320吨矿用电动轮自卸车货厢与举升机构参数化和轻量化设计研究

摘要

本文首先对国内外参数化和轻量化技术在汽车上的应用现状做了详细的论述，对国内外参数化和轻量化研究理论、研究方法及获得的科研成果做了深入的分析，在此基础上，结合课题实际要求阐述了320吨重型矿用电动轮自卸车货厢轻量化研究的目的与意义，并确定了本文的主要研究内容及总体研究方案。
　　 接着对结构轻量化优化设计理论展开了具体的分析研究，提出一种面载薄壁结构支撑骨架设计的拓扑优化设计方法，验证该方法的有效性之后，将其应用于重型矿用电动轮自卸车货厢的设计中。而后，针对重型矿用电动轮自卸车用户定制特征强、变种多及批量小的特点，运用二次开发工具开发出异形货厢参数化设计系统。
　　 然后，建立了举升机构参数化模型并对其进行仿真，得到其最优布置方式及位置。随后，在兼顾计算精度、计算规模及计算时间的前提下，结合重型矿用电动轮自卸车货厢实际结构特点及工作状况，构建合理的拓扑优化空间，选取合适的单元类型及单元尺寸，并选择三种典型的计算工况，创建货厢拓扑优化模型对货厢骨架进行拓扑优化设计，得到多工况下的拓扑优化结果。
　　 接下来，结合工程实际经验对拓扑优化结果进行可制造化处理，并对新得到的货厢进行有限元计算分析，将其强度、刚度及应力分布情况等与原结构进行对比，以评估两者性能，结果表明经拓扑优化后的货厢应力分布更均匀，材料利用率更高，并在其性能不低于原始结构性能的前提下，质量有了明显的降低，取得了较好的轻量化效果，从而验证了拓扑优化方法的可靠性和有效性。
　　 最后，针对可制造化处理后的货厢局部应力集中现象做局部改进设计，经验算后改进方案取得了较好的效果。随后选取合理的尺寸参数作为设计变量对货厢进行尺寸优化设计，从而得出货厢最终设计参数。
　　 本文采用拓扑优化设计和尺寸优化设计的综合设计方法对货厢进行轻量化优化设计具有很重要的现实意义，主要体现在以下两个方面。一方面，经优化后货厢质量共降低3.3897吨，占原结构的6.5％，轻量化效果显著;另一方面，最终设计出的货厢应力水平较原结构大大降低，可以用屈服强度为500MPa的高强度钢替代原始结构中屈服强度为800MPa的高强度钢。因此，大大降低了生产成本，具有良好的现实意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景

1．2 国内外研究概况

1．2．1 国外研究概况

1．2．2 国内研究概况

1．3 研究的目的和意义

1．4 研究内容

1 ．5 总体研究方案的确定

第2章 轻量化结构优化设计理论研究

2．1 轻量化设计方法

2．1．1 拓扑优化设计

2．1．2 形状优化设计

2．1．3 形貌优化设计

2．1．4 尺寸优化设计

2．2 拓扑优化设计

2．2．1 离散拓扑优化设计

2．2．2 连续体拓扑优化设计

2．3 一种面载薄壁结构支撑骨架设计拓扑优化方法的提出

2．3．1 方法原理

2．3．2 方法验证

2．4 研究平台的选择

2．4．1 参数化设计系统平台

2．4．2 仿真分析平台

2．4．3 拓扑优化平台

第3章 矿车货厢参数化设计系统的开发

3．1 矿车货厢结构介绍

3．2 矿车货厢参数化设计

3．3 界面设计及平台应用实例

3．3．1 用户界面设计

3．3．2 设计平台应用实例

第4章 举升机构参数化布置设计及货厢拓扑优化模型的建立

4．1 举升机构参数化布置设计

4．2 货厢拓扑优化模型的建立

4．2．1 拓扑优化空间的定义及网格的划分

4．2．2 拓扑优化工况的选取及载荷的处理

4．2．3 拓扑优化参数的定义

第5章 拓扑优化设计及可制造化处理

5．1 拓扑优化设计及结果分析

5．1．1 拓扑优化结果可信度分析

5．1．2 拓扑优化结果分析

5．2 拓扑优化结果可制造化处理方案

5．2．1 可制造化处理方案

5．2．2 可制造化处理

5．2．3 加热气道的设计

5．3 可制造化处理后货厢有限元计算分析

5．3．1 举升角度为0°工况计算结果分析

5．3．2 举升角度为17°工况计算结果分析

5．3．3 举升角度为34°工况计算结果分析

第6章 货厢轻量化改进与尺寸优化设计

6．1 货厢局部改进设计与改进后计算结果分析

6．1．1 货厢局部改进设计

6．1．2 货厢改进后有限元计算结果分析

6．2 货厢尺寸参数优化设计

6．2．1 尺寸优化设计的一般流程

6．2．2 货厢轻量化尺寸优化数学模型的建立

6．2．3 货厢尺寸优化设计具体实现

6．2．4 货厢尺寸优化设计结果分析

6．2．5 货厢最终设计方案的确定

第7章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 研究展望

参考文献

研究生期间研究成果

致谢