基于有限元計算的自卸車后橋殼優化設計

羅朋 郭世均 王卓周 張麗敏 廖寶江

摘 要：后橋殼作為自卸車一個部件，承擔整車牽引力傳遞及各個方向載荷，受力復雜，沖擊大，且后橋殼上必須留有檢修孔和接線孔，導致其強度降低，因此有必要對礦卡常見幾種工況分析，然后在ANSYS中軟件中對后橋殼進行靜強度和疲勞分析，為后續后橋殼設計提供一定理論依據。

關鍵詞：自卸車；后橋殼；有限元；靜強度

中圖分類號：U469 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）34-0089-02

Abstract： The rear axle housing， as a part of the dump truck， bears the tractive force transmission and all direction loads of the whole truck. The stress is complex and the impact is great. Moreover， the rear axle housing must have a repair hole and a connection hole， which leads to the decrease of its strength. Therefore， it is necessary to analyze the common working conditions of the mine card， and then the static strength and fatigue analysis of the rear axle housing are carried out in the software of ANSYS， which provides a theoretical basis for the follow-up design of the rear axle housing.

Keywords： dump truck； rear axle housing； finite element； static strength

后橋殼是電傳動自卸車前橋上的一個重要部件，用于傳遞并承受車輛后部載荷，傳遞牽引力而使車輛前進。在車輛行駛狀態下，它承受著多變的沖擊載荷，因此，要求其具有很高的強度[1]。本文利用有限元分析軟件ANSYS對后橋殼進行了超常載荷工況和模擬運營載荷工況的靜強度及疲勞強度計算，校核后橋殼的結構強度，驗證了其結構的可行性。

1 后橋殼有限元模型建立

后橋殼總成由后殼體、牽引座、三角架、橫拉桿支座、后懸掛支座以及通風孔等部分組成。殼體與驅動電機之間采用螺栓連接，其中后橋殼內有多根不同長度的筋板，筋板和后橋殼內圈上的通孔均勻分布。后懸掛座和橫拉桿座采用關節軸承分別與后懸掛連接、橫拉桿連接。

后橋殼材料為HG70E高強度焊接結構鋼焊接而成，其中彈性模量E=206000N/mm2，泊松比μ=0.3，屈服強度=590MPa，密度為7860Kg/m3。基于HYPERMESH11.0和ANSYS12.1有限元分析軟件，建立了后橋殼的有限元計算模型。后橋殼采用四面體單元進行離散，離散后有限元模型單元總數為373656，節點總數為701976。后橋殼有限元計算模型見圖1。

2 載荷計算與工況設定

后橋殼強度計算的載荷參照礦山常見幾種工況，分別對后橋殼進行超常載荷和運營載荷的計算，其中超常載荷用于評定后橋殼的靜強度，模擬運營載荷用于評價后橋殼的疲勞強度。在有限元計算模型中，約束條件采用彈性邊界。后橋殼牽引座與車架連接處施加垂向、縱向和橫向彈性邊界，后懸掛連接處施加垂向彈性邊界，車輪與地面接觸處施加橫向彈性邊界。載荷的加載位置按照載荷的實際作用位置以節點力方式進行施加。模擬運營工況：垂向載荷為1.5倍后橋簧上載荷，橫向載荷為0.7倍后橋重量，縱向載荷為額定持續牽引力及轉矩；超常載荷工況：垂向載荷為3倍后橋簧上載荷，橫向載荷為1倍后橋重量，縱向載荷為超載持續牽引力及轉矩。

3 后橋殼靜強度結果分析

將HYPERMESH處理完成的有限元模型導入ANSYS中計算，可得到運營載荷和超常載荷各個工況下的后橋殼上最大Von Mises應力，運營載荷工況最大應力152MPa，安全系數3.9，最大變形0.12mm'。超極限超常載荷工況最大應力500MPa，安全系數1.2，最大變形0.23mm，由于該極限工況非常少見，且在材料的許用應力范圍內，因此后橋殼靜強度滿足礦上工況運營要求。由于后橋殼極限工況安全系數較低，因此不建議對后橋殼再進行減重設計，后橋殼目前鋼板厚度為12mm，與同規格國際上其他礦用車后橋殼板厚差不多，因此，該后橋殼結構滿足要求。

4 后橋殼疲勞強度分析

疲勞強度是指材料在無限多次交變載荷作用而不會產生破壞的最大應力。參考德國工業標準DIN 17 100和焊縫標準DVS 1612的規定，參考HG70E材料的Moore-Kommer-Japer形式疲勞曲線，對后橋殼其他結構的母材及焊縫進行疲勞強度評價。

在進行疲勞評估時，選取后橋殼其他結構中應力較大點，將各節點應力比及最大應力值放入對應材料的Moore-Kommer-Japer疲勞曲線圖中進行比較，結果顯示所有點均在母材疲勞曲線之內，表明后橋殼的母材疲勞強度均滿足要求。采用同樣的方法對后橋殼焊縫進行疲勞評估，選取后橋殼所有焊縫節點進行分析，將焊縫點應力比及最大應力值放入對應材料的Moore-Kommer-Japer疲勞曲線圖中進行比較，結果表明后橋殼焊縫的安全系數均大于1，滿足焊縫疲勞強度設計要求。

5 后橋殼模態分析

為了研究后橋殼構動力特性，對后橋殼進行模態分析。后橋殼模態分析利用后橋殼靜強度分析模型，利用Block Lanczos法，消除后橋殼剛體位移，計算出后橋殼前3階模態，鑒于高階模態超過100Hz，已無實際工程意義，這里并不做計算。通過軟件結果顯示，后橋殼1階固有頻率為56.8Hz，2階固有頻率為79.4Hz，3階固有頻率為93.2Hz。

6 結束語

本文利用HYPERMESH11.0和ANSYS12.1有限元分析軟件對電傳動自卸車后橋殼進行了靜強度和疲勞強度分析，計算結果表明：

（1）在超常載荷的各種工況下，后橋殼應力均小于對應材料的屈服極限，滿足靜強度要求。

（2）在模擬運營載荷作用下，通過對后橋殼母材和各焊縫進行疲勞強度分析，后橋殼母材各節點的最大應力均不超出對應材料Moore-Kommer-Japer母材疲勞曲線，焊縫節點的最大值不超出相應焊縫疲勞曲線，后橋殼結構滿足疲勞強度要求。

參考文獻：

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