霍凌云 孙明军
辽宁陆平机器股份有限公司 辽宁 铁岭112001
摘要：本文详细地介绍了应用Abaqus有限元分析工具，对特种天线车辆——工作平台总成工作状态承受各风力等级时工作平台总成的变形和应力分布的分析，我们采用有限元分析的方法，对工作平台总成在要求的风力等级进行了详细分析。经过进行工作平台总成的强度分析，对Abaqus有限元分析法在特种天线车辆工作平台总成中的作用、使用方法有了更进一步认识。
关键词：工作平台总成；优化工作平台结构；有限元分析；ABAQUS/CAE
在机械结构设计中，对所设计的产品结构进行有限元建模分析，理论得到产品在实际工况中的应力、形变情况。有限元分析方法在各领域得到了广泛应用，在特种产品设计中必须进行各种环境工况下模拟分析计算，通过分析计算减少了产品的设计和分析循环周期，同时也优化了产品的结构，提高了结构的合理性，降低了产品设计成本。有限元分析通过建立模型起到 “虚拟样机” 的作用，在一定程度上可以采信各种性能指标，替代传统设计中资源消耗极大的“物理样机验证设计”过程，虚拟样机作用能预测产品在整个生命周期内的安全性和可靠性，在产品在试制之前通过分析将其潜在的不足进行优化，另外，通过模拟各工况下的试验得出试验的结果，为产品最终试验提供依据，也减少了试验时间和费用。通过分析优化设计，产品得到了最佳的设计方案，提高了产品的质量、降低了产品成本。而Abaqus被广泛地认为是功能最强大的基于有限元方法的机械工程模拟软件，其强大的分析能力和模拟复杂结构的可靠性使得在各个行业领域被广泛采用。
1工作平台总成简介
工作平台总成承载部分主要由汽车底盘大梁总成、工作平台、基座、翻转支座、电动调平系统、液压系统、行车锁定机构和工作锁定机构等组成，主要用于运输、承载天线设备工作，天线设备固定在翻转支座上，通过液压系统俯仰油缸的展开和收拢使天线设备处于工作或行车状态，各状态通过锁定机构安全锁定。天线设备工作时工作平台总成的四个电动调平撑腿展开且自动调平。
2 工作平台总成技术要求
工作平台总成应满足下列刚强度要求：
1)工作状态下，风速25m/s时，天线承受水平风力6300N，倾覆力矩14000Nm，基座安装面变形≤0.5mm。
2)工作状态下，风速35m/s时，天线承受水平风力9200N，倾覆力矩23000Nm，平台总成不破坏。
3)加载方向：水平360°范围。
3工作平台总成结构及计算模型
在建立工作平台总成计算模型时对模型进行优化，主要为底盘大梁总成、工作平台、两个基座、天线翻转支座，对于那些非承力件如调平系统、液压系统和花纹板等直接略去。另外在翻转支座上方设置模拟天线，上端位置等同于天线设备的重心位置，以便施加风载荷。
4 工作平台总成强度分析
使用Abaqus/CAE软件进行有限元计算分析，模型采用四面体二次减缩积分实体单元C3D10，具有较高计算精度，能够满足设计方案的计算精度要求，其详细步骤如下：
1）创建部件，打开Abaqus后将建好的三维模型导入，单击主菜单中的文件－导入－部件－选中已建好的三维模型。
2）创建材料和截面属性 在窗口的左上角模块列表中选择属性功能模块。
a )创建材料
点击左侧工具区中的创建材料命令，在编辑材料栏中设置通用→密度值为7800；再设置力学→弹性→弹性，杨氏模量为200e9，泊松比为0.3，然后确定。
b )创建截面 点击左侧工具区中的创建截面命令，类别选实体，类型为均质后点继续，编辑截面工具栏中材料选择刚才创建的材料后确定。
c )指派截面 点击左侧工具区中的指派截面命令后直接点完成。
3）定义装配件 在窗口的左上角模块列表中选择装配功能模块，点击将部件实例化后弹出的对话框采用默认设置后确定。
4）设置分析步 在窗口的左上角模块列表中选择分析步功能模块，点击创建分析步命令，在弹出的对话框中输入名称后各参数保持不变，点继续键，再弹出的窗口参数仍采用默认值确定。
5）载荷和约束施加方法
方位360°范围内，按表1需分别计算两个风速环境，每个风速环境施加倾覆拉力集中载荷分5个角度工况，分别为0°、45°、90°、135°和180°。将支腿脚部位置分别在X、Y、Z方向施加固定约束，形成球铰约束。计算时如发现竖直方向支反力为负值，则将此处该方向约束去除。如水平支反力大于摩擦力，也将此方向约束去除。
重量载荷按各设备重量及质心位置施加集中载荷。
平台上方加载点用来施加模拟风载荷。加载点离地4m。
载荷和约束施加方法见图1。
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5 划分网格
1)、点击指派网格控制属性命令，框选部件，在弹出的对话框中单元形状选择四面体后其余采用默认值后确定。
2)、点击种子部件命令，在弹出的对话框中近似全局尺寸设定为0.05，其余值默认，确定。
3)、选择为部件划分网格命令→点“是”按扭。
6 提交分析作业
选择作业模块，点击左侧工具区中的创建作业命令，输入作业名字后点继续，在弹出的对话框中点提交，运行后点结果，自动进入可视化化界面。
计算25m/s风速的载荷，对不同风向时工作平台变形进行计算，当向后方45°方向（135°）施加风载时工作平台变形最大，计算结果见云图2。
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图2 25m/s风速图（后方45°方向）变形云图
从云图上不难看出基座安装面变形为0.4mm，故满足不大于0.5毫米的技术要求。
同样方法进行35m/s风速环境分析计算，工作平台上最大应力243MPa，位于基座旁纵梁位置，按材料屈服强度700MPa计算，强度安全系数大于2，满足刚强度要求；基座和翻转支座上最大应力248MPa，位于锁销支耳部位，按材料屈服强度700MPa计算，强度安全系数大于2，满足刚强度要求。
综上所述，通过有限元的分析计算，工作平台总成的结构设计方案能满足承重和抗风载的刚强度要求。
3结束语
Abaqus使用起来十分简便，可以很容易地为复杂问题建立模型，为部件定义材料属性、载荷、边界条件等模型参数，在分析过程中只需调整这些参数值，就能得到精准的计算。根据分析计算的结果，能够准确的知道设计方案是否满足技术要求，指导进行结构优化，根据计算数据对产品的方案进行优化设计，这样大大提高了产品的设计质量和设计周期。