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隨著國內(nèi)對(duì)煤層氣、頁巖氣資源的開采和原有油氣田挖潛增產(chǎn)措施的不斷推進(jìn)，大型數(shù)控壓裂成套設(shè)備成為必需品，壓裂車的研究成為關(guān)鍵技術(shù)之一。壓裂車承受重載沖擊的原因主要是行駛道路的顛簸崎嶇和大泵工作下的劇烈振動(dòng)，其中彎曲載荷是由壓裂車上裝設(shè)備的垂直載荷產(chǎn)生，扭轉(zhuǎn)載荷是壓裂車經(jīng)過凹凸路面時(shí)車輪被抬起產(chǎn)生的對(duì)車架的扭轉(zhuǎn)力，縱向載荷是加速或制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力，橫向載荷是由轉(zhuǎn)彎時(shí)車輪受到的離心力產(chǎn)生；因此，對(duì)車架的靜動(dòng)態(tài)有限元分析及校核顯得尤為重要。國內(nèi)外對(duì)車架強(qiáng)度相關(guān)研究不夠全面，對(duì)車架在極限靜態(tài)載荷下的失效表現(xiàn)形式進(jìn)行了討論；Kazuo等對(duì)利用有限元靜態(tài)強(qiáng)度分析結(jié)果指導(dǎo)車架設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了介紹，這些靜態(tài)分析內(nèi)容只有1種或幾種載荷類型；文獻(xiàn)提到了壓裂車底盤性能匹配的指標(biāo)和影響因素；文獻(xiàn)的2500型壓裂車疲勞分析與預(yù)測(cè)只提到道路和大泵工作下的2種工況；文獻(xiàn)的3000型壓裂車雖然分析了5種工況，但由于壓裂車使用環(huán)境較為惡劣，工況極其復(fù)雜，不能比較全面地代表各種復(fù)雜工況。為此，對(duì)滿載彎曲、緊急制動(dòng)、緊急轉(zhuǎn)彎、滿載扭轉(zhuǎn)、大泵中壓沖擊、大泵高壓沖擊等6種工況進(jìn)行了有限元分析，并通過比較各工況下的應(yīng)力大小及危險(xiǎn)部位，針對(duì)性地為壓裂車車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的改進(jìn)提供依據(jù)。
車架模型采用Pro/E三維建模實(shí)現(xiàn)，并無縫鏈接到ANSYS中，車架材料為16MnL，泊松比為0.31，彈性模量為212GPa，密度為7870kg/mm3。主副車架單元類型為shell181，懸架采用彈簧單元模擬，其余實(shí)體設(shè)置為solid186，采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元和20節(jié)點(diǎn)六面體單元?jiǎng)澐钟邢拊W(wǎng)格困。考慮到車架結(jié)構(gòu)比較龐大、復(fù)雜，故對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化：忽略螺栓連接以及鉚接的影響；忽略車架附屬連接構(gòu)件;主要分析車架主體、上裝設(shè)備支撐架、連接件、襯板等關(guān)鍵部位；車架焊接部位的影響暫不考慮，用固定連接代替。在幾何清理中，合并小面、忽略對(duì)結(jié)構(gòu)無影響的局部倒角，避免局部小特征造成不必要的網(wǎng)格劃分困難。選取合適的單元尺寸， 10-15mm，劃分出的單元總數(shù)為15萬3288個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為50萬1969個(gè)，劃分網(wǎng)格模型如圖所示。邊界條件設(shè)置如下：在結(jié)構(gòu)計(jì)算中，邊界條件就是已知的位移、載荷激勵(lì)等約束條件；為保證求解模型的收斂性、有效性，對(duì)車架輪胎簡(jiǎn)化為固定約束，懸架模擬成spring彈簧，前懸架剛度為256N/mm，后平衡懸架剛度為425N/mm，限制懸架的水平方向上的位移，垂直方向的位移設(shè)置為自由；車架上端設(shè)備作為集中力的形式加載到車架相應(yīng)部位，滿足力學(xué)方程及矩陣的求解邊界條件。將車載設(shè)備簡(jiǎn)化為水箱風(fēng)扇、傳動(dòng)箱、大泵、發(fā)動(dòng)機(jī)、駕駛室?guī)讉�(gè)質(zhì)量較大的部件。簡(jiǎn)化后的質(zhì)量分布情況(滿載永久受力載荷)如表所示。
結(jié)合壓裂車的實(shí)際工況，道路行駛需要經(jīng)歷滿載彎曲、緊急制動(dòng)、緊急轉(zhuǎn)彎、滿載扭轉(zhuǎn)工況，壓裂工作主要是大泵中壓沖擊、大泵高壓沖擊工況。壓裂車使用環(huán)境較為惡劣，工況極其復(fù)雜，為方便計(jì)算將所有情況歸類為以下6種工況。1)滿載彎曲工況。滿載彎曲情況下用來計(jì)算壓裂車滿載低速行駛時(shí)的應(yīng)力分布情況，在18°斜坡行駛工況下，其動(dòng)載系數(shù)選取為1.2-1.5。2)滿載扭轉(zhuǎn)工況。在大扭曲路面行駛時(shí)，設(shè)定壓裂車通過某一垂直高度障礙物，某一或某側(cè)車輪懸空，其余車輪保持觸地。考慮動(dòng)載荷問題，設(shè)置動(dòng)載荷系數(shù)為1.5，參考依據(jù)見文獻(xiàn)滿載制動(dòng)工況。行駛過程中因?yàn)槁窙r的改變需要進(jìn)行加速或制動(dòng)，導(dǎo)致慣性力的產(chǎn)生，慣性力的作用將使得車架承受和行駛方向相反的縱向載荷力，物探車較大的車身及載重即使在加速度較小的情況下依然能產(chǎn)生較大的沖擊載荷。假設(shè)在車架縱向施加19.8m/s2的減速度，動(dòng)載系數(shù)為1.5，參考依據(jù)見文獻(xiàn)滿載轉(zhuǎn)彎工況。此工況用來模擬壓裂車的轉(zhuǎn)彎性能，由于車身及車載設(shè)備的質(zhì)量較大，車架在轉(zhuǎn)彎時(shí)受到的側(cè)向離心力仍然較大。在轉(zhuǎn)彎時(shí)假定其車輛橫向加速度為7.8m/s2，動(dòng)載系數(shù)為1.5，參考依據(jù)見文獻(xiàn)，大泵中、高壓沖擊工況。三缸泵對(duì)車架的橫向沖擊載荷譜通過ADAMS仿真獲得，三缸泵仿真模型見圖204擋大泵橫向沖擊載荷譜見圖308擋大泵橫向沖擊載荷譜見圖404擋轉(zhuǎn)速為124r/min，仿真時(shí)間為0.5s；8擋轉(zhuǎn)速為300r/min，仿真時(shí)間為0.2s，即往復(fù)泵的一個(gè)工作循環(huán)，仿真類型為動(dòng)力學(xué)仿真。
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