延伸車架多工況結構仿真分析及復合優化研究

摘 要：為保證礦用無軌噴漿臺車車架性能滿足實際工況需求，本文針對自研的延伸車架進行結構力學分析與優化設計。利用Creo軟件三維建模，HyperWorks軟件完成有限元建模和材料載荷加載，分別計算其在滿載、起吊和行駛工況下的結構強度和剛度。本文提出了一種基于應力/應變云圖分析的多次迭代計算-驗證-改進的復合優化方法，達到多工況力學性能滿足要求的結構設計輕量化目的。結果表明，優化后的延伸車架不僅結構強度提高，而且車架整體質量減少29%，此方法可為類似結構的優化提供參考。

關鍵詞：延伸車架；有限元分析；復合優化；多工況優化

中圖分類號：U 463" " 文獻標志碼：A

車架作為車輛主要承載部件，不僅承載動力、傳動、操控、底盤、上裝等系統自身載荷，也承受外界載貨、作業和車輛行駛過程各方向外力/力矩，由于礦山工作環境的特殊和復雜性，尤其要求車架具有足夠的結構強度、剛度和可靠性。然而傳統經驗設計的車架結構往往通過增加板厚來滿足設計和使用要求，局部冗余的材料堆積容易造成車架過重，不僅浪費資源，還對車輛續駛里程和降低耗能有明顯的不利影響[1-2]。隨著計算機軟硬件快速發展，有限元技術被應用到車架結構設計和優化中。蘭鳳崇[3]進行了動態特性的多工況車身結構拓撲優化研究。豐偉等[4]利用有限元對比分析實現整車輕量化設計。宋夫杰等[5]對渣土自卸汽車車架進行有限元分析，并對車架結構進行改進設計，大幅提高車架強度。代攀[6]利用有限元軟件進行車架的有限元建模和分析，校核車架的可靠性。但是，針對礦山作業工況懸臂梁車架結構的有限元分析和多工況復合優化文獻較少。

本文針對公司研發的噴漿臺車延伸車架，應用Creo和Hypermesh軟件建立分析模型，OptiStruct軟件對FE模型的靜態和動態工況極限載荷進行力學計算，分析現有車架結構設計的不足之處。在此基礎上，通過多次迭代的尺寸、形狀、拓撲等復合優化設計及力學分析驗證，最終確定了一款適合工程應用的輕量化車架模型，并對比分析了優化前后延伸車架結構的力學性能和質量，以驗證方法的可行性。

1 車架有限元模型建立及數據加載

1.1 有限元建模和材料加載

此延伸車架的有限元零件建模采用網格10mm，四邊形為主的一階殼單元，車架的法蘭板與縱梁采用實際焊縫建模，其他非關鍵焊縫位置采用共節點連接。延伸車架安裝部件采用等效集中質量加載在質心處。材料選用結構用低合金高強鋼，牌號為S355K2，代號1.0595，符合EN10029、EN10025-2標準。

1.2 工況分析

本文分析了車輛使用過程的典型工況情況，對車架在靜態滿載、整車起吊和動態行駛極限載荷（X、Y、Z軸方向）等三大典型應用工況分別對應的5種細分載荷進行結構性能分析。本文取整車水平道路靜置，漿料滿載、水箱加滿、電纜卷盤等選配件質量最大作為靜態滿載載荷加載在Y軸負方向。起吊工況根據整車質量、重心坐標、吊裝位置數據計算得出，載荷共55kN按比例作用在吊耳的Y軸正方向。行駛工況的動態載荷則是根據車輛現場行駛的實測數據獲得，動態行駛工況的X、Y、Z軸方向加速度極限載荷分別為1g、-3g、1.5g。

2 校核標準

高強度鋼材S355K2材料，名義厚度t≤20mm，σb≥

345MPa，σb≥470MPa，σs/σb=0.73，其中焊縫采用等強度設計。根據起重機設計規范[7]，基本許用應力如公式（1）所示。

[σ]=（0.5σs+0.35σb）/n （1）

式中：[σ]為許用應力；σs為屈服強度；σb為抗拉強度；n為與強度相關的安全系數。

保守計算，σs、σb分別取最小值345MPa、470MPa，理論上n≥1，即當σmax≤σlim=337MPa（許用應力極限）時，材料的強度可以滿足使用要求。為了保證車架結構足夠的安全冗余和可靠性，設計要求n至少取1.34，那么得出[σ]≥252MPa。

上述材料的屈服強度和抗拉強度數值是基于靜態拉伸試驗獲得的。動態載荷工況條件下，低合金高強鋼的力學性能隨著應變率增大而增加[8-9]，基于保守設計原則，本文所有動態工況極值載荷計算結果以靜態許用應力進行校核，結果較安全、可靠。

3 有限元仿真分析及優化

采用OptiStruct軟件對優化前延伸車架進行靜力學仿真分析，得到不同工況下米塞斯應力應變云圖及分析結果。優化前各工況最大應力值、安全系數與最大位移結果見表1。可以看出，靜態滿載工況下米塞斯應力極值最小，整車吊裝工況應力極值最大，最大應力為336MPa，最小安全系數接近1。動態極限載荷工況應力值居中，X、Y、Z向最大應力值分別為209MPa、238MPa、191MPa，安全系數處于1.4～1.8。所有工況下米塞斯應力值均小于材料的許用強度極限，其中整車起吊工況安全系數最低，不滿足n≥1.34的設計要求，局部位置材料存在塑性變形和開裂風險。各工況位移量控制在7mm以內，應變率小于0.5%，最大位移點集中在尾部燈罩位置處，對懸臂結構車架影響很小，因此結構剛度不作設計考慮重點。上述分析表明，此延伸車架理論上滿足使用要求，但無法達到設計要求，存在安全冗余低、可靠性不足等缺點。

為了解決上述問題，需要對承力構件進行詳細分析，受力較大的工況：整車起吊、動態極限X向和Y向應力云圖如圖1～圖3所示。各工況承受較大應力（σs≥168.5或n≤2）的橙紅色區域如下：縱梁與法蘭板焊縫位置A；左平臺前端安裝區域B和C；左平臺與左縱梁連接位置D；左平臺矩形孔4個直角E；左平臺燈罩與吊耳焊縫位置F，這些位置需要結構優化或局部強化處理。應力云圖藍色區域（σs≤50MPa）：兩法蘭中間連接板和法蘭板上端區域ab、縱梁中后段c處、吊耳板d、左右平臺后半段e區域、后燈罩f等位置材料冗余，應當適當優化減重。剩余應力云圖青綠色區域受力適中，結構設計相對合理，可以維持不變。同時，結構復合優化還需要考慮延伸車架的功能需求、整體尺寸、對稱特性、安裝位置、結構外觀、工藝可行性、操作便利性和制造成本等多重因素，針對不同部件的不同要求，綜合運用拓撲優化、尺寸優化和形狀優化方法。通過局部或整體設定材料的板厚、尺寸、形狀、拓撲形貌、連接關系、結合位置等因素作為設計變量，約束條件設定。1）各工況最大米塞斯應力小于251.5MPa。2）動態極限工況安全系數大于2。3）最大位移量≤7mm。目標值為延伸車架整體質量最小。

為了使車架在滿足各因素限定和約束條件前提下達到減重的目的，須對云圖的最淺色和最深色區域進行設計優化。優化點1、2縱梁蓋板和外側腹板采用分段式錯位拼接和板厚優化，解決A位置應力超標和c區域材料冗余的問題；優化點3、4、7通過局部增材降低應力極值；優化點5采用圓角形狀優化避免E位置應力集中；優化點6采用開放式結構設計規避F點應力問題。針對a～f區域材料冗余問題，優化點8、9采用拓撲優化完全移除；優化點10～13對板厚進行優化減重，吊耳板還進行尺寸優化，防止偏置起吊引起冗余應力疊加；優化點14采用局部拓撲優化減重。通過設計不同變量因子進行多次有限元迭代計算、驗證和改進，最終優化并設計適合工程應用的延伸車架模型，如圖4所示。

4 優化后車架仿真分析及結果對比

保持網格參數、材料、載荷和工況條件不變，對優化后的延伸車架進行力學仿真分析，得到各工況米塞斯應力對比云圖，如圖5～圖7所示。優化后各工況最大應力值、安全系數與最大位移結果見表1。可以看出，靜態滿載工況、整車起吊工況和動態極限載荷工況下米塞斯應力極值分別為60MPa、251MPa、127MPa、152MPa、164MPa，最大位移量控制在7mm以內，應變率小于0.5%，滿足結構設計和使用要求。表1和表2記錄了優化前后各工況應力極值和質量對比結果，優化后各工況最大應力/最小安全系數指標比優化前降低/增加了14%～39%，改善效果明顯。應力最大的整車起吊工況的安全系數從1.01升至1.34，優化后的各動態極限工況安全系數均大于2，滿足優化設計約束條件和設計要求，同時車架質量與優化前相比還降低了29%。

從優化前后應力云圖對比可以清晰看到，優化后云圖應力分布更均勻，材料冗余區域（深色）明顯減少，說明優化后的結構設計和材料分布更科學、更合理，不僅達到了提高了結構的力學性能、滿足安全可靠設計的要求，還大幅降低了車架質量和制造成本的目的。優化后模型的各動態極限工況應力峰值的大幅降低意味疲勞壽命和動載可靠性能提高，其對疲勞耐久性的影響和壽命預測有待進一步研究。

5 結語

本文以噴漿臺車延伸車架為研究對象，通過有限元建模和多工況分析，基于靜強度校核準則進行力學分析和復合優化研究，得到以下結論。1）優化前，整車吊裝工況應力值為336MPa，最小安全系數僅1.01，存在局部塑性變形和開裂風險。2）通過分析延伸車架關鍵應力云圖，考慮構件的功能、尺寸、特性、位置、外觀、工藝和成本等因素，綜合運用拓撲優化、尺寸優化和形狀優化方法，通過多次迭代計算、驗證和改進，以得到滿足特定約束條件和目標的有限元模型。3）優化后車架模型的各工況最大應力同比降低14%～39%。各動態極限工況安全系數均大于2，整車起吊工況安全系數從1.01升至1.34，說明優化后模型滿足優化指標和設計要求。4）優化后車架質量同比降低了29%，通過應力云圖對比可以發現，優化后模型的結構設計和材料分布更科學、更合理，從而證實運用復合優化方法進行結構優化設計的可行性。

參考文獻

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