某重型礦用自卸車車廂結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U463.84 收稿日期：2025-03-14 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.07.012

Structural Analysis and Optimization of a Heavy Mining Dump Truck Carriage

Chai Junlin Liu Shuai

CollegeofEnergyandPowerEnginering，InnerMongoliaUniversityofTechnology，HohhotO1o051，China

Abstract：Heavyminingdumptruckcarriagecontiuouslyoperatesundercomplexconditionsandheavyload，soitsstructuralperformanceisveryimportanttovehiclesafetyTherefore，atre-dimensionalgeometricmodelofaheavyminingdumptruckcariageis established，andtenthefiniteelementmeshngisompletedtoconstructthecaiagegridmodel.Testressanddeformatioofthe heavyminingumptruckcariageundertreetypicaldrivingconditionsareaalyedndtenthestructuralotimzationesigiscar riedoutforthestressnddeformationconcentrationparts，andteotimizedstructuralpeformanceisomparedandanalzedhee sultsshowthat，tegeometricmodelandmeshmodelofthecariageholdhighquality，whichcanmettherequirementsoffiniteelementsimulationcalculation.Theructuraloptimizationdsignofthefrontliftinglugs，rearliftinglugsandfrontsidewalleamimproves the stiffness and strength of the carriage.

Key words：Heavy mining dump truck;Carriage structure optimization;Finite element analysis

1前言

重型礦用自卸車是露天礦山開采中的重要機(jī)械設(shè)備，其載重噸位大，道路條件復(fù)雜。因此，作為重型礦用自卸車直接承載的工作部件，車廂結(jié)構(gòu)必須具有足夠高的安全性。

對(duì)于車輛部件的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，一些學(xué)者多采用有限元法對(duì)其進(jìn)行研究[1-4]。趙陽等[5]針對(duì)某150t礦用自卸車車廂，以一種基于Workbench模式的混合單元參數(shù)化有限元建模分析技術(shù)進(jìn)行了車廂多工況受力分析，采用高強(qiáng)度鋼代替普通結(jié)構(gòu)鋼完成了車廂輕量化設(shè)計(jì)。萬強(qiáng)等6基于自卸車車廂結(jié)構(gòu)的有限元建模與分析，以車廂結(jié)構(gòu)總質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)車廂模型進(jìn)行重構(gòu)，并對(duì)優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了對(duì)比。譚麗輝等7針對(duì)礦用自卸車，建立了基于有限元網(wǎng)格的貨廂側(cè)板與底板對(duì)物料顆粒的作用力分布關(guān)系。

本研究針對(duì)某款重型礦用自卸車車廂，建立其完整且準(zhǔn)確的三維幾何模型，獲得較高質(zhì)量的有限元網(wǎng)格，在三種典型滿載行駛工況下，對(duì)車廂堆裝礦山巖石時(shí)的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)進(jìn)行有限元分析，找到應(yīng)力與變形集中部位并進(jìn)行相應(yīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)性能分析驗(yàn)證了優(yōu)化的有效性。

2重型礦用自卸車車廂三維幾何模型建立

研究選擇內(nèi)蒙古北方重型汽車股份有限公司生產(chǎn)的NTE150電動(dòng)輪礦用自卸車，車輛基本參數(shù)見表1。其車廂采用深V形底板結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)巖石車廂參數(shù)見表2。車廂所用材料為高強(qiáng)度鋼，密度 ρ=7850kg/m³ ，彈性模量 E=210GPa ，泊松比 μ=0.3 ，屈服強(qiáng)度 σ_s=550MPa 。

車廂工作應(yīng)力應(yīng)不超過許用應(yīng)力，許用應(yīng)力 [σ] 與屈服強(qiáng)度 σ_s 的關(guān)系為：

式中， [n_s] 為安全系數(shù)。

依據(jù)文獻(xiàn)[8]，安全系數(shù)按照1.5折算，則車廂材料許用應(yīng)力為 366.67MPa 。

表1NTE150礦用自卸車基本參數(shù)

表2NTE150礦用自卸車標(biāo)準(zhǔn)巖石車廂參數(shù)

建立完整且準(zhǔn)確的三維幾何模型是仿真分析的前提?？紤]所建模型的準(zhǔn)確性與分析可行性，選擇使用SolidWorks對(duì)該重型礦用自卸車車廂進(jìn)行建模。建模時(shí)，充分考慮重型礦用自卸車車廂的殼體結(jié)構(gòu)、幾何形狀以及連接方式來確保模型真實(shí)準(zhǔn)確，且根據(jù)零部件模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化原則[9-10]做適當(dāng)簡(jiǎn)化處理，建立的車廂三維幾何模型如圖1所示。

3車廂有限元結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

3.1車廂有限元網(wǎng)格劃分

根據(jù)建立的車廂三維幾何模型，將裝配體模型設(shè)置為對(duì)應(yīng)裝配關(guān)系，輸出標(biāo)準(zhǔn)格式并導(dǎo)入到ANSYS軟件中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)于三維實(shí)體，網(wǎng)格劃分常見類型為四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格，六面體網(wǎng)格雖然精度高但計(jì)算量大、效率低，同時(shí)對(duì)模型幾何要求較高[9]。重型礦用自卸車車廂是形狀規(guī)則的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且局部需要細(xì)化網(wǎng)格，故網(wǎng)格劃分選擇四面體網(wǎng)格類型，這樣既能夠確保車廂在周向上不發(fā)生畸變，又能夠提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。車廂網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)于一些微小特征，比如圓孔、直角位置等，精細(xì)劃分了網(wǎng)格，其余部位采用 0.1m 的實(shí)體四面體網(wǎng)格劃分，最終劃分的網(wǎng)格數(shù)量為239004，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為460635，車廂網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖1車廂三維幾何模型

圖2車廂網(wǎng)格模型

對(duì)車廂網(wǎng)格劃分質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中縱橫比、雅可比比率、網(wǎng)格質(zhì)量系數(shù)、正交質(zhì)量系數(shù)均在0.63～1.00之間，翹曲系數(shù)均小于0.5，偏斜系數(shù)主要集中在0～0.50之間，綜合說明該網(wǎng)格劃分效果好，可以滿足后續(xù)對(duì)車廂有限元仿真計(jì)算的要求。

3.2典型工況下車廂結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

3.2.1滿載直線工況

礦用自卸車車廂裝滿礦石滿載工況下以均勻速度行駛在有一定顛簸的直線路面上是經(jīng)常的工作狀態(tài)。為此，根據(jù)行駛工況條件，對(duì)車廂施加載荷，并約束車廂主縱梁三個(gè)方向的平移自由度，得到有限元分析結(jié)果如圖3所示。

由圖3a可以看出，在滿載直線行駛工況下，車廂最大位移變形量為 9.802mm ，出現(xiàn)在車廂底板末端；由圖3b 和圖3c可以看出，車廂最大等效應(yīng)力為 258.47MPa ，發(fā)生在車廂底端后吊耳位置，由于受力較大產(chǎn)生了應(yīng)力。

圖3滿載直線工況車廂計(jì)算云圖

3.2.2滿載轉(zhuǎn)向工況

礦用自卸車轉(zhuǎn)向時(shí)雖以低速行駛，但是在轉(zhuǎn)向過程中車廂內(nèi)的礦石仍然會(huì)受到離心力作用而發(fā)生傾斜，車廂就會(huì)受到向左或者向右的壓力。根據(jù)左轉(zhuǎn)向行駛工況條件，對(duì)車廂施加載荷，并設(shè)置相對(duì)應(yīng)的約束條件，得到有限元分析結(jié)果如圖4所示。

由圖 4a 可以看出，在滿載轉(zhuǎn)向行駛工況下，車廂最大位移變形量為 33.144mm ，出現(xiàn)在車廂左側(cè)板；由圖4b 和圖4c可以看出，車廂最大等效應(yīng)力為 611.19MPa ，最大應(yīng)變?yōu)?0.0033547 ;由圖4d可以看出，最大等效應(yīng)力發(fā)生在車廂底板前吊耳位置。

3.2.3滿載緊急剎車工況

礦用自卸車在行駛過程中若遇到危急情況，駕駛員需要緊急剎車。車廂處于滿載狀態(tài)，礦用自卸車突然制動(dòng)，車廂的前板就會(huì)受到較大載荷作用而發(fā)生變形。為此，本文設(shè)定礦用自卸車以 30km/h 的速度行駛時(shí)突然制動(dòng)，且車廂處于滿載情況，基于該工況對(duì)礦用自卸車車廂進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，具體結(jié)果如圖5所示。

c.等效彈性應(yīng)變?cè)茍D

d.最大等效應(yīng)力云圖

圖4滿載轉(zhuǎn)向工況車廂計(jì)算云圖

由圖5a可以看出，在滿載緊急剎車行駛工況下，車廂最大位移變形量為 18.884mm ，出現(xiàn)在車廂最前端；由圖5b和圖5c可以看出，車廂最大等效應(yīng)力為 586.48MPa 最大應(yīng)變?yōu)?.002951；由圖5d可以看出，最大等效應(yīng)力發(fā)生在車廂底板前吊耳位置。

a.總變形云圖

b.等效應(yīng)力云圖

c.等效彈性應(yīng)變?cè)茍D

圖5滿載緊急剎車工況車廂計(jì)算云圖

同時(shí)，由以上各計(jì)算云圖可以看出，在車廂前側(cè)壁梁也出現(xiàn)了較大的等效應(yīng)力與變形。

綜合以上分析可知，車廂后吊耳和前側(cè)壁梁應(yīng)力較為集中，車廂前吊耳的最大等效應(yīng)力大于屈服極限。因此，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化來滿足強(qiáng)度及剛度要求。

4車廂結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析

4.1車廂結(jié)構(gòu)優(yōu)化

車廂前吊耳結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：由于原來的前吊耳較薄不能夠承受較大載荷，因此增加凸臺(tái)增大其與連接處的接觸面積，并且以 5mm 為增量逐步增大前吊耳厚度，直到其滿足要求。前吊耳改進(jìn)前后對(duì)比如圖6所示。

￡a.改進(jìn)前前吊耳結(jié)構(gòu) b.改進(jìn)后前吊耳結(jié)構(gòu)

車廂后吊耳結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：由于原來的后吊耳加強(qiáng)筋位置承受的等效應(yīng)力和變形較大，所以將其開孔逐漸縮小，直到其滿足要求。后吊耳改進(jìn)前后對(duì)比如圖7所示。

老牛 a.改進(jìn)前后吊耳結(jié)構(gòu) b.改進(jìn)后后吊耳結(jié)構(gòu)

車廂前側(cè)壁梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：原來的前側(cè)壁梁位置存在轉(zhuǎn)角支撐，改進(jìn)后將對(duì)此部分進(jìn)行加強(qiáng)。前側(cè)壁梁改進(jìn)前后對(duì)比如圖8所示。

圖6車廂前吊耳改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)對(duì)比

圖7車廂后吊耳改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)對(duì)比

圖8車廂前側(cè)壁梁改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)對(duì)比

4.2車廂結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

根據(jù)改進(jìn)后的車廂三維幾何模型，將其再次導(dǎo)入ANSYS軟件中，選擇合適的網(wǎng)格大小，并根據(jù)行駛工況設(shè)置相同的載荷條件與約束條件進(jìn)行有限元仿真。

改進(jìn)后滿載直線工況車廂計(jì)算云圖如圖9所示。由圖可知，在滿載直線行駛工況下，車廂最大位移變形量為 6.616mm ，最大等效應(yīng)力為 155.85MPa ，最大應(yīng)變?yōu)?0.00082939 。

圖9改進(jìn)后滿載直線工況車廂計(jì)算云圖

圖10改進(jìn)后滿載轉(zhuǎn)向工況車廂計(jì)算云圖

改進(jìn)后滿載轉(zhuǎn)向工況車廂計(jì)算云圖如圖10所示。由圖可知，在滿載轉(zhuǎn)向行駛工況下，車廂最大位移變形量為 30.173mm ，最大等效應(yīng)力為 258.47MPa ，最大應(yīng)變?yōu)?.001236。

改進(jìn)后滿載緊急剎車工況車廂計(jì)算云圖如圖11所示。由圖可知，在滿載緊急剎車行駛工況下，車廂最大位移變形量為 15.873mm ，最大等效應(yīng)力為 328.31MPa ，最大應(yīng)變?yōu)?0.0015646 。

綜合以上因素，車廂結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后最大位移變形量、最大應(yīng)變和最大等效應(yīng)力的對(duì)比如表3所示。由結(jié)果可知，車廂結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，三種典型工況下的最大位移變形量和最大應(yīng)變均有明顯減少；根據(jù)材料許用應(yīng)力可知，優(yōu)化后三種典型工況下的最大等效應(yīng)力均有足夠高的結(jié)構(gòu)安全性，該礦用自卸車車廂的剛度與強(qiáng)度得到了提升。

5結(jié)語

a.基于建立的重型礦用自卸車車廂幾何模型所完成的有限元網(wǎng)格劃分質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該車廂有限元模型質(zhì)量較高，可以滿足有限元仿真計(jì)算的要求。

b.在礦用自卸車三種典型行駛工況下，分析了車廂位移變形量、等效應(yīng)力和應(yīng)變的變化情況，確定車廂前吊耳、后吊耳和前側(cè)壁梁存在應(yīng)力集中，分別就其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的有限元仿真結(jié)果表明，該車廂的剛度與強(qiáng)度得到了提升。

c.對(duì)于車廂結(jié)構(gòu)優(yōu)化還可從輕量化角度考慮，在安全與成本、短期成本投入與長(zhǎng)期成本核算中尋求平衡點(diǎn)，提出工程問題的合理解決辦法。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉釗，朱平，籍慶輝.靜動(dòng)態(tài)工況下的自卸車車廂輕量化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2016，35（5）：762-767.

[2]修孝廷，張超，周海安.基于有限元的大型礦用自卸車車架的強(qiáng)度分析和設(shè)計(jì)[J].礦業(yè)裝備，2018（5）：126-127.

a.總變形云圖

b.等效應(yīng)力云圖

圖11改進(jìn)后滿載緊急剎車工況車廂計(jì)算云圖

表3車廂結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后靜力學(xué)參數(shù)對(duì)比

[3]MaoPinghuai，ZhangShuai，WangLibao，etal.AnalysisofLightweightExtensionSupportCoalMineCarLoader[J].AppliedMechanicsandMaterials，2014，687-691：593-596.

[4]曲子洋.礦用自卸車車架用HG70鋼循環(huán)變形特性及車架有限元分析[D].包頭：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2023.

[5]趙陽，顧林豪，張巖，等.重載礦用自卸車車廂輕量化耐久技術(shù)應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2022，22（9）：3800-3806

[6]萬強(qiáng)，阮景奎.基于混合靈敏度分析的某自卸車車廂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2020，20（12）：4954-4961.

[7]譚麗輝，張煒，趙軒德.基于有限元網(wǎng)格的礦用自卸車載荷理論模型構(gòu)建[J].造紙裝備及材料，2022，51（9）：135-137.

[8]徐灝.機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)中的安全系數(shù)和許用應(yīng)力[J].機(jī)械強(qiáng)度，1981（2）：39-45.

[9]胡凡金，楊鋒苓，等.ANSYSWorkbench結(jié)構(gòu)分析實(shí)用建模方法與單元應(yīng)用[M].北京：中國(guó)鐵道出版社有限公司，2022

[10]王軍，馬若丁，王繼新，等.礦用自卸車車架強(qiáng)度有限元分析[J].工程機(jī)械，2008，39（11）：29-32.

作者簡(jiǎn)介：柴俊霖，女，1979年生，副教授，研究方向?yàn)橹匦偷V用車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。