基于有限元法的大型銑刨機車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鐘 飛，王兆龍，朱振東，朱洪睿，李 想

（徐州徐工筑路機械有限公司，江蘇 徐州 221004）

隨著銑刨機噸位的增加，原有的經(jīng)驗公式和簡單的計算方法已經(jīng)無法滿足大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的設(shè)計計算，而有限元計算方法可以方便的處理復(fù)雜的裝配結(jié)構(gòu)，且計算結(jié)果直觀，計算精度高，因此在復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計中可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證結(jié)構(gòu)強度的同時有效控制重量［1-4］。本文以目前國內(nèi)最大噸位的刨機XM2205為例，介紹了基于有限元的大型銑刨機車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改進結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

1 車架模型介紹

車架是銑刨機的骨骼，也是銑刨機的軀干，用于安裝輸料系統(tǒng)集料系統(tǒng)和行走系統(tǒng)。其中前底板和后底板用于銑刨室發(fā)動機和散熱系統(tǒng)的安裝（見圖1）。車架的主要載荷見表1。

圖1 XM2205銑刨機車架

表1 車架主要載荷

車架的絕大部分材料用的Q345鋼，綜合力學(xué)性能優(yōu)良，塑性和焊接性良好，廣泛的用于制作工程車輛、起重設(shè)備、礦上設(shè)備等。

2 有限元模型的建立

圖2為建立的車架網(wǎng)格模型，節(jié)點數(shù)1306142個，單元數(shù)293334個。根據(jù)車架的工況載荷設(shè)置車架模型的邊界條件，如圖3所示。

圖2 車架網(wǎng)格模型

圖3 車架邊界條件

3 計算結(jié)果

如圖4所示，在鉸接架區(qū)域，鉸接孔的附近吸收應(yīng)力明顯，其中加強板的開孔處集中了最大應(yīng)力293MPa。從應(yīng)力數(shù)值來看，該區(qū)域的結(jié)構(gòu)需要做出相應(yīng)調(diào)整。

圖4 鉸接架應(yīng)力云圖

車架的前底板應(yīng)力分布如圖5所示，最大應(yīng)力為51.2MPa，可見車架前底板保留了比較充足的強度儲備，沒有明顯的薄弱區(qū)域，可以通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化合理布置材料減輕重量。

圖5 前底板應(yīng)力云圖

車架的后底板應(yīng)力分布如圖6所示，最大應(yīng)力為287MPa，應(yīng)力值偏大，發(fā)生位置為轉(zhuǎn)向油缸座區(qū)域。通過結(jié)構(gòu)的調(diào)整優(yōu)化，一方面減小最大應(yīng)力值，另一方面減輕結(jié)構(gòu)的重量。

圖6 后底板應(yīng)力云圖

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

如圖7所示，由前面的有限元分析，根據(jù)鉸接架的應(yīng)力分布可知，鉸接孔處有明顯的應(yīng)力集中，這是由于鉸接孔影響了加強筋板的連續(xù)性，減弱了加強筋板的強度。在新結(jié)構(gòu)的調(diào)整中去掉了鉸接孔，保持加強筋板的連續(xù)性，同時也避免了在加工孔過程中加工傷口的出現(xiàn)。

圖7 鉸接架加強板兩種結(jié)構(gòu)

由前底板的應(yīng)力分布可知，前底板在滿足結(jié)構(gòu)使用要求的前提下保持了充足的強度儲備。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，可以通過合理布置材料，對強度富足區(qū)域進行簡化。如圖8所示，前底板的前部作了細微的調(diào)整，將兩個缺角進行了補齊；在中部，對前底板的孔進行了改進，將孔向左右兩邊的距離進行了延伸，同時對孔內(nèi)靠后的倒角進行了大圓角處理，這樣可以減輕重量的同時減少應(yīng)力集中；在前底板的后部，將U形孔的寬度向左右兩邊進一步擴展，同時將U形孔的形狀優(yōu)化為階梯形，并對過渡處進行圓角化，使其光滑過渡，整個前底板優(yōu)化的目的就是要實現(xiàn)，應(yīng)力變化不大的基礎(chǔ)上，將重量進一步減輕。

由后底板的應(yīng)力分布云圖，后底板原結(jié)構(gòu)存在材料布置不合理，局部結(jié)構(gòu)有較大的缺陷，在新結(jié)構(gòu)的調(diào)整中，如圖9所示，將后底板前部U形開口的過渡圓角加大，同時在靠近中部的位置新增一個U形孔；對于后底板的后部，削減了T形孔的高度，這樣可以增加轉(zhuǎn)向油缸座附近的材料布置，增強局部結(jié)構(gòu)的強度，同時延伸T形孔左右兩邊的距離以及在T形孔與底邊之間新增了一個開孔，并將后端左右兩側(cè)的傾斜邊變?yōu)樨Q直邊，這樣可以將材料富裕的區(qū)域進行進一步簡化，減小結(jié)構(gòu)重量降低慣性載荷。質(zhì)量418kg。

圖8 前底板2種結(jié)構(gòu)

圖9 后底板2種結(jié)構(gòu)

鉸接架區(qū)域優(yōu)化后，最大應(yīng)力由293MPa減小為179MPa；前底板區(qū)域優(yōu)化后，最大應(yīng)力由51.2MPa增大為96.7MPa，最大應(yīng)力仍小于100MPa，結(jié)構(gòu)依然保持了充足的強度儲備，而結(jié)構(gòu)更加精簡，重量有大幅降低；后底板區(qū)域優(yōu)化后，結(jié)構(gòu)精簡的同時最大應(yīng)力由287MPa減小為172MPa；對比優(yōu)化前和優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，原結(jié)構(gòu)質(zhì)量為8012kg，新結(jié)構(gòu)質(zhì)量為7594MPa，共減少

5 結(jié)束結(jié)

XM2205銑刨機是目前國內(nèi)最大噸位的銑刨機，在作業(yè)時會承受更大的工況載荷，這就需要強度和剛度更大的車架結(jié)構(gòu)，同時為了降低能耗，減少作業(yè)時的慣性載荷，需要盡量控制結(jié)構(gòu)的重量。因此為了提高結(jié)構(gòu)可靠性的同時減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，根據(jù)大型銑刨機車架的結(jié)構(gòu)和工作特點，利用有限元思想，對車架模型進行了簡化，并對其進行了工況分析，確定了車架結(jié)構(gòu)的約束條件和載荷邊界，建立了XM2205大型銑刨機車架的有限元模型，通過分析計算對局部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化調(diào)整。通過結(jié)果對比，減輕了結(jié)構(gòu)的重量并讓應(yīng)力分布更加均勻，材料布置更加合理，提高了車架結(jié)構(gòu)關(guān)鍵區(qū)域的可靠性，結(jié)構(gòu)性能明顯提高。

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