礦用自卸車車架的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計

彭國譜，賀翔，唐華平，姜永正

（1. 湘電重型裝備股份有限公司，湖南湘潭411100；2. 中南大學機電工程學院，湖南長沙410083）

礦用自卸車車架的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計

彭國譜1，賀翔2，唐華平2，姜永正2

（1. 湘電重型裝備股份有限公司，湖南湘潭411100；2. 中南大學機電工程學院，湖南長沙410083）

根據(jù)某大型礦用自卸車車架的結(jié)構(gòu)樣式，建立了車架的有限元模型，并采用慣性釋放法計算出不同工況下的車架應(yīng)力分布情況。同時，對礦山上運行的礦車車架進行了應(yīng)力測試。對比車架應(yīng)力分布的實驗結(jié)果和仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)車架的應(yīng)力誤差基本上控制在10%以內(nèi)，從而驗證了有限元分析車架應(yīng)力的有效性。為了改善車架的性能，設(shè)計了車架拓撲結(jié)構(gòu)，并通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到了可靠的車架結(jié)構(gòu)，最后通過仿真分析驗證了改進后的車架性能有了大幅度提高。

有限元模型；應(yīng)力分布；慣性釋放法；拓撲結(jié)構(gòu)

0 引言

車架作為自卸車的重要承載部分，其承載性能和動力學性能決定了自卸車結(jié)構(gòu)的可靠性[1]。電動輪自卸車的質(zhì)量較大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，運載量較大，行駛環(huán)境較惡劣，因而工作時車架易發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)等形變。若長期處于惡劣的工作環(huán)境下，則會加大自卸車車架焊縫開裂的可能性。

由于礦用自卸車載重量巨大，車架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且運行工況復(fù)雜，這使得整個自卸車車架結(jié)構(gòu)的設(shè)計非常困難[2-3]。礦車設(shè)計人員主要采用經(jīng)典的彈性力學理論并結(jié)合自身經(jīng)驗，對自卸車車架進行設(shè)計和校核，常通過對應(yīng)力大的位置進行剛度加強以提高車架性能，并通過車輛在礦山的工作情況來檢驗設(shè)計[4-7]。這樣的開發(fā)過程不僅效率低、投入大，并且無法獲得最優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

有限元分析法是使用有限元方法來分析靜態(tài)或動態(tài)的物理物體或物理系統(tǒng)的數(shù)值分析方法，其應(yīng)用廣泛且實用高效[8]。采用有限元分析法對自卸車車架進行工況模擬分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以節(jié)省大量的試驗成本和設(shè)計周期。

本文擬以國家高新技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）中的“大噸位電動輪自卸車”為研究對象，對某大型復(fù)雜承載構(gòu)件自卸車車架進行復(fù)雜工況下的計算分析，以得到車架在不同工況下的應(yīng)力。同時，對車架進行不同工況下的應(yīng)力實驗，并且將實驗結(jié)果與有限元分析結(jié)果進行比較，通過判斷車架有限元分析結(jié)果是否與實際情況一致，以確定有限元分析方法的有效性。最后，采用優(yōu)化技術(shù)對該重型礦車車架進行全局拓撲設(shè)計，以改善整個車架的承載性能，使車架應(yīng)力分布均勻化，以便為以后的車架設(shè)計提供一定的理論參考依據(jù)。

1 車架有限元分析

1.1 車架模型簡化

在整車環(huán)境下，大型復(fù)雜承載構(gòu)件自卸車車架與懸掛系統(tǒng)等部件相連接，并且承載了駕駛室、控制柜箱、液壓油箱、燃油箱車廂和載重部件的質(zhì)量。在有限元模型中，應(yīng)當把承載的部件添加到車架上，而對于車廂、駕駛室、動力總成等大構(gòu)件，應(yīng)忽略某些具體結(jié)構(gòu)特征（如車架中的開口、孔、翻邊和凸臺、倒角圓角結(jié)構(gòu)等具體特征），采用等效質(zhì)量點代替， 簡化后的自卸車車架幾何模型如圖1所示。

圖1 簡化后的車架幾何模型Fig.1The simplified frame geometric model

圖1中，Z-1為A型架樞軸加載處，Z-2為前拉桿樞軸加載處，Z-3為左前懸加載處，Z-4為右前懸加載處，Z-5為軸箱樞軸加載處，Z-6為左后懸加載處，Z-7為后拉桿樞軸加載處，Z-8為右后懸加載處，O-1為駕駛室質(zhì)心，O-2為動力模塊質(zhì)心，O-3為電阻制動箱質(zhì)心，O-4為控制柜箱質(zhì)心，O-5為液壓油箱質(zhì)心，O-6為燃油箱質(zhì)心，O-7為車廂和載重質(zhì)心。

1.2 單元選擇和網(wǎng)格劃分

承載構(gòu)件自卸車車架模型主要由板件組成，對于厚度相對其長度和寬度很小的板以shell單元進行模擬，可通過實參數(shù)設(shè)置板件厚度；其余實體部件采用solid單元模擬；車架的懸架結(jié)構(gòu)用一維彈簧彈元spring進行模擬；車架承載的大型零部件，用一維質(zhì)量單元MASS模擬；車架承載件與車架的連接部分用rbe3單元進行模擬，rbe3單元能將質(zhì)量和能量分散傳遞到連接部位接點上；車架的軸連接部位采用rigid單元進行模擬。車架的材料屈服極限為345 MPa，密度為7 800 kg/m3，彈性模量為2×1011Pa。

定義好材料和單元后，就可對車架進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格的質(zhì)量對計算精度的影響非常大，因此要對劃分好的有限元模型的二維單元在翹度、縱橫比、弦差、扭曲角等方面，三維單元在體積扭曲、塌陷比等方面，反復(fù)進行質(zhì)量檢查和修改，直至網(wǎng)格劃分滿足要求。滿足要求后的車架被劃分成總單元數(shù)目為238 404個，其中1D單元為15個，2D單元為152 262個，3D單元為86 127個。網(wǎng)格劃分后的車架有限元模型如圖2所示。

圖2 車架的有限元模型Fig.2The frame finite model

1.3 運行工況

自卸車的運行工作路況多樣，本研究中僅模仿自卸車在上下坡彎道路段的行駛過程，將自卸車起步加速過程設(shè)為工況2，勻速行駛過程設(shè)為工況1，制動停車過程設(shè)為工況3，在行駛過程中上坡、下坡行駛分別設(shè)為工況4和工況5，左右轉(zhuǎn)彎行駛時分別設(shè)為工況6和工況7，具體的運行工況與相應(yīng)載荷如表1所示。

表1 運行工況Table 1Operating conditions

1.4 數(shù)值分析

本研究中，采用慣性釋放方法對車架的應(yīng)力情況進行數(shù)值分析。慣性釋放法的原理，是先將不平衡外力作用下的結(jié)構(gòu)運動計算出來，并且通過施加慣性力來構(gòu)造一個平衡力系，使車架處于一個靜平衡狀態(tài)下，然后求解出車架的應(yīng)力情況。采用慣性釋放方法，在有限元分析時不需要定義車架邊界約束，因而可以消除車架支座約束帶來的誤差，使車架有限元分析更加準確。自卸車車架模型的靜力平衡方程如下：

對所設(shè)定的各工況進行求解分析，得到車架各個工況下的應(yīng)力分布仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 各工況下的車架應(yīng)力分布圖Fig.3The stress distribution under different operating conditions

分析圖3所示自卸車車架在各運行工況下的應(yīng)力分布仿真結(jié)果，可以知道工況4、工況6、工況7，即礦車處于上坡、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎行駛時，車架的應(yīng)力偏大，其中右轉(zhuǎn)彎時達到217.9 MPa，但是未超過車架的屈服極限（345 MPa）；而其它幾種工況下，車架的應(yīng)力值均小于200 MPa。

1.5 現(xiàn)場測試

選用應(yīng)變測試系統(tǒng)、信號采集分析軟件、計算機、45°應(yīng)變片、貼片用膠、防潮用膠等工具，對礦山上運行的礦車進行了應(yīng)力應(yīng)變測試。在應(yīng)力應(yīng)變測量時，測點的選擇條件為：主要受力點和曾經(jīng)發(fā)生過損傷的地方；有限元受力分析中應(yīng)力較大的地方；測試點要有代表性，能提高應(yīng)力測試效率，便于計算與分析；現(xiàn)場測試時較為安全與方便，便于貼片和布線。現(xiàn)場貼片和布線示意見圖4～6。圖6中，J1-1，J1-2，J2-1，J2-2，J3-1，J3-2，J4-1，J4-2，J6-1，J6-2，J8-1，J8-2；J9-1，J9-2，J81，J91，J10，W3，W4，J7為具體的測試點。

圖4 現(xiàn)場貼片布線Fig.4The patch wiring

圖5 車架貼片處Fig.5The patch position of frame

圖6 具體的貼片示意圖Fig.6Schematic diagram for specific patch

對該大型自卸車有限元仿真計算應(yīng)力最大的工況——滿載右轉(zhuǎn)彎進行實驗測試，將所得車架各測點實驗測試結(jié)果與仿真結(jié)果記錄于表2。

表2 車架各測點的仿真值與實驗值對比Table 2Comparison of the simulation value and experimental value for frame measuring points

對比表2中的實驗測試結(jié)果與仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，該大型自卸車滿載右轉(zhuǎn)彎時，車架的應(yīng)力誤差基本上在10%以內(nèi)。誤差超過10%的J2-1，J3-1，J8-2測試點，由于其本身應(yīng)力值很小，其仿真和測試應(yīng)力偏差均小于3 MPa；仿真結(jié)果和測試結(jié)果應(yīng)力超過60 MPa的位置處的誤差均控制在10%以內(nèi)。因此，此有限元仿真的方法是有效可行的。

2 車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 拓撲設(shè)計

由圖3所示應(yīng)力分布圖可知，車架所受較大應(yīng)力主要集中于車架的后部側(cè)板和蓋板上，車架前部的應(yīng)力普遍比較低，這種應(yīng)力不均容易導(dǎo)致應(yīng)力大的局部位置出現(xiàn)焊縫開裂，而應(yīng)力小的位置出現(xiàn)剛度富余。因此，有必要對這種應(yīng)力分布極其不勻稱的車架進行拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

車架拓撲優(yōu)化的初始模型需要根據(jù)整車空間布置來確定，即需要根據(jù)大型電動輪自卸車車廂、后橋殼、A型架、前后懸的位置等來初步確定出車架的拓撲設(shè)計空間。由于車架的主要應(yīng)力集中位置在車架側(cè)板和蓋板上，且這些地方在車架中所占的體積也比較多，因此，將車架側(cè)板、蓋板、筋板和龍門架等部位設(shè)置為優(yōu)化區(qū)域，其他部分設(shè)置為非優(yōu)化區(qū)域。大型電動輪自卸車車架的初始設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 車架的初始設(shè)計結(jié)構(gòu)Fig.7Initial design for frame structure

初始車架模型首先需要在hypermesh中進行前處理操作，具體操作步驟與老車架有限元模型建立方法相同。對優(yōu)化區(qū)域和非優(yōu)化區(qū)域所使用的網(wǎng)格和材料屬性均相同，用3D單元對整個車架原始模型進行網(wǎng)格劃分，且材料屬性與前面一致；耦合質(zhì)量點的位置和質(zhì)量大小也與前面相同。

2.2 優(yōu)化參數(shù)設(shè)置

1）約束條件

根據(jù)老車架的體積和車架結(jié)構(gòu)的重要性綜合考慮，限制車架的總體積小于3 m3。考慮自卸車的自身結(jié)構(gòu)，設(shè)置對稱約束，約束最大應(yīng)力不超過210 MPa。

2）優(yōu)化目標

將車架結(jié)構(gòu)的靜態(tài)平均柔度（剛度的倒數(shù)）作為優(yōu)化目標，要求其最小化。考慮各工況下柔度對總?cè)岫鹊呢暙I一致，故確定其靜態(tài)平均柔度部分各工況下的柔度系數(shù)都取1。

3）優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)拓撲設(shè)計優(yōu)化后的車架如圖8所示，車架的拓撲優(yōu)化迭代曲線如圖9所示。

圖8 拓撲優(yōu)化后的車架模型Fig.8Topology optimization of frame model

由圖8可看出，經(jīng)拓撲優(yōu)化后，車架的前端和后端去除了大量多余材料，在優(yōu)化應(yīng)力結(jié)果的同時降低了車架的自重。

由圖9所示拓撲優(yōu)化迭代曲線可見，車架的應(yīng)力呈現(xiàn)下降趨勢，并最終趨于穩(wěn)定的最小值。由迭代曲線可知，該目標函數(shù)方程的迭代曲線是符合要求的。

圖9 拓撲優(yōu)化迭代曲線Fig.9Topology optimization iteration curve

圖8所示車架的拓撲優(yōu)化模型，對于車架的制造生產(chǎn)要求還有一定的距離，因此需要對拓撲優(yōu)化模型進行處理。根據(jù)拓撲優(yōu)化車架形狀，設(shè)計出來的車架與原來的車架一樣，采用板式結(jié)構(gòu)，對拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)的凸起處采用筋板結(jié)構(gòu)，得出的新型車架如圖10所示。所得的新型車架結(jié)構(gòu)與原來的車架相比，新車架的前端更高，尾部的上下蓋板更大，側(cè)板則由原來的四大塊變成了兩大塊和兩小塊，同時，兩大塊側(cè)板處有開孔，筋板位置變化也比較大。

圖10 修正后的新車架模型Fig.10The revised frame model

2.3 新舊車架對比

為了驗證優(yōu)化設(shè)計效果，對優(yōu)化后的車架進行了應(yīng)力分析。圖11所示為新車架右轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力分布圖。各工況下新舊車架的最大應(yīng)力值見表3。

圖11 新車架右轉(zhuǎn)工況應(yīng)力分布圖Fig.11The stress distribution of the new frame on the right operating condition

表3 各工況下新老車架的最大應(yīng)力對比Table 3The maximum stress comparison between the new frame and the old under different operating conditions

分析表3中的最大應(yīng)力值，可以看出，新設(shè)計的車架在各種工況下的平均應(yīng)力普遍降低，而且車架應(yīng)力分布也比較勻稱。

3 結(jié)論

通過對某大型礦用自卸車車架的有限元分析和優(yōu)化設(shè)計，可得到以下結(jié)論：

1）對原車架進行有限元仿真分析，得到了各個工況的最大應(yīng)力值，通過對比仿真結(jié)果與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，可知其誤差基本控制在10%以內(nèi)，從而證明此有限元分析方法是有效可行的；

2）對原車架進行拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以提高車架的剛度為目標，得到了車架的拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)。對重新設(shè)計的車架結(jié)構(gòu)進行仿真計算，結(jié)果表明，優(yōu)化后的車架在各種工況下的平均應(yīng)力普遍降低，而且車架的應(yīng)力分布也比較勻稱。

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（責任編輯：廖友媛）

Finite Element Analysis on Mining Dump Truck Frame and Its Optimization Design

Peng Guopu1, He Xiang2，Tang Huaping2，Jiang Yongzheng2
（1. Xiangtan Electric Heavy Equipment Co. Ltd., Xiangtan Hunan 411100，China；2. School of Mechanical Engineering, Central South University, Changsha 410083，China）

The finite element model is established based on a large mining dump truck frame structure, and the stress distribution of frame under different working conditions are computed by the inertial release method. Meanwhile the stress test on the operating car frame of mine is conducted. The test result and simulated result are compared and it is found that the frame stress error is controlled within 10%, thereof the validity of finite element analysis of the frame stress is verified. In order to improve the performance of the frame, the topology structure is designed and a reliable frame structure is obtained through structure optimization. The simulation results show that the performance of the improved frame is greatly improved.

finite element model； stress distribution；inertial release method；topological structure

TH248

A

1673-9833(2014)03-0035-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.03.008

2014-01-20

國家高新技術(shù)研究發(fā)展863計劃基金資助項目（2012AA041805），湖南省科技重大專項計劃基金資助項目（2010FJ1003-2）

彭國譜（1965-），男，湖南湘鄉(xiāng)人，湘電重型裝備股份有限公司高級工程師，主要從事機械制造方面的研究，E-mail：376629602@qq.com

賀翔（1987-），男，湖南永州人，中南大學碩士生，主要研究方向為機械制造， E-mail：330788379@qq.com