基于有限元計(jì)算的自卸車后橋殼優(yōu)化設(shè)計(jì)

羅朋 郭世均 王卓周 張麗敏 廖寶江

摘 要：后橋殼作為自卸車一個(gè)部件，承擔(dān)整車牽引力傳遞及各個(gè)方向載荷，受力復(fù)雜，沖擊大，且后橋殼上必須留有檢修孔和接線孔，導(dǎo)致其強(qiáng)度降低，因此有必要對(duì)礦卡常見幾種工況分析，然后在ANSYS中軟件中對(duì)后橋殼進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞分析，為后續(xù)后橋殼設(shè)計(jì)提供一定理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：自卸車；后橋殼；有限元；靜強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：U469 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）34-0089-02

Abstract： The rear axle housing， as a part of the dump truck， bears the tractive force transmission and all direction loads of the whole truck. The stress is complex and the impact is great. Moreover， the rear axle housing must have a repair hole and a connection hole， which leads to the decrease of its strength. Therefore， it is necessary to analyze the common working conditions of the mine card， and then the static strength and fatigue analysis of the rear axle housing are carried out in the software of ANSYS， which provides a theoretical basis for the follow-up design of the rear axle housing.

Keywords： dump truck； rear axle housing； finite element； static strength

后橋殼是電傳動(dòng)自卸車前橋上的一個(gè)重要部件，用于傳遞并承受車輛后部載荷，傳遞牽引力而使車輛前進(jìn)。在車輛行駛狀態(tài)下，它承受著多變的沖擊載荷，因此，要求其具有很高的強(qiáng)度[1]。本文利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)后橋殼進(jìn)行了超常載荷工況和模擬運(yùn)營載荷工況的靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度計(jì)算，校核后橋殼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)的可行性。

1 后橋殼有限元模型建立

后橋殼總成由后殼體、牽引座、三角架、橫拉桿支座、后懸掛支座以及通風(fēng)孔等部分組成。殼體與驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間采用螺栓連接，其中后橋殼內(nèi)有多根不同長度的筋板，筋板和后橋殼內(nèi)圈上的通孔均勻分布。后懸掛座和橫拉桿座采用關(guān)節(jié)軸承分別與后懸掛連接、橫拉桿連接。

后橋殼材料為HG70E高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼焊接而成，其中彈性模量E=206000N/mm2，泊松比μ=0.3，屈服強(qiáng)度=590MPa，密度為7860Kg/m3?；贖YPERMESH11.0和ANSYS12.1有限元分析軟件，建立了后橋殼的有限元計(jì)算模型。后橋殼采用四面體單元進(jìn)行離散，離散后有限元模型單元總數(shù)為373656，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為701976。后橋殼有限元計(jì)算模型見圖1。

2 載荷計(jì)算與工況設(shè)定

后橋殼強(qiáng)度計(jì)算的載荷參照礦山常見幾種工況，分別對(duì)后橋殼進(jìn)行超常載荷和運(yùn)營載荷的計(jì)算，其中超常載荷用于評(píng)定后橋殼的靜強(qiáng)度，模擬運(yùn)營載荷用于評(píng)價(jià)后橋殼的疲勞強(qiáng)度。在有限元計(jì)算模型中，約束條件采用彈性邊界。后橋殼牽引座與車架連接處施加垂向、縱向和橫向彈性邊界，后懸掛連接處施加垂向彈性邊界，車輪與地面接觸處施加橫向彈性邊界。載荷的加載位置按照載荷的實(shí)際作用位置以節(jié)點(diǎn)力方式進(jìn)行施加。模擬運(yùn)營工況：垂向載荷為1.5倍后橋簧上載荷，橫向載荷為0.7倍后橋重量，縱向載荷為額定持續(xù)牽引力及轉(zhuǎn)矩；超常載荷工況：垂向載荷為3倍后橋簧上載荷，橫向載荷為1倍后橋重量，縱向載荷為超載持續(xù)牽引力及轉(zhuǎn)矩。

3 后橋殼靜強(qiáng)度結(jié)果分析

將HYPERMESH處理完成的有限元模型導(dǎo)入ANSYS中計(jì)算，可得到運(yùn)營載荷和超常載荷各個(gè)工況下的后橋殼上最大Von Mises應(yīng)力，運(yùn)營載荷工況最大應(yīng)力152MPa，安全系數(shù)3.9，最大變形0.12mm'。超極限超常載荷工況最大應(yīng)力500MPa，安全系數(shù)1.2，最大變形0.23mm，由于該極限工況非常少見，且在材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi)，因此后橋殼靜強(qiáng)度滿足礦上工況運(yùn)營要求。由于后橋殼極限工況安全系數(shù)較低，因此不建議對(duì)后橋殼再進(jìn)行減重設(shè)計(jì)，后橋殼目前鋼板厚度為12mm，與同規(guī)格國際上其他礦用車后橋殼板厚差不多，因此，該后橋殼結(jié)構(gòu)滿足要求。

4 后橋殼疲勞強(qiáng)度分析

疲勞強(qiáng)度是指材料在無限多次交變載荷作用而不會(huì)產(chǎn)生破壞的最大應(yīng)力。參考德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN 17 100和焊縫標(biāo)準(zhǔn)DVS 1612的規(guī)定，參考HG70E材料的Moore-Kommer-Japer形式疲勞曲線，對(duì)后橋殼其他結(jié)構(gòu)的母材及焊縫進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)。

在進(jìn)行疲勞評(píng)估時(shí)，選取后橋殼其他結(jié)構(gòu)中應(yīng)力較大點(diǎn)，將各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力比及最大應(yīng)力值放入對(duì)應(yīng)材料的Moore-Kommer-Japer疲勞曲線圖中進(jìn)行比較，結(jié)果顯示所有點(diǎn)均在母材疲勞曲線之內(nèi)，表明后橋殼的母材疲勞強(qiáng)度均滿足要求。采用同樣的方法對(duì)后橋殼焊縫進(jìn)行疲勞評(píng)估，選取后橋殼所有焊縫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，將焊縫點(diǎn)應(yīng)力比及最大應(yīng)力值放入對(duì)應(yīng)材料的Moore-Kommer-Japer疲勞曲線圖中進(jìn)行比較，結(jié)果表明后橋殼焊縫的安全系數(shù)均大于1，滿足焊縫疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

5 后橋殼模態(tài)分析

為了研究后橋殼構(gòu)動(dòng)力特性，對(duì)后橋殼進(jìn)行模態(tài)分析。后橋殼模態(tài)分析利用后橋殼靜強(qiáng)度分析模型，利用Block Lanczos法，消除后橋殼剛體位移，計(jì)算出后橋殼前3階模態(tài)，鑒于高階模態(tài)超過100Hz，已無實(shí)際工程意義，這里并不做計(jì)算。通過軟件結(jié)果顯示，后橋殼1階固有頻率為56.8Hz，2階固有頻率為79.4Hz，3階固有頻率為93.2Hz。

6 結(jié)束語

本文利用HYPERMESH11.0和ANSYS12.1有限元分析軟件對(duì)電傳動(dòng)自卸車后橋殼進(jìn)行了靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析，計(jì)算結(jié)果表明：

（1）在超常載荷的各種工況下，后橋殼應(yīng)力均小于對(duì)應(yīng)材料的屈服極限，滿足靜強(qiáng)度要求。

（2）在模擬運(yùn)營載荷作用下，通過對(duì)后橋殼母材和各焊縫進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析，后橋殼母材各節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力均不超出對(duì)應(yīng)材料Moore-Kommer-Japer母材疲勞曲線，焊縫節(jié)點(diǎn)的最大值不超出相應(yīng)焊縫疲勞曲線，后橋殼結(jié)構(gòu)滿足疲勞強(qiáng)度要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙波.交流傳動(dòng)電動(dòng)輪自卸車結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京：中國鐵道出版社，2013.

[2]鄭森.非公路寬體自卸車車架結(jié)構(gòu)失效分析及疲勞壽命預(yù)測[D].吉林大學(xué)，2015.

[3]譚德高.輕型車車架的強(qiáng)度、剛度規(guī)范設(shè)計(jì)研究[D].武漢：武漢冶金科技大學(xué)，1999.

[4]王國強(qiáng).實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實(shí)踐[M].西北工業(yè)大學(xué)出版社，1999.

[5]胡紅軍，楊明波，張丁非.ANSYS10.0材料工程有限元分析實(shí)例教程[M].電子工業(yè)出版社，2008.