基于有限元法的MT4400礦用自卸車后橋殼輕量優(yōu)化分析

韓東濤 佟 晟 賈振華

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

大型礦用自卸車是我國北方露天煤炭礦區(qū)重要的生產(chǎn)運輸工具，因其具有較大承載能力而在礦山運輸作業(yè)中被廣泛應(yīng)用。驅(qū)動橋殼是礦用自卸車底盤系統(tǒng)的核心基體，主要承受復(fù)雜環(huán)境下車輛行駛過程中的多種載荷，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性直接影響到礦用自卸車的安全性和可靠性。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在復(fù)雜工作環(huán)境下，礦用自卸車后橋在行駛的過程中會發(fā)生變形甚至斷裂，嚴重影響著礦區(qū)的生產(chǎn)與安全。[1]目前，礦山機械的設(shè)計與改進數(shù)據(jù)大多是根據(jù)經(jīng)驗，在現(xiàn)有設(shè)計基礎(chǔ)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(jīng)驗為依據(jù)，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(jīng)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(jié)構(gòu)改進和輕量化設(shè)計。輕量化設(shè)計能夠增大車橋傳動系統(tǒng)的設(shè)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(jīng)濟性。

1 國內(nèi)外研究方法及現(xiàn)狀

我國在車輛橋殼設(shè)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(yīng)力、應(yīng)變的情況來校核其強度與剛度。這種設(shè)計方法不可避免存在很多主觀因素，具有較大經(jīng)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(fù)雜環(huán)境條件下力學(xué)分析，模擬橋殼的三維幾何結(jié)構(gòu)和受力約束情況，使設(shè)計工作取得了長足發(fā)展。[3]我國車輛設(shè)計研究人員也掌握了這一方法并逐步發(fā)展，并把它應(yīng)用到了車輛設(shè)計與研究工作中，例如國內(nèi)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計》[1]中結(jié)合有限元分析結(jié)果對該礦用驅(qū)動橋橋殼結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)過優(yōu)化后，橋殼各個工況下最大應(yīng)力均有明顯下降，提高了橋殼強度；青島理工大學(xué)的葉明在2014年《卡車驅(qū)動橋橋殼疲勞壽命研究》[4]文中利用多柔體動力學(xué)仿真結(jié)合有限元分析的方法，得到了橋殼優(yōu)化設(shè)計參數(shù)對疲勞壽命敏感性擬合，結(jié)合大量的多體動力學(xué)分析和有限元分析，研究高效的橋殼疲勞壽命預(yù)期方法得到了修正結(jié)構(gòu)參數(shù)；合肥工業(yè)大學(xué)的鄧磊都以沖焊橋殼為研究對象，[5]對驅(qū)動橋的關(guān)鍵零件橋殼、半軸等進行了靜、動態(tài)性能的分析與研究基礎(chǔ)上進行拓撲優(yōu)化，提出的改進方案實現(xiàn)了橋殼的輕量化，并采用目標(biāo)驅(qū)動的優(yōu)化方法對橋殼進行了輕量化設(shè)計，達到了23.2%的質(zhì)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(shè)計初期應(yīng)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(yù)估；美國的Steven WBradley等基于斷裂力學(xué)研究了后橋殼疲勞失效，[7]得出沖擊應(yīng)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(jié)合動應(yīng)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(yù)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(shù)對MT4400礦業(yè)自卸車后橋殼進行聯(lián)合仿真分析，使其在復(fù)雜環(huán)境下工作時，在滿足強度、剛度、穩(wěn)定性的前提下，實現(xiàn)礦用自卸車后橋殼的輕量化優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了滿足靜強度和疲勞強度工作要求的同時實現(xiàn)輕量化目的，可為礦用自卸車輕量化設(shè)計提供理論依據(jù)。

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(chǎn)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(jié)果的準確性。按照一定的比例，根據(jù)零件的實際尺寸及表1-1中所示數(shù)據(jù)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(yīng)該充分考慮到礦山機械復(fù)雜的工作環(huán)境，整體應(yīng)該做到設(shè)計合理，受力均勻，要根據(jù)實體零件比例和車輛參數(shù)去設(shè)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(jié)構(gòu)，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(zhì)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(guān)參數(shù)的校核計算

如表1-1展示的相關(guān)參數(shù)表，參數(shù)選擇以上表為基礎(chǔ)，同時為了達到最優(yōu)設(shè)計的目的，結(jié)合實際情況進行參數(shù)修正。 進行滿載靜止工況下的靜彎曲應(yīng)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(qū)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(jù)已知條件，材料42CrMo，σs為管屈服強度，σs=930MPa，危險斷面的合成應(yīng)力為σ∑=696MPa，σ∑<σs，滿足設(shè)計要求；汽車處于緊急制動工況時通常不考慮側(cè)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(jù)分析結(jié)果進行輕量化優(yōu)化。

4.1 滿載靜止工況下驅(qū)動橋的應(yīng)力加載

滿載靜止工況的有限元分析，應(yīng)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(yīng)取值并使用最大受力的工況，以便確保后橋在復(fù)雜工況下的可適應(yīng)性。[12]在進行設(shè)計工作時應(yīng)充分考慮到礦山自卸車的工作工況復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣的情況。

根據(jù)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(yōu)越的性能，完全符合礦用自卸車復(fù)雜的工作條件對的各項力學(xué)性能的要求。[13]因此，在軟件中的材料設(shè)置參照圖2，具體數(shù)據(jù)參考表1-2。

表1-2 滿載靜止工況下的仿真設(shè)置參數(shù)表

圖2 MT4400礦用自卸車后橋殼網(wǎng)格劃分圖

4.2 模型網(wǎng)格劃分

在網(wǎng)格化時應(yīng)注意零件某兩孔間間隙太小或某一位置距離太小導(dǎo)致軟件無法對零件進行網(wǎng)格化，這個時候應(yīng)該對其距離進行適當(dāng)調(diào)整或者小孔合為功能與效果等同的大孔，以保證網(wǎng)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(jié)果

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

圖4 MT4400礦用自卸車后橋殼靜止工況下應(yīng)變圖

圖5 MT4400礦用自卸車后橋殼靜止工況下應(yīng)力圖

根據(jù)驅(qū)動橋的外觀參數(shù)，由6可知，在本次的設(shè)計的后橋中，其體積為3.7453m3，質(zhì)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(yōu)化。

圖6 滿載靜止工況下MT4400后橋殼質(zhì)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(jié)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(yīng)變變形量為5.9691×10-4mm，應(yīng)變影響較小；如圖8所示，最大應(yīng)力為1.4362×105Pa，零件材料所能承受的最大應(yīng)力為930MPa，符合使用情況，應(yīng)力、應(yīng)變余量較大，對殼體厚度、橋殼尾部等部分進行輕量化優(yōu)化，減少材料浪費，減輕質(zhì)量，使車輛具有更好的經(jīng)濟性。

圖7 MT4400礦用自卸車后橋殼滿載動載工況下應(yīng)變圖

圖8 MT4400礦用自卸車后橋殼滿載動載工況下應(yīng)力圖

5 MT4400礦用自卸車后橋殼輕量化優(yōu)化分析

5.1 滿載靜止工況下后橋優(yōu)化后的有限元分析

根據(jù)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(zhì)量優(yōu)化后，確定各受力點位置。得到應(yīng)力、應(yīng)變圖如圖9、圖10所示。

如圖9減重后最大應(yīng)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(yīng)力為2.2434×108Pa，零件材料所能承受的最大應(yīng)力為930MPa，應(yīng)力剛好符合要求，設(shè)計優(yōu)化合理。

圖9 MT4400礦用自卸車后橋殼滿載靜止工況下應(yīng)變圖

圖10 MT4400礦用自卸車后橋殼滿載靜止工況下應(yīng)力圖

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

圖11 優(yōu)化后MT4400礦用自卸車后橋殼滿載靜止工況下質(zhì)量、體積參數(shù)示意圖

5.2 優(yōu)化結(jié)果分析

由優(yōu)化分析結(jié)果可知，滿載靜態(tài)與動態(tài)兩工況下，減少殼體厚度、尾部連接件質(zhì)量，在應(yīng)力應(yīng)變符合要求條件下，質(zhì)量率分別可達12.7%及9.1%。其中尾部進行輕量化優(yōu)化效果較明顯。

6 結(jié)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(lián)合ANSYS 有限元法軟件對其進行仿真分析，運用分析其受力環(huán)境，施加相應(yīng)約束與載荷，分析其在滿載靜止、動載工況下的應(yīng)變和應(yīng)力是否滿足使用要求的方法，對其進行輕量化優(yōu)化研究。經(jīng)分析，兩種工況下后橋殼質(zhì)量減少率分別為12.7%及9.1%，有效地實現(xiàn)了后橋殼輕量化分析優(yōu)化的目的。