基于有限元法的MT4400礦用自卸車后橋殼輕量優化分析

韓東濤 佟 晟 賈振華

(1.呼倫貝爾學院 內蒙古 海拉爾 021008； 2.華能伊敏煤電公司露天礦 內蒙古 伊敏 021000)

大型礦用自卸車是我國北方露天煤炭礦區重要的生產運輸工具，因其具有較大承載能力而在礦山運輸作業中被廣泛應用。驅動橋殼是礦用自卸車底盤系統的核心基體，主要承受復雜環境下車輛行駛過程中的多種載荷，其結構穩定性直接影響到礦用自卸車的安全性和可靠性。調查發現，在復雜工作環境下，礦用自卸車后橋在行駛的過程中會發生變形甚至斷裂，嚴重影響著礦區的生產與安全。[1]目前，礦山機械的設計與改進數據大多是根據經驗，在現有設計基礎上增加后橋殼體厚度尺寸來保證其強度和剛度，方法以實踐經驗為依據，缺乏理論計算及論證，簡單的增加材料會造成零配件重量不斷增加，材料冗余嚴重卻無法從根本上解決問題，又增加了整車使用的經濟成本。[2]而更好的方法則是在保證其材料屬性及強度和剛度的前提下對其進行有效的結構改進和輕量化設計。輕量化設計能夠增大車橋傳動系統的設計空間、提高整車的承載效率以及行駛平順性，提高自卸車使用的經濟性。

1 國內外研究方法及現狀

我國在車輛橋殼設計通常采用的方法是將橋殼簡化成一個簡支梁，通過特定截面應力、應變的情況來校核其強度與剛度。這種設計方法不可避免存在很多主觀因素，具有較大經驗局限性。國外則較早通過運用有限元分析方法對模型進行復雜環境條件下力學分析，模擬橋殼的三維幾何結構和受力約束情況，使設計工作取得了長足發展。[3]我國車輛設計研究人員也掌握了這一方法并逐步發展，并把它應用到了車輛設計與研究工作中，例如國內陜西漢德車橋有限公司的丁煒琦等在《基于有限元的某礦用車橋橋殼結構優化設計》[1]中結合有限元分析結果對該礦用驅動橋橋殼結構進行結構優化設計，經過優化后，橋殼各個工況下最大應力均有明顯下降，提高了橋殼強度；青島理工大學的葉明在2014年《卡車驅動橋橋殼疲勞壽命研究》[4]文中利用多柔體動力學仿真結合有限元分析的方法，得到了橋殼優化設計參數對疲勞壽命敏感性擬合，結合大量的多體動力學分析和有限元分析，研究高效的橋殼疲勞壽命預期方法得到了修正結構參數；合肥工業大學的鄧磊都以沖焊橋殼為研究對象，[5]對驅動橋的關鍵零件橋殼、半軸等進行了靜、動態性能的分析與研究基礎上進行拓撲優化，提出的改進方案實現了橋殼的輕量化，并采用目標驅動的優化方法對橋殼進行了輕量化設計，達到了23.2%的質量降幅。

國外研究人員也利用此方法研究車輛橋殼失效問題，例如日本Mochizuki Sumio等通過試驗的對比提出在橋殼設計初期應充分考慮對橋殼疲勞壽命影響較大的因素，[6]從而進行橋殼疲勞壽命的預估；美國的Steven WBradley等基于斷裂力學研究了后橋殼疲勞失效，[7]得出沖擊應力造成了橋殼的失效的主要原因；加拿大的ChriS K.Mechefske等采用有限元結合動應變的方法對橋殼的疲勞壽命進行了研究，[8]并通過實驗驗證了該方法在橋殼疲勞壽命預估上的可靠性。

本文運用計算機建模軟件UG及仿真軟件ANSYS 有限元分析技術對MT4400礦業自卸車后橋殼進行聯合仿真分析，使其在復雜環境下工作時，在滿足強度、剛度、穩定性的前提下，實現礦用自卸車后橋殼的輕量化優化設計，實現了滿足靜強度和疲勞強度工作要求的同時實現輕量化目的，可為礦用自卸車輕量化設計提供理論依據。

2 建立MT4400礦用自卸車后橋殼模型

本研究采用UG工具軟件對MT4400礦用自卸車后橋殼進行建模，UG(Unigraphics NX)是Siemens PLM Software公司出品的一個產品工程解決方案，是一種重要的三維建模軟件工具。[9]MT4400的模型建立情況將直接影響著仿真結果的準確性。按照一定的比例，根據零件的實際尺寸及表1-1中所示數據綜合考慮進行建模，在保證零件的可用性與真實性的同時進行模型計算與建立。

運用UG建模軟件建立模型，應該充分考慮到礦山機械復雜的工作環境，整體應該做到設計合理，受力均勻，要根據實體零件比例和車輛參數去設定零件之間的配合方式，零件之間的尺寸配合，零件圖的裝配與約束等工作。屬于板殼結構，主要零件采用等厚度板材沖壓成形。[10]在滿足計算精度的前提下并對進行假定：不考慮連接處材料特性的變化，后橋殼的材料是均質的，且遵從各向同性，如圖1所示。

圖1 MT4400礦用自卸車后橋殼三維模型

3 相關參數的校核計算

如表1-1展示的相關參數表，參數選擇以上表為基礎，同時為了達到最優設計的目的，結合實際情況進行參數修正。 進行滿載靜止工況下的靜彎曲應力計算；在不平路面沖擊載荷作用下的強度計算；車輛以最大驅動力行駛時的強度計算； 汽車緊急制動時的橋殼強度計算。[11]根據已知條件，材料42CrMo，σs為管屈服強度，σs=930MPa，危險斷面的合成應力為σ∑=696MPa，σ∑<σs，滿足設計要求；汽車處于緊急制動工況時通常不考慮側向力，橋殼強度

4 MT4400礦用自卸車后橋有限元法分析

利用有限元法分析MT4400礦用自卸車后殼從滿載靜止、動載工況兩部分來對后橋殼進行一個全面有極限的受力分析與形變分析，并根據分析結果進行輕量化優化。

4.1 滿載靜止工況下驅動橋的應力加載

滿載靜止工況的有限元分析，應從最大受力考慮，在符合實際情況的前提下，不同工作狀況下應取值并使用最大受力的工況，以便確保后橋在復雜工況下的可適應性。[12]在進行設計工作時應充分考慮到礦山自卸車的工作工況復雜，工作環境惡劣的情況。

根據上述對材料性能的校核可知42CrMo密度、彈性模量、泊松比、屈服極限、抗拉強度極限等方面具有優越的性能，完全符合礦用自卸車復雜的工作條件對的各項力學性能的要求。[13]因此，在軟件中的材料設置參照圖2，具體數據參考表1-2。

表1-2 滿載靜止工況下的仿真設置參數表

圖2 MT4400礦用自卸車后橋殼網格劃分圖

4.2 模型網格劃分

在網格化時應注意零件某兩孔間間隙太小或某一位置距離太小導致軟件無法對零件進行網格化，這個時候應該對其距離進行適當調整或者小孔合為功能與效果等同的大孔，以保證網格劃分的順利進行，[14]并進行各部位載荷施加。[15]

圖3 MT4400礦用自卸車后橋殼滿載靜止工況施加載荷

4.3 仿真結果

如圖4所示最大應變變形量為0.4mm，可以忽略不計，如圖5所示最大應力為2.26×108Pa，零件材料所能承受的最大應力為930MPa，符合設計要求。

圖4 MT4400礦用自卸車后橋殼靜止工況下應變圖

圖5 MT4400礦用自卸車后橋殼靜止工況下應力圖

根據驅動橋的外觀參數，由6可知，在本次的設計的后橋中，其體積為3.7453m3，質量為29401kg。由圖5可知，材料使用冗余；圓柱兩邊受力較大，此部分可進一步優化。

圖6 滿載靜止工況下MT4400后橋殼質量、體積示意圖

同理可得動載工況下后橋的有限元法加載與分析結果，分別如圖7、圖8所示。

如圖7所示，動載條件下受力零件的最大應變變形量為5.9691×10-4mm，應變影響較小；如圖8所示，最大應力為1.4362×105Pa，零件材料所能承受的最大應力為930MPa，符合使用情況，應力、應變余量較大，對殼體厚度、橋殼尾部等部分進行輕量化優化，減少材料浪費，減輕質量，使車輛具有更好的經濟性。

圖7 MT4400礦用自卸車后橋殼滿載動載工況下應變圖

圖8 MT4400礦用自卸車后橋殼滿載動載工況下應力圖

5 MT4400礦用自卸車后橋殼輕量化優化分析

5.1 滿載靜止工況下后橋優化后的有限元分析

根據實際受力大小和方向進行計算和確定，對橋殼厚度及橋殼后部進行質量優化后，確定各受力點位置。得到應力、應變圖如圖9、圖10所示。

如圖9減重后最大應變變形量為0.7mm，相對余量較大，符合使用要求；如圖10最大應力為2.2434×108Pa，零件材料所能承受的最大應力為930MPa，應力剛好符合要求，設計優化合理。

圖9 MT4400礦用自卸車后橋殼滿載靜止工況下應變圖

圖10 MT4400礦用自卸車后橋殼滿載靜止工況下應力圖

滿載靜態工況下，驅動橋殼體積由3.74533m3減少到3.2669m3，質量由29401kg減少到25645kg，減少了3756kg，質量減少率達到12.7%。同理可得滿載動載工況下質量減少率達到9.1%，如圖11所示。

圖11 優化后MT4400礦用自卸車后橋殼滿載靜止工況下質量、體積參數示意圖

5.2 優化結果分析

由優化分析結果可知，滿載靜態與動態兩工況下，減少殼體厚度、尾部連接件質量，在應力應變符合要求條件下，質量率分別可達12.7%及9.1%。其中尾部進行輕量化優化效果較明顯。

6 結論

本文的研究對象是MT4400礦用自卸車后橋殼，運用UG建模并聯合ANSYS 有限元法軟件對其進行仿真分析，運用分析其受力環境，施加相應約束與載荷，分析其在滿載靜止、動載工況下的應變和應力是否滿足使用要求的方法，對其進行輕量化優化研究。經分析，兩種工況下后橋殼質量減少率分別為12.7%及9.1%，有效地實現了后橋殼輕量化分析優化的目的。