基于有限元的某礦用車橋橋殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

丁煒琦，蘇武，鄭小艷，鞏占峰

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基于有限元的某礦用車橋橋殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

丁煒琦，蘇武，鄭小艷，鞏占峰

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710200）

文章主要對(duì)國內(nèi)某礦用車驅(qū)動(dòng)橋橋殼在設(shè)計(jì)工況下的可靠性進(jìn)行有限元分析，并結(jié)合售后故障對(duì)該驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。采用非線性靜力有限元方法，考慮加工與鑄造工藝，對(duì)橋殼進(jìn)行多輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，橋殼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力明顯下降，從而降低了橋殼售后故障率，有效的提高了整橋可靠性。

橋殼；有限元分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；可靠性

前言

礦用自卸車一般主要在礦區(qū)使用，行駛路面差，且行駛工況主要為低速重載，驅(qū)動(dòng)橋作為整車的關(guān)鍵零部件總成，在整車行駛過程中有著承載、驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)等重要功能，因此，驅(qū)動(dòng)橋橋殼的結(jié)構(gòu)可靠性關(guān)系到整個(gè)礦用車的使用性能。

目前，國內(nèi)對(duì)于車橋研究主要集中在重卡和客車驅(qū)動(dòng)橋方面，而對(duì)礦用車驅(qū)動(dòng)橋的研究并不多見。丁煒琦[1]等人應(yīng)用有限元分析方法對(duì)國內(nèi)某重型車橋的強(qiáng)度進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，結(jié)合有限元結(jié)果對(duì)該橋殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；何維聰[2]等人對(duì)國內(nèi)某輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析，并對(duì)該驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高該橋殼可靠性。本文建立了某礦用車驅(qū)動(dòng)橋橋殼總成有限元分析模型，應(yīng)用非線性有限元分析方法，計(jì)算橋殼在重載、驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)工況下的強(qiáng)度。通過與橋殼售后失效模式對(duì)比，驗(yàn)證本次有限元分析方法的正確性，并將售后失效模型與有限元結(jié)果緊密結(jié)合起來，對(duì)該橋殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高整橋的可靠性，降低該橋殼的售后故障率。

1 有限元法簡介

有限元法是分析解決各種結(jié)構(gòu)問題的強(qiáng)有力工具，它是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的突破而發(fā)展出來的一種數(shù)值分析方法。其主要是利用數(shù)學(xué)模型對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行仿真，將復(fù)雜問題簡化成數(shù)學(xué)模型再進(jìn)行求解。目前，有限元方法在對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)問題分析和優(yōu)化方面，是一種最成功、最有效、最廣泛的近似分析方法，成為工程人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化、科學(xué)研究等不可缺少的重要手段。

2 建立礦用橋殼有限元模型

該礦用橋殼結(jié)構(gòu)為實(shí)體結(jié)構(gòu)，橋殼采用四面體單元、螺栓采用六面體結(jié)構(gòu)劃分[3]。橋殼材料性能見表1。

表1 該礦用橋殼材料性能

將橋殼、減殼導(dǎo)入有限元軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得如圖1該礦用車橋殼網(wǎng)格劃分后的有限元模型，共包括1796375個(gè)單元。

3 礦用橋殼的有限元分析

該礦用自卸車行駛路面復(fù)雜，多為山區(qū)和礦區(qū)，以低速重載、長距離上坡、頻繁制動(dòng)等為主，所以分析時(shí)，考慮一般路重載、驅(qū)動(dòng)（上坡）、制動(dòng)（下坡）三種工況，各工況施加載荷計(jì)算和加載方法參見文獻(xiàn)[4][5][6]。

圖2 重載工況應(yīng)力云圖

圖3 制動(dòng)工況應(yīng)力云圖

圖4 驅(qū)動(dòng)工況應(yīng)力云圖

模型中各零件之間采用螺栓連接，在定義約束和施加載荷時(shí)，將板簧、推力桿等連接件簡化為RBE2、RBE3等單元，提交有限元求解器，進(jìn)行非線性靜力學(xué)計(jì)算，得到各工況下的應(yīng)力云圖如圖2、圖3、圖4所示。

表2給出了各設(shè)計(jì)工況下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值。

表2 優(yōu)化前橋殼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力

4 礦用橋殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化

經(jīng)過對(duì)該型號(hào)礦用車橋殼故障模式經(jīng)過分析，該驅(qū)動(dòng)橋橋殼氣室支架安裝凸臺(tái)與后蓋過渡處漏油（如圖5）占整個(gè)橋殼故障模式80%以上,經(jīng)過與有限元結(jié)果對(duì)比后橋殼漏油位值與驅(qū)動(dòng)工況下橋殼最大應(yīng)力位置相同，從而驗(yàn)證了有限元算分析的準(zhǔn)確性，所以橋殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要對(duì)橋殼漏油位置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化，提高橋殼的安全系數(shù)。

圖5 橋殼故障位置

4.1 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)

基于有限元計(jì)算結(jié)果，結(jié)合整橋售后失效模式，同時(shí)考慮工藝性對(duì)橋殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖6。

圖6 優(yōu)化前后橋殼結(jié)構(gòu)對(duì)比

4.2 優(yōu)化前后應(yīng)力對(duì)比

將優(yōu)化后的該礦用橋殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，按照前述工況進(jìn)行有限元分析。

優(yōu)化前、后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)比如下表2。

表3 優(yōu)化前后強(qiáng)度對(duì)比

綜上所述，優(yōu)化后橋殼最大應(yīng)力在各個(gè)工況下分別降低16%、37%、15%，橋殼安全系數(shù)顯著提高?？梢哉f，橋殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化后可有效降低該型號(hào)礦用車橋殼售后故障率。

4.3 優(yōu)化后橋殼市場(chǎng)驗(yàn)證

將該橋殼優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行市場(chǎng)驗(yàn)證，到目前為止，整車行駛10萬公里橋殼無故障發(fā)生，驗(yàn)證了用有限元方法對(duì)橋殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和本次橋殼優(yōu)化方法的正確性。

5 結(jié)論

本文應(yīng)用有限元方法對(duì)橋殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，最大應(yīng)力位置與實(shí)際售后故障位置一致，驗(yàn)證了該有限元分析方法的準(zhǔn)確性。結(jié)合有限元分析結(jié)果對(duì)該礦用驅(qū)動(dòng)橋橋殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后，橋殼各個(gè)工況下最大應(yīng)力均有明顯下降，從而提高了橋殼強(qiáng)度，同時(shí)經(jīng)過市場(chǎng)驗(yàn)證后，有效的降低該橋殼售后故障率。本文的橋殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法可應(yīng)用于對(duì)類似零件進(jìn)行有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

[1] 丁煒琦等.基于拓?fù)鋬?yōu)化的某重型車橋橋殼輕量化設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù),2011(Z2).

[2] 何維聰?shù)?基于有限元的某輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù),2017(10):23-24.

[3] 丁煒琦等. 基于拓?fù)鋬?yōu)化的某重卡輪轂輕量化設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù),2013(10):22-24.

[4] 竺延年.最新車橋設(shè)計(jì),制造,質(zhì)量檢測(cè)及國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用手冊(cè).北京:中國知識(shí)出版社,2005.

[5] 劉維信.汽車車橋設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.1.

[6] 賴姆佩爾.懸架元件及底盤力學(xué)[M].吉林:吉林科學(xué)技術(shù)出版社, 1991.

Structural Optimization Design of A Mining Axle Housing Based on Finite Element Method

Ding Weiqi, Su Wu, Zheng Xiaoyan, Gong Zhanfeng

( Shaanxi Hande Axle Co. LTD, Shaanxi Xi'an 710200 )

Finite element analysis was performed on the reliability under design conditions of a mining drive axle housing, and structural optimization was performed with the after-sale fault. Using nonlinear static finite element method, structure optimization of the Mining Axle Housing were performed with the machining and casting process. After the structural optimization design, the maximum stress and the failure rate of the axle housing are significantly reduced,and the reliability of the axle is effectively improved.

Axle Housing; Finite Element Analysis; Structural Optimization; Reliability

B

1671-7988(2018)18-87-03

U467

B

1671-7988(2018)18-87-03

CLC NO.: U467

丁煒琦，就職于陜西漢德車橋有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.030