輪式裝載機(jī)前車架的有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

蔡應(yīng)強(qiáng), 陳清林, 丁旭光

(1. 華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院， 福建 廈門 361021;

2. 集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 福建 廈門 361021;

3. 福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 廈門 361021)

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輪式裝載機(jī)前車架的有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

蔡應(yīng)強(qiáng)1,2,3, 陳清林2,3, 丁旭光2,3

(1. 華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院， 福建 廈門 361021;

2. 集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 福建 廈門 361021;

3. 福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 廈門 361021)

摘要：以某ZL50裝載機(jī)前車架為研究對(duì)象，利用Pro/E軟件建立三維實(shí)體模型，導(dǎo)入ABAQUS軟件建立有限元模型.基于載荷-時(shí)間歷程的動(dòng)態(tài)有限元分析，獲得典型工況下的前車架應(yīng)力分布云圖.結(jié)果表明：在舉升和卸載工況下，局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值過大，應(yīng)力集中位置較多；在應(yīng)力集中位置增設(shè)加強(qiáng)筋和過渡圓角，并對(duì)加強(qiáng)筋板厚度進(jìn)行優(yōu)化后，前車架受力狀況得到明顯改善，應(yīng)力集中現(xiàn)象得以消除，安全系數(shù)提高近200%.

關(guān)鍵詞：裝載機(jī)； 前車架； 有限元； 優(yōu)化

輪式裝載機(jī)是典型的鏟土運(yùn)輸機(jī)械，被廣泛地應(yīng)用于公路、礦山、建筑等各類工程建設(shè)之中.前車架是裝載機(jī)的承載基體，在作業(yè)和行走過程中承受著工作裝置和車橋傳遞的力矩載荷、工作阻力載荷及惡劣路況的沖擊載荷，容易發(fā)生強(qiáng)度破壞.因此，對(duì)車架進(jìn)行強(qiáng)度分析是裝載機(jī)設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中相當(dāng)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，也是工程機(jī)械方面研究的熱點(diǎn)之一[1].本文以某ZL50裝載機(jī)前車架為研究對(duì)象，利用Pro/E和ABAQUS軟件建立有限元模型，實(shí)現(xiàn)有限元模型的加載仿真.

1前車架有限元模型

1.1　有限元實(shí)體建模

鉸接式裝載機(jī)的車架主要由前車架、后車架和副車架組成.前車架采用箱形結(jié)構(gòu)，形狀復(fù)雜，是連接后車架、支撐工作裝置和前輪的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)[2].采用基于三維CAD軟件的參數(shù)化建模[3-7]，在Pro/E環(huán)境中，建立前車架的三維實(shí)體模型,將其導(dǎo)出為“.Parasolid”格式后，以部件“Part”的形式導(dǎo)入ABAQUS中，得到有限元實(shí)體模型.

1.2　網(wǎng)格劃分

前車架是由低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345A板材焊接而成的箱式構(gòu)件，截面形狀突變較多.為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的均勻化，提高解析精度，采用三維連續(xù)實(shí)體單元中的修正二次四面體單元形狀劃分網(wǎng)格，得到有限元網(wǎng)格模型,如圖1所示.

網(wǎng)格幾何形狀確保解析精度，而網(wǎng)格疏密度則決定解析速率[4].為了提高解析速率，對(duì)應(yīng)力梯度變化較大的部位，增加網(wǎng)格密度，對(duì)其他承載水平低的次要結(jié)構(gòu)部位，適當(dāng)降低網(wǎng)格密度.

1.3　約束與載荷施加

前車架的連接副模型，如圖2所示.將前車架的支撐作為邊界條件，模擬前車架在承載時(shí)的支撐狀態(tài).前車架與前橋通過左右對(duì)稱的固定副連接，在不考慮作業(yè)滑轉(zhuǎn)率及輪胎形變引起的前橋位移情況下，可認(rèn)為是空間固定副，對(duì)其空間6自由度進(jìn)行約束.前車架與后車架通過同軸的球鉸副1和球鉸副2連接，對(duì)X，Z方向的2個(gè)平移自由度進(jìn)行約束，釋放其他自由度.

輪式裝載機(jī)的典型作業(yè)工況分為插入、鏟裝、舉升和卸載等4個(gè)過程.以ZL50裝載機(jī)的設(shè)計(jì)鏟裝質(zhì)量5 t為作業(yè)載荷，考慮偏載情況，將載荷重心設(shè)置在鏟斗前切削刃左側(cè)1/3處，一個(gè)工作循環(huán)為27 s.通過建立整車機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)整車機(jī)構(gòu)施加作業(yè)載荷進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真.在旋轉(zhuǎn)副1～5的位置設(shè)置測量坐標(biāo)，通過測量上述坐標(biāo)，可獲取仿真工況中前車架旋轉(zhuǎn)副1～5的載荷-時(shí)間(F-t)歷程，如圖3所示.該載荷-時(shí)間歷程為前車架在典型作業(yè)工況中所承受的工作載荷.將該載荷-時(shí)間歷程以數(shù)據(jù)表格的形式導(dǎo)出，在有限元載荷加載中，以幅值曲線的形式予以施加.

(a) 旋轉(zhuǎn)副 (b) 球鉸副　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2　前車架的連接副模型　　　　　　　　　　　　　　圖3　載荷-時(shí)間歷程曲線　　　Fig.2　Joint model of the front frame　　　　　　　　　　Fig.3　Loading-time course curve

2前車架有限元應(yīng)力分析

根據(jù)裝載機(jī)的典型作業(yè)工況，加載工作載荷到前車架有限元模型中進(jìn)行解算，獲取前車架的應(yīng)力分布云圖進(jìn)行強(qiáng)度分析.分析結(jié)果表明:在4種工況下，前車架多個(gè)位置均出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象.其中,舉升工況與卸載工況下的應(yīng)力較大，應(yīng)力集中點(diǎn)較多，峰值應(yīng)力水平較高.前車架在舉升工況下的應(yīng)力分布,如圖4所示.

由圖4可知：左側(cè)應(yīng)力明顯較高，與插入阻力向左側(cè)偏載的實(shí)事相符，高應(yīng)力區(qū)域幅值明顯上升，介于33.47～37.19 MPa之間；等應(yīng)力幅值面積大幅增加，A，B，C等3個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)最大應(yīng)力值大幅增加，最高達(dá)186.8 MPa；點(diǎn)D～H也出現(xiàn)了應(yīng)力集中，但遠(yuǎn)低于Q345A鋼的屈服極限.

前車架在卸載工況的負(fù)載是逐步降低的，初始時(shí)刻的應(yīng)力較高，如圖5所示.由圖5可知：點(diǎn)A～H應(yīng)力集中情況依然明顯，但最大應(yīng)力值有所下降.前車架在各種工況下點(diǎn)A～H的應(yīng)力峰值，如表1所示.表1中：K為安全系數(shù)；σmax為應(yīng)力峰值.

(a) 正面 (b) 背面　　　　　　　　　(a) 正面 (b) 背面圖4　舉升工況應(yīng)力分布云圖　　　　　　　　　　　　圖5　卸載工況應(yīng)力分布云圖Fig.4　Stress distribution graph in 　　　　　　　　　　Fig.5　Stress distribution graph in 　lifting working condition　　　　　　　　　　　　　　unloading working condition

工況σmax/MPaABCDEFGHK插入37.1940.91114.10-----3.02鏟裝--93.03-----3.71舉升186.80170.7755.1342.5369.7475.3841.1870.721.85卸載171.24153.7151.9841.57-67.4339.1967.242.02

3前車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

3.1　結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

根據(jù)有限元分析結(jié)果，前車架在作業(yè)過程中存在多處應(yīng)力集中,導(dǎo)致局部峰值應(yīng)力過高的危險(xiǎn)位置(點(diǎn)A～H)，其主要原因是板材連接面截面的形狀突變和焊縫質(zhì)量不良.針對(duì)上述薄弱位置，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)改進(jìn)，并進(jìn)行優(yōu)化以改善應(yīng)力分布.

針對(duì)危險(xiǎn)位置的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案如下：點(diǎn)A，增加過渡圓角結(jié)構(gòu)，減緩接頭處截面突變；點(diǎn)B，延長加強(qiáng)筋板，使加強(qiáng)筋板與前橋隔板相連，消除直角截面；點(diǎn)C，在兩板連接線前端增加垂直加強(qiáng)筋板；點(diǎn)D，同點(diǎn)B；點(diǎn)E，暫不作改進(jìn)；點(diǎn)F，在兩板連接線前端增加垂直加強(qiáng)筋板；點(diǎn)H，沿內(nèi)側(cè)板邊緣向上延長加強(qiáng)筋板至與橫箱頂板相連.改進(jìn)后的前車架結(jié)構(gòu)圖，如圖6所示.圖6中：各加強(qiáng)筋板厚度初設(shè)為35 mm.

(a) 正面　　　　　　　　(b) 背面圖6　改進(jìn)后的前車架結(jié)構(gòu)圖Fig.6　Improved structural diagram of the front frame

3.2　結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)前車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步改進(jìn)后，按照等強(qiáng)度原則，采用導(dǎo)重準(zhǔn)則法[8-10]進(jìn)行優(yōu)化.對(duì)前車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)是在增質(zhì)量最小的情況下，前車架的結(jié)構(gòu)應(yīng)力最優(yōu)，屬于質(zhì)量約束結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題.因此，以增加板材的質(zhì)量xi為設(shè)計(jì)變量，增加板材的總質(zhì)量W(X)為約束函數(shù)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力f(X)為目標(biāo)函數(shù)，建立優(yōu)化模型為

式(1)中:W0為優(yōu)化前增加板材的初始總質(zhì)量；R(X)為設(shè)計(jì)變量X的特征應(yīng)力，即

構(gòu)造函數(shù)為

選取M3，M4，M5與M6的板厚作為設(shè)計(jì)變量，分別以x1，x2，x3，x4表示，則第i組板的單元質(zhì)量可表示為

增加板材的總質(zhì)量為

在以質(zhì)量為約束的導(dǎo)重準(zhǔn)則法中，式(6)為設(shè)計(jì)變量xi的迭代通式.引入步長因子α，可得設(shè)計(jì)變量xi的尋優(yōu)迭代公式為

在初始結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案中，板厚均采用最大厚度35mm.因此，設(shè)計(jì)變量xi(i=1,2,3,4)的上限值xi，max取 35mm，并設(shè)定下限值xi，min為 5mm.考慮Q345A鋼的許用應(yīng)力，優(yōu)化模型的應(yīng)力約束條件的上限值取345MPa.經(jīng)過迭代運(yùn)算后，可得優(yōu)化結(jié)果，如表2所示.

表2　前車架初步改進(jìn)方案優(yōu)化結(jié)果

4前車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化驗(yàn)證

在相同載荷情況下，對(duì)改進(jìn)和優(yōu)化后的前車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，鑒于前述分析結(jié)果，舉升工況和卸載工況應(yīng)力峰值較大，對(duì)改進(jìn)前后的應(yīng)力分布云圖進(jìn)行對(duì)比，如圖7,8所示.優(yōu)化前后各工況的應(yīng)力峰值和安全系數(shù)對(duì)比,如表3所示.表3中：σmax為最大應(yīng)力；η為降低比例.

(a) 優(yōu)化前 (b) 優(yōu)化后　　　　　　　　　(a) 優(yōu)化前 (b) 優(yōu)化后圖7　舉升工況應(yīng)力分布云圖　　　　　　　　　　　　　圖8　卸載工況應(yīng)力分布云圖Fig.7　Stress distribution graph in　　　　　　　　　　　Fig.8　Stress distribution graph in　　lifting working condition　　　　　　　　　　　　　　　unloading working condition

工況σmax/MPa優(yōu)化前優(yōu)化后η/%K優(yōu)化前優(yōu)化后插入114.1039.7164.863.028.69鏟裝93.0329.7568.023.7111.60舉升186.8060.6667.531.855.69卸載171.2455.6667.502.026.20

由表3可知：優(yōu)化后的前車架結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中問題得到很大程度的改善，點(diǎn)A～H的應(yīng)力集中現(xiàn)象已消除，前車架在作業(yè)工況中的最大應(yīng)力由優(yōu)化前的186.8MPa下降到優(yōu)化后的60.66MPa，前車架最低安全系數(shù)由優(yōu)化前的1.85提升到優(yōu)化后的5.69，結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化效果明顯，很大程度上改善了前車架的受力情況.

5結(jié)束語

以某ZL50裝載機(jī)前車架為對(duì)象，利用Pro/E和ABAQUS軟件建立有限元模型，添加約束，施加實(shí)際載荷，實(shí)現(xiàn)有限元模型的加載仿真.獲取前車架在裝載機(jī)典型工況中的應(yīng)力分布云圖，可發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中問題較為凸出，舉升與卸載工況應(yīng)力峰值較高，達(dá)到186.8MPa，且分布區(qū)域較廣，說明原有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理.通過改進(jìn)前車架結(jié)構(gòu)，增加過渡圓角，消除截面突變，增加加強(qiáng)筋板，并采用導(dǎo)重準(zhǔn)則法對(duì)增加筋板的厚度進(jìn)行優(yōu)化處理后，最大應(yīng)力幅值明顯降低，僅有60.66MPa，降幅達(dá)67.5%，前車架結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中問題得到大幅改善，安全系數(shù)得到較大提高，結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化效果明顯.

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(責(zé)任編輯： 錢筠 英文審校： 楊建紅)

FiniteElementAnalysisandStructuralOptimizationof

theFrontFrameofWheelLoader

CAIYingqiang1,2,3,CHENQinglin2,3,DINGXuguang2,3

(1.CollegeofMechanicalEngineeringandAutomation,HuaqiaoUniversity,Xiamen361021,China;

2.SchoolofMarineEngineering，JimeiUniversity，Xiamen361021，China；

3.FujianProvincialKeyLaboratoryofNavalArchitectureandOceanEngineering，Xiamen361021，China)

Abstract：Taking ZL50 loader as the research object, 3D model was created by the Pro/E software. By importing the model to the ABAQUS software, the finite element model was established. Based on the dynamic finite element analysis of the loading-time course, the stress distribution graph of the front frame under typical working conditions was obtained. The results show that the local structural stress peak was too large and stress concentration points were too many under lifting and unloading working conditions. Increasing the reinforcing rib and the transition fillet at the stress concentration points, and optimizing the thickness of the reinforcing rib, the stress status of the front frame was obviously improved. The stress concentration phenomenon was eliminated. The safety coefficient was improved about 200%.

Keywords：loader; front frame; finite element; optimization

基金項(xiàng)目：交通部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2014329815100)； 福建省高校產(chǎn)學(xué)研重大項(xiàng)目(2014H6020)

通信作者：蔡應(yīng)強(qiáng)(1980-)，男，講師，博士研究生，主要從事船舶、機(jī)械設(shè)備的機(jī)電液一體化設(shè)計(jì)及虛擬仿真的研究.E-mail:cai0929@126.com.

收稿日期：2015-09-22

中圖分類號(hào)：TH 243.1; O 242.21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.2016.01.0027

文章編號(hào)：1000-5013(2016)01-0027-05