某礦用車多種工況下的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳樹勛，陳建軍，陳偉光

(廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530004)

礦用車主要用于礦區(qū)礦石、煤等物料倒運(yùn)，大型工地土石倒運(yùn)，水泥廠礦石倒運(yùn)等。目前，我國(guó)利用有限元法對(duì)汽車進(jìn)行有限元分析，已得到全面發(fā)展和普遍應(yīng)用，應(yīng)用有限元與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)車架靜、動(dòng)態(tài)特性、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及抗疲勞設(shè)計(jì)等方向展開了研究[1]。以前的研究在靜態(tài)分析方面，大都集中在對(duì)車架在彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種工況下的分析計(jì)算，對(duì)車架及車廂在其他工況下的聯(lián)合分析研究相對(duì)較少。由于汽車在行駛過(guò)程中，可能經(jīng)歷各種復(fù)雜工況，如緊急制動(dòng)、緊急轉(zhuǎn)彎、顛簸、傾斜、一輪懸空、一輪騎高等，且多種工況可能同時(shí)發(fā)生。

本文以某企業(yè)生產(chǎn)的載質(zhì)量60 t礦用車為例，全面研究了礦用車在多種危險(xiǎn)工況下的載荷、約束及其施加方法，利用ANSYS軟件完成了該礦用車結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模、有限元分析，得出了各種工況下車架與車廂結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，是尋求結(jié)構(gòu)的最佳設(shè)計(jì)方案，以完美解決結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度等動(dòng)靜力特性與結(jié)構(gòu)重量、造價(jià)等設(shè)計(jì)可用資源之間的矛盾，其實(shí)質(zhì)是合理分配設(shè)計(jì)資源。由于ANSYS中優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊功能有限，很少有人涉及這一問(wèn)題。本文采用以ANSYS與導(dǎo)重法相結(jié)合方法為基礎(chǔ)的SOGA1軟件，成功地對(duì)該礦用車進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)結(jié)構(gòu)布局調(diào)優(yōu)與構(gòu)件尺寸自動(dòng)優(yōu)化迭代，得到該礦用車結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化效果十分明顯：在整車結(jié)構(gòu)重量不變的前提下，大幅度地提高了該礦用車的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使車廂各工況最大應(yīng)力由725 MPa下降到296 MPa，下降了59%，使車架最大應(yīng)力由原來(lái)的745 MPa下降到276 MPa，下降了63%。

1 礦用車結(jié)構(gòu)有限元分析

1.1 礦用車結(jié)構(gòu)有限元分析模型

某企業(yè)生產(chǎn)的礦用車，主要由底盤、車架、駕駛樓、車廂組成，結(jié)構(gòu)承受的載荷主要是礦物質(zhì)量與結(jié)構(gòu)本身質(zhì)量在多種行駛環(huán)境中產(chǎn)生的慣性載荷。這些載荷主要由車廂與大梁結(jié)構(gòu)承受。利用ANSYS完成的車架與車廂結(jié)構(gòu)造型如圖1。

圖1 車廂車架整體結(jié)構(gòu)圖

采用shell63板單元、Solid45實(shí)體單元和對(duì)其進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分如圖2。車廂通過(guò)鉸銷與車架后端相連，車廂底部縱梁與車架縱梁建接觸副。

圖2 礦用車的有限元模型

采用Combin14彈簧元來(lái)模擬車架與前后橋間板簧系統(tǒng)對(duì)車架的彈性約束作用：車架分別通過(guò)吊耳板簧和懸架板簧與前后車橋相連，故在吊耳底面和懸架上底面施加垂直方向彈簧元，以模擬板簧對(duì)車架的垂直方向彈性約束作用；同時(shí)在吊耳與懸架上，施加左右方向彈簧元以模擬車輪通過(guò)地面摩擦對(duì)車架結(jié)構(gòu)的左右約束作用，如圖3所示，車架前后方向的約束則通過(guò)與車橋相連的拉桿連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3 彈簧元約束

1.2 分析計(jì)算結(jié)果

共對(duì)8種工況進(jìn)行了結(jié)構(gòu)有限元分析：

工況1——滿載，靜止與平穩(wěn)行駛；

工況2——滿載，加速，顛簸行駛；

工況3——滿載，轉(zhuǎn)彎側(cè)斜，剎車，顛簸行駛；

工況4——滿載，一側(cè)前輪懸空；

工況5——滿載，一側(cè)后輪下陷；

工況6——滿載，一側(cè)前輪騎高；

工況7——滿載，一側(cè)后輪騎高；

工況8——滿載，側(cè)斜開始頂起卸料。

表1列出了8種工況分析結(jié)果的車架與車廂最大復(fù)合應(yīng)力數(shù)值和位置。這與該礦用車產(chǎn)品在實(shí)際使用中發(fā)生破壞的情況完全吻合。

表1 各工況結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力數(shù)值與部位 (MPa)

圖4～圖7為應(yīng)力最大的工況6——滿載、一側(cè)前輪騎高情況下，結(jié)構(gòu)分析計(jì)算結(jié)果的主要構(gòu)件應(yīng)力分布云圖，廠家給出的前輪騎高高度為200 mm，通過(guò)設(shè)定一側(cè)前吊耳彈簧元約束點(diǎn)Y向位移實(shí)現(xiàn)。

圖4 工況6全局應(yīng)力分布云圖

圖5 工況6的車廂應(yīng)力分布云圖

圖6 工況6的主縱梁應(yīng)力分布云圖

圖7 工況6的平衡懸架的應(yīng)力分布云圖

2 礦用車優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化模型及方法

從礦用車結(jié)構(gòu)分析可看出，該礦用車應(yīng)力較大，很容易破壞。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的，應(yīng)當(dāng)是提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。為此，建立如下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型：

為解決ANSYS求敏度時(shí)變量數(shù)目不能多于20而本礦用車變量較多的矛盾，對(duì)車架與車廂分別進(jìn)行優(yōu)化，車廂部分18個(gè)設(shè)計(jì)變量，車架部分16個(gè)設(shè)計(jì)變量，共34個(gè)設(shè)計(jì)變量；

目標(biāo)函數(shù)R（X）為構(gòu)件主要大應(yīng)力的k次均方根包絡(luò)函數(shù)[2]；

生產(chǎn)工藝要求，結(jié)構(gòu)外形尺寸設(shè)計(jì)變量取值不得大于行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范限制，鋼板厚度設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，應(yīng)為鋼材廠供應(yīng)的板厚序列數(shù)值，結(jié)構(gòu)重量不得大于初始重量。

ANSYS自帶優(yōu)化模塊采用的優(yōu)化方法，是求解一般優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)規(guī)劃法，用于求解大型工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題的優(yōu)化效果和優(yōu)化效率都很差[2]。本文采用一種工程實(shí)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化高效方法—ANSYS與導(dǎo)重法相結(jié)合法[3]，利用以該方法為基礎(chǔ)的軟件SOGA1進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]，即利用ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析以及復(fù)合應(yīng)力等結(jié)構(gòu)特性，對(duì)設(shè)計(jì)變量的差分敏度計(jì)算，利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化導(dǎo)重法進(jìn)行優(yōu)化迭代計(jì)算，收到了十分顯著的優(yōu)化效果。

2.2 優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

該礦山車結(jié)構(gòu)優(yōu)化，包括布局調(diào)優(yōu)與構(gòu)件尺寸自動(dòng)優(yōu)化迭代兩步。布局調(diào)優(yōu)，主要是根據(jù)局部大應(yīng)力的發(fā)生部位與結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，直接對(duì)結(jié)構(gòu)局部設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)優(yōu)，例如為減少平衡懸架底板處發(fā)生的最大應(yīng)力，可加大該底板的面積。

車架和車廂結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸優(yōu)化，采用自動(dòng)優(yōu)化迭代軟件SOGA1，分別交替經(jīng)過(guò)5次迭代，優(yōu)化計(jì)算收斂。表2與表3分別給出車廂與車架結(jié)構(gòu)由化迭代計(jì)算中，各構(gòu)件板厚等設(shè)計(jì)變量、最大應(yīng)力目標(biāo)函數(shù)與結(jié)構(gòu)總重量約束函數(shù)的數(shù)值變化列表。

表2 車廂化迭代計(jì)算歷程列表

表3 車架化迭代計(jì)算歷程列表

從表中看出，在整車結(jié)構(gòu)重量不變的前提下，經(jīng)過(guò)布局調(diào)優(yōu)與構(gòu)件尺寸自動(dòng)優(yōu)化，車廂各工況最大應(yīng)力由724.5 MPa下降到296 MPa，下降了59.1%，車架最大應(yīng)力由原來(lái)的745 MPa降到276.4 MPa，下降了62.9%。

2.3 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)分析

表4列出結(jié)構(gòu)優(yōu)化后8種工況結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的車架與車廂最大復(fù)合應(yīng)力數(shù)值和位置。

表4 各工況結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力數(shù)值與部位 (MPa)

圖8～圖11為結(jié)構(gòu)優(yōu)化后應(yīng)力最大的工況6——滿載、一側(cè)前輪騎高情況下，結(jié)構(gòu)分析計(jì)算結(jié)果的主要構(gòu)件應(yīng)力分布云圖。

圖8 工況6全局應(yīng)力分布云圖

圖9 工況6的車廂分布云圖

圖10 工況6的主縱梁分布云圖

圖11 工況6平衡懸架的應(yīng)力分布云圖

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)某礦用車多種工況的結(jié)構(gòu)分析，給出了各工況應(yīng)力最大的數(shù)值與部位，與該礦用車產(chǎn)品在實(shí)際使用中發(fā)生破壞的情況完全吻合。

（2）根據(jù)結(jié)構(gòu)分析反映出的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較差的特點(diǎn)，確定以提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。通過(guò)布局調(diào)優(yōu)和構(gòu)件尺寸自動(dòng)優(yōu)化時(shí)，各工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力大幅度下降，顯著提高了該礦用車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

（3）本工程應(yīng)用算例，再次驗(yàn)證了ANSYS與導(dǎo)重法相結(jié)合的優(yōu)化方法[3]是一種工程實(shí)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化高效方法，以該方法為基礎(chǔ)的軟件SOGA1是很有效的優(yōu)化軟件。

導(dǎo)重法與ANSYS相結(jié)合，是一種很實(shí)用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。

[1]劉克進(jìn)，楊沿平.車身骨架變形的有限元分析[J].湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào),2004(2):72-74.

[2]陳樹勛.工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的分析、綜合與優(yōu)化設(shè)計(jì)——理論、方法及工程應(yīng)用案例[M].北京：中國(guó)科學(xué)文化出版社，2008.

[3]陳樹勛，李威龍.一種實(shí)用的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2003，20(1)：41-44.

[4]陳樹勛，常 虹，李從偉.以ANSYS為分析器以導(dǎo)重法為優(yōu)化器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化通用軟件開發(fā)[J].裝備制造技術(shù)，2008，（12）：6-8.