計(jì)好后，運(yùn)用裝配關(guān)系把各個(gè)零部件組合成備胎架總成（圖2）。裝配關(guān)系定制好之后，零件及裝配總成之間的尺寸參數(shù)、幾何形狀將會(huì)自動(dòng)完全相關(guān)。在裝配的環(huán)境里，司以設(shè)計(jì)和修改零部件，進(jìn)行零件之間進(jìn)行的配合加工，如：零件的切除、打孔等；可以動(dòng)態(tài)地查看裝配體的所有運(yùn)動(dòng)，并能將裝配體的運(yùn)動(dòng)過程生成動(dòng)畫文件；可以對運(yùn)動(dòng)的零部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)的干涉檢查，同日寸提供一個(gè)干涉零部件的名稱列表，并在圖形區(qū)域中干涉會(huì)高亮顯示；還可以提供爆炸視圖（圖3）、質(zhì)量屬性、截面屬性等。

3 限元分析

利用SolidWorks提供的有限元分析工具Cosmosxpress，在滿足線性假設(shè)、彈性假設(shè)的條件下，使用線性靜態(tài)分析來計(jì)算零件中的應(yīng)力。采用四面體單元列備胎架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的大小可根據(jù)需要確定。網(wǎng)格劃分越小，結(jié)果越精確，但所需的計(jì)算機(jī)資源和時(shí)間也更多。

3.l備胎架有限元分析

根據(jù)備胎架的結(jié)構(gòu)與工作特點(diǎn)，對其進(jìn)行力學(xué)分析，確定邊界約束條件和載荷狀態(tài)，對其進(jìn)行指定材料、約束設(shè)定、加載、網(wǎng)格劃分，再進(jìn)行解算和分析。

備胎架主要結(jié)構(gòu)都采用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235-A，材料的屈服極限σs在235MPa以上。安全系數(shù)取1.4，因此許用應(yīng)力為：=235/1.4=168MPa。

車輛處于緊急制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，備胎架將出現(xiàn)最惡劣的工況。分析時(shí)，對備胎架下端的8個(gè)連接孔進(jìn)行約束，對備胎架擋板處施加制動(dòng)慣性力。該工況下的最大制動(dòng)減速度參考試驗(yàn)數(shù)據(jù)為6m/s2，故制動(dòng)慣性力應(yīng)為：F=2×m×a=2×180×6=2160N，式中m為備胎質(zhì)量；a為制動(dòng)減速度。

計(jì)算結(jié)果顯示該工況下的最大應(yīng)力為50.6MPa（圖4），小于材料的許用應(yīng)力，位于備胎架底部加強(qiáng)筋板與底板連接處。最大變形為0.26mm（圖5），位于備胎架擋板邊緣。

3.2備胎架的優(yōu)化

根據(jù)輕量化設(shè)計(jì)要求，對依據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的備胎架進(jìn)行了優(yōu)化。表1為備胎架優(yōu)化前后板材參數(shù)對照表。通過調(diào)整板材的厚度后，備胎架主要性能參數(shù)變化見表2，結(jié)果表明，優(yōu)化效果是十分明顯的，經(jīng)過優(yōu)化各胎架總質(zhì)量減少35.5%，優(yōu)化后，計(jì)算結(jié)果顯示備胎架在緊急制動(dòng)工況下的最大應(yīng)力為147MPa（圖6），小于材料的許用應(yīng)力，仍然滿足使用要求。

3.3計(jì)算誤差分析

計(jì)算的誤差主要由兩個(gè)方面的原因造成。

3.3.1約束類型產(chǎn)生的誤差

該誤差產(chǎn)生的原因是SolidWorks軟件提供的是全自由度約束，與零件的實(shí)際工作情況有些差異。計(jì)算的結(jié)果容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，造成零部件應(yīng)力集中部位應(yīng)力值比實(shí)際值要大。

3.3.2建立力學(xué)模型產(chǎn)生的誤差

該誤差產(chǎn)生的主要原因是在對各種工況進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)與實(shí)際情況不一致。該誤差的產(chǎn)生往往與計(jì)算任務(wù)要求、計(jì)算手段的局限等因素有關(guān)。本次計(jì)算主要是針列備胎架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，偏重于靜態(tài)計(jì)算，雖然也進(jìn)行了緊急制動(dòng)等動(dòng)態(tài)工況的計(jì)算（施加慣性力），但這和完全的動(dòng)態(tài)分析在理論方法和手段上是不完全相同的。盡管如此，我們還是司以根據(jù)靜態(tài)計(jì)算的結(jié)果估算動(dòng)態(tài)的情況，本文采用了汽車設(shè)計(jì)中常用的動(dòng)載系數(shù)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)估算。

4 二維程圖

使用SolidWorksI程圖模塊，可以將設(shè)討好的零件直接生成二維工程圖，并可以轉(zhuǎn)化成autocad圖紙，工程圖是全相關(guān)的，修改圖紙時(shí)，三維模型、各個(gè)視圖、裝配體都會(huì)自動(dòng)更新。

（轉(zhuǎn)載）