基于刚度链的矿用自卸车关键零部件等寿命设计

摘要

本文研究对象为大吨位矿用自卸车，依托于国家863计划“大吨位自卸车开发”。矿用自卸车作为大型露天矿石场所运输工具的主力军，为了推动自主产品发展，国务院将矿用自卸车列入十六大重大技术装备关键领域，以促进企业加大研发力度。因此，运用先进的技术手段对矿用自卸车进行研究与开发能够提升重大装备制造水平，符合国家政策要求，具有重要的工程应用价值。
　　传统设计主要是以提高产品使用寿命为目标而进行设计的，追求的是寿命耐久性能。然而单纯追求寿命长的设计往往会带来结构质量冗余，不但会造成制造资源的巨大浪费，而且给零件的报废处理带来很大困扰。等寿命设计思想认为寿命不足和寿命过剩都是一种浪费，只有与功能匹配的有限寿命设计，才是最具价值的设计。在实际应用中发现矿用自卸车关键零部件（车架、A型架和甲板）的寿命存在不相等的现象。车架、A型架是矿用自卸车的主要承载部件，承受着来自路面的强烈冲击，一旦发生开裂或折断，整车的正常运行将受到严重影响，造成数百万的重大损失甚至人员伤亡，所以保证其运行过程的疲劳寿命非常关键。但是对于受力偏小的甲板部件来说，传统设计往往设计余量过大，导致矿用自卸车甲板的疲劳寿命过长，造成了材料的不必要的浪费，无形中增加了成本。如何使各零部件疲劳寿命合理匹配，改变这种寿命不等的情况，不仅能够保证零件寿命的使用要求，而且能够有效地节省零部件制造成本。
　　零部件刚度合理分布是提高疲劳寿命和减少质量冗余的一种方式。合理的刚度分布，是一个资源和性能优化的过程。一方面，部件间的刚度不协调会引起零部件间共振现象，对疲劳寿命和工作状态产生影响。另一方面，对于单个部件来说，其刚度分布不合理不仅会导致结构的冗余，造成材料的浪费，而且会使部件某部分结构较为薄弱，在交变载荷的作用下导致零部件的疲劳破坏。零部件刚度的合理分布是保证结构性能以及减少质量冗余的关键，而刚度链设计方法是实现刚度合理分布的有效手段。建立有效的刚度链设计方法，使之与疲劳寿命和轻量化相关联，并将其运用到关键零部件等寿命优化设计之中，实现零部件刚度的合理分布，是达到疲劳寿命设计要求且实现轻量化的有效途径。
　　针对某国产矿用自卸车特殊的结构形式和工作环境，本文结合试验、数值模拟技术、灰色模型以及刚度链对矿用自卸车的零部件进行等寿命设计研究。主要内容如下:
　　1.建立了整车动力学模型，用于提取关键零部件（车架、A型架和甲板）有限元模型分析验证时的边界载荷信息以及疲劳寿命分析时所需的载荷谱信息。然后根据矿用自卸车三维模型，分别建立了车架、A型架和甲板的有限元模型，并将有限元分析结果与实车道路试验结果分别进行对比，验证了各部件有限元模型的正确性，为后面的疲劳寿命分析和刚度设计提供模型基础。
　　2.考虑应力分级统计的相邻应力不等间距特性，重新构造灰色模型背景值，建立了一种高精度不等间距灰色模型。并运用不等间距灰色模型对传统Miner方法进行修正，得到了预测疲劳寿命的灰色Miner方法，从而提高了疲劳寿命预测的准确性。然后对自卸车关键零部件（车架、A型架和甲板）进行疲劳寿命分析，提取出危险点的应力时间历程，并完成应力分级统计。最后运用灰色Miner方法对车架、A型架和甲板进行疲劳寿命估算，得到了较为准确的疲劳寿命。
　　3.零部件间由于动态耦合原因，容易引起零部件间发生共振，甚至导致部件破坏，从模态匹配方面指导部件间的刚度协调可以避免此类情况的发生。本文分析了矿用自卸车关键零部件的模态信息，并对关键零部件之间的模态匹配做了相关研究，并且基于模态匹配结果建立了矿用自卸车关键零部件之间的刚度协调关系，为后续的关键零部件合理设计做了强有力的指导。
　　4.对于单个部件来说，其刚度分布不合理不仅会导致结构的冗余，造成材料的浪费;而且会使部件某部分结构较为薄弱，在交变载荷的作用下导致零部件的疲劳破坏。本文建立了一种零部件的刚度链设计方法，并基于刚度链设计方法建立了车架、A型架以及甲板模型的刚度分布模型。然后对其刚度分布均匀化进行了研究，发现刚度分布均匀化能有效提高零部件性能和减少结构冗余，从而为矿用自卸车关键零部件等寿命设计提供合理的刚度约束条件。
　　5.运用响应面法建立了矿用自卸车车架、A型架、甲板疲劳寿命等目标与自身变量之间的数学关系。以零部件刚度合理分布为约束条件，以疲劳寿命和质量为目标，将等寿命设计思想引入到矿用自卸车关键零部件的设计开发之中，建立了关键零部件等寿命优化模型。然后运用遗传算法对模型进行求解，最终实现了矿用自卸车关键零部件的等寿命设计。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 矿用自卸车发展现状及趋势

1．3 疲劳寿命研究概况

1．4 等寿命研究概况

1．5 刚度链研究概况

1．6 论文研究的主要内容

第2章 矿用自卸车关键零部件有限元建模与验证

2．1 整车动力学模型建立与验证

2．1．1 整车动力学模型建立

2．1．2 道路加速度实车试验

2．1．3 仿真与试验对比验证

2．1．4 疲劳载荷谱获取

2．2 零部件有限元模型建立与分析

2．2．1 有限元模型建立

2．2．2 有限元模型应力分析

2．3 零部件应力实车试验及模型验证

2．3．1 试验原理及测点布置

2．3．2 试验数据处理方法

2．3．3 有限元模型验证

2．4 本章小结

第3章 基于不等间距灰色模型的零部件疲劳寿命预测

3．1 灰色模型理论基础

3．2 不等间距灰色模型建立与验证

3．2．1 不等间距灰色模型建立

3．2．2 模型求解

3．2．3 模型对比验证

3．3 预测疲劳寿命的灰色Miner方法建立

3．3．1 传统Miner方法

3．3．2 灰色Miner方法建立

3．3．3 灰色Miner方法对比验证

3．4 基于不等间距灰色模型的部件疲劳寿命预测

3．4．1 疲劳S-N曲线获取

3．4．2 基于传统Miner方法的关键部件疲劳寿命预测

3．4．3 基于灰色Miner方法的关键部件疲劳寿命预测

3．4．4 疲劳寿命结果对比分析

3．5 本章小结

第4章 基于模态匹配的关键零部件间的刚度协调

4．1 机械结构的模态匹配方法及流程

4．1．1 机械结构的模态匹配方法

4．1．2 机械结构的模态匹配流程

4．2 矿用自卸车零部件模态参数计算

4．2．1 模态边界条件设置

4．2．2 各零部件模态参数计算

4．3 零部件间模态匹配研究

4．3．1 矿用自卸车零部件间模态匹配

4．3．2 零部件间模态匹配及刚度协调结果

4．4 本章小结

第5章 基于刚度链的零部件刚度分布均匀化研究

5．1 零部件刚度链设计方法

5．1．1 刚度链设计方法

5．1．2 刚度链设计流程

5．2 关键零部件刚度计算

5．2．1 刚度边界条件设置

5．2．2 各零部件刚度计算

5．3 零部件中元件刚度贡献计算

5．3．1 零部件中的元件划分

5．3．2 零部件中各元件刚度贡献分析

5．4 零部件刚度分布均匀化研究

5．4．1 零部件的刚度分布模型

5．4．2 刚度分布均匀化与疲劳寿命验算

5．4．3 等寿命刚度约束条件确定

5．5 本章小结

第6章 基于刚度约束的矿用自卸车零部件等寿命设计

6．1 等寿命优化策略

6．2 等寿命优化目标函数建立

6．2．1 目标函数建立

6．2．2 优化变量取值范围

6．2．3 各部件疲劳寿命函数表达式建立

6．2．4 各部件质量函数表达式建立

6．3 刚度约束数学模型

6．3．1 模态约束条件

6．3．2 刚度约束条件

6．4 等寿命优化模型建立及求解

6．4．1 等寿命优化模型建立

6．4．2 模型求解及优化结果分析

6．5 本章小结

结论

参考文献

致谢

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