輪式裝載機前車架的有限元分析與結構優化

蔡應強, 陳清林, 丁旭光

(1. 華僑大學 機電及自動化學院， 福建 廈門 361021;

2. 集美大學 輪機工程學院， 福建 廈門 361021;

3. 福建省船舶與海洋工程重點實驗室， 福建 廈門 361021)

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輪式裝載機前車架的有限元分析與結構優化

蔡應強1,2,3, 陳清林2,3, 丁旭光2,3

(1. 華僑大學 機電及自動化學院， 福建 廈門 361021;

2. 集美大學 輪機工程學院， 福建 廈門 361021;

3. 福建省船舶與海洋工程重點實驗室， 福建 廈門 361021)

摘要：以某ZL50裝載機前車架為研究對象，利用Pro/E軟件建立三維實體模型，導入ABAQUS軟件建立有限元模型.基于載荷-時間歷程的動態有限元分析，獲得典型工況下的前車架應力分布云圖.結果表明：在舉升和卸載工況下，局部結構應力峰值過大，應力集中位置較多；在應力集中位置增設加強筋和過渡圓角，并對加強筋板厚度進行優化后，前車架受力狀況得到明顯改善，應力集中現象得以消除，安全系數提高近200%.

關鍵詞：裝載機； 前車架； 有限元； 優化

輪式裝載機是典型的鏟土運輸機械，被廣泛地應用于公路、礦山、建筑等各類工程建設之中.前車架是裝載機的承載基體，在作業和行走過程中承受著工作裝置和車橋傳遞的力矩載荷、工作阻力載荷及惡劣路況的沖擊載荷，容易發生強度破壞.因此，對車架進行強度分析是裝載機設計和開發過程中相當重要的一個環節，也是工程機械方面研究的熱點之一[1].本文以某ZL50裝載機前車架為研究對象，利用Pro/E和ABAQUS軟件建立有限元模型，實現有限元模型的加載仿真.

1前車架有限元模型

1.1　有限元實體建模

鉸接式裝載機的車架主要由前車架、后車架和副車架組成.前車架采用箱形結構，形狀復雜，是連接后車架、支撐工作裝置和前輪的基礎結構[2].采用基于三維CAD軟件的參數化建模[3-7]，在Pro/E環境中，建立前車架的三維實體模型,將其導出為“.Parasolid”格式后，以部件“Part”的形式導入ABAQUS中，得到有限元實體模型.

1.2　網格劃分

前車架是由低合金高強度結構鋼Q345A板材焊接而成的箱式構件，截面形狀突變較多.為實現網格的均勻化，提高解析精度，采用三維連續實體單元中的修正二次四面體單元形狀劃分網格，得到有限元網格模型,如圖1所示.

網格幾何形狀確保解析精度，而網格疏密度則決定解析速率[4].為了提高解析速率，對應力梯度變化較大的部位，增加網格密度，對其他承載水平低的次要結構部位，適當降低網格密度.

1.3　約束與載荷施加

前車架的連接副模型，如圖2所示.將前車架的支撐作為邊界條件，模擬前車架在承載時的支撐狀態.前車架與前橋通過左右對稱的固定副連接，在不考慮作業滑轉率及輪胎形變引起的前橋位移情況下，可認為是空間固定副，對其空間6自由度進行約束.前車架與后車架通過同軸的球鉸副1和球鉸副2連接，對X，Z方向的2個平移自由度進行約束，釋放其他自由度.

輪式裝載機的典型作業工況分為插入、鏟裝、舉升和卸載等4個過程.以ZL50裝載機的設計鏟裝質量5 t為作業載荷，考慮偏載情況，將載荷重心設置在鏟斗前切削刃左側1/3處，一個工作循環為27 s.通過建立整車機構的動力學模型，對整車機構施加作業載荷進行動力學仿真.在旋轉副1～5的位置設置測量坐標，通過測量上述坐標，可獲取仿真工況中前車架旋轉副1～5的載荷-時間(F-t)歷程，如圖3所示.該載荷-時間歷程為前車架在典型作業工況中所承受的工作載荷.將該載荷-時間歷程以數據表格的形式導出，在有限元載荷加載中，以幅值曲線的形式予以施加.

(a) 旋轉副 (b) 球鉸副　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2　前車架的連接副模型　　　　　　　　　　　　　　圖3　載荷-時間歷程曲線　　　Fig.2　Joint model of the front frame　　　　　　　　　　Fig.3　Loading-time course curve

2前車架有限元應力分析

根據裝載機的典型作業工況，加載工作載荷到前車架有限元模型中進行解算，獲取前車架的應力分布云圖進行強度分析.分析結果表明:在4種工況下，前車架多個位置均出現不同程度的應力集中現象.其中,舉升工況與卸載工況下的應力較大，應力集中點較多，峰值應力水平較高.前車架在舉升工況下的應力分布,如圖4所示.

由圖4可知：左側應力明顯較高，與插入阻力向左側偏載的實事相符，高應力區域幅值明顯上升，介于33.47～37.19 MPa之間；等應力幅值面積大幅增加，A，B，C等3個應力集中點最大應力值大幅增加，最高達186.8 MPa；點D～H也出現了應力集中，但遠低于Q345A鋼的屈服極限.

前車架在卸載工況的負載是逐步降低的，初始時刻的應力較高，如圖5所示.由圖5可知：點A～H應力集中情況依然明顯，但最大應力值有所下降.前車架在各種工況下點A～H的應力峰值，如表1所示.表1中：K為安全系數；σmax為應力峰值.

(a) 正面 (b) 背面　　　　　　　　　(a) 正面 (b) 背面圖4　舉升工況應力分布云圖　　　　　　　　　　　　圖5　卸載工況應力分布云圖Fig.4　Stress distribution graph in 　　　　　　　　　　Fig.5　Stress distribution graph in 　lifting working condition　　　　　　　　　　　　　　unloading working condition

工況σmax/MPaABCDEFGHK插入37.1940.91114.10-----3.02鏟裝--93.03-----3.71舉升186.80170.7755.1342.5369.7475.3841.1870.721.85卸載171.24153.7151.9841.57-67.4339.1967.242.02

3前車架結構的優化

3.1　結構改進方案

根據有限元分析結果，前車架在作業過程中存在多處應力集中,導致局部峰值應力過高的危險位置(點A～H)，其主要原因是板材連接面截面的形狀突變和焊縫質量不良.針對上述薄弱位置，對其結構進行加強改進，并進行優化以改善應力分布.

針對危險位置的結構改進方案如下：點A，增加過渡圓角結構，減緩接頭處截面突變；點B，延長加強筋板，使加強筋板與前橋隔板相連，消除直角截面；點C，在兩板連接線前端增加垂直加強筋板；點D，同點B；點E，暫不作改進；點F，在兩板連接線前端增加垂直加強筋板；點H，沿內側板邊緣向上延長加強筋板至與橫箱頂板相連.改進后的前車架結構圖，如圖6所示.圖6中：各加強筋板厚度初設為35 mm.

(a) 正面　　　　　　　　(b) 背面圖6　改進后的前車架結構圖Fig.6　Improved structural diagram of the front frame

3.2　結構優化

對前車架結構進行初步改進后，按照等強度原則，采用導重準則法[8-10]進行優化.對前車架結構優化的目標是在增質量最小的情況下，前車架的結構應力最優，屬于質量約束結構優化設計問題.因此，以增加板材的質量xi為設計變量，增加板材的總質量W(X)為約束函數，結構應力f(X)為目標函數，建立優化模型為

式(1)中:W0為優化前增加板材的初始總質量；R(X)為設計變量X的特征應力，即

構造函數為

選取M3，M4，M5與M6的板厚作為設計變量，分別以x1，x2，x3，x4表示，則第i組板的單元質量可表示為

增加板材的總質量為

在以質量為約束的導重準則法中，式(6)為設計變量xi的迭代通式.引入步長因子α，可得設計變量xi的尋優迭代公式為

在初始結構改進方案中，板厚均采用最大厚度35mm.因此，設計變量xi(i=1,2,3,4)的上限值xi，max取 35mm，并設定下限值xi，min為 5mm.考慮Q345A鋼的許用應力，優化模型的應力約束條件的上限值取345MPa.經過迭代運算后，可得優化結果，如表2所示.

表2　前車架初步改進方案優化結果

4前車架結構改進優化驗證

在相同載荷情況下，對改進和優化后的前車架結構進行有限元分析，鑒于前述分析結果，舉升工況和卸載工況應力峰值較大，對改進前后的應力分布云圖進行對比，如圖7,8所示.優化前后各工況的應力峰值和安全系數對比,如表3所示.表3中：σmax為最大應力；η為降低比例.

(a) 優化前 (b) 優化后　　　　　　　　　(a) 優化前 (b) 優化后圖7　舉升工況應力分布云圖　　　　　　　　　　　　　圖8　卸載工況應力分布云圖Fig.7　Stress distribution graph in　　　　　　　　　　　Fig.8　Stress distribution graph in　　lifting working condition　　　　　　　　　　　　　　　unloading working condition

工況σmax/MPa優化前優化后η/%K優化前優化后插入114.1039.7164.863.028.69鏟裝93.0329.7568.023.7111.60舉升186.8060.6667.531.855.69卸載171.2455.6667.502.026.20

由表3可知：優化后的前車架結構應力集中問題得到很大程度的改善，點A～H的應力集中現象已消除，前車架在作業工況中的最大應力由優化前的186.8MPa下降到優化后的60.66MPa，前車架最低安全系數由優化前的1.85提升到優化后的5.69，結構改進和優化效果明顯，很大程度上改善了前車架的受力情況.

5結束語

以某ZL50裝載機前車架為對象，利用Pro/E和ABAQUS軟件建立有限元模型，添加約束，施加實際載荷，實現有限元模型的加載仿真.獲取前車架在裝載機典型工況中的應力分布云圖，可發現應力集中問題較為凸出，舉升與卸載工況應力峰值較高，達到186.8MPa，且分布區域較廣，說明原有結構設計不合理.通過改進前車架結構，增加過渡圓角，消除截面突變，增加加強筋板，并采用導重準則法對增加筋板的厚度進行優化處理后，最大應力幅值明顯降低，僅有60.66MPa，降幅達67.5%，前車架結構應力集中問題得到大幅改善，安全系數得到較大提高，結構改進和優化效果明顯.

參考文獻：

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(責任編輯： 錢筠 英文審校： 楊建紅)

FiniteElementAnalysisandStructuralOptimizationof

theFrontFrameofWheelLoader

CAIYingqiang1,2,3,CHENQinglin2,3,DINGXuguang2,3

(1.CollegeofMechanicalEngineeringandAutomation,HuaqiaoUniversity,Xiamen361021,China;

2.SchoolofMarineEngineering，JimeiUniversity，Xiamen361021，China；

3.FujianProvincialKeyLaboratoryofNavalArchitectureandOceanEngineering，Xiamen361021，China)

Abstract：Taking ZL50 loader as the research object, 3D model was created by the Pro/E software. By importing the model to the ABAQUS software, the finite element model was established. Based on the dynamic finite element analysis of the loading-time course, the stress distribution graph of the front frame under typical working conditions was obtained. The results show that the local structural stress peak was too large and stress concentration points were too many under lifting and unloading working conditions. Increasing the reinforcing rib and the transition fillet at the stress concentration points, and optimizing the thickness of the reinforcing rib, the stress status of the front frame was obviously improved. The stress concentration phenomenon was eliminated. The safety coefficient was improved about 200%.

Keywords：loader; front frame; finite element; optimization

基金項目：交通部應用基礎研究項目(2014329815100)； 福建省高校產學研重大項目(2014H6020)

通信作者：蔡應強(1980-)，男，講師，博士研究生，主要從事船舶、機械設備的機電液一體化設計及虛擬仿真的研究.E-mail:cai0929@126.com.

收稿日期：2015-09-22

中圖分類號：TH 243.1; O 242.21

文獻標志碼：A

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.2016.01.0027

文章編號：1000-5013(2016)01-0027-05