基于等效静态载荷和响应面法的搅拌车副车架疲劳设计

摘要

疲劳破坏是机械零部件早期失效的主要形式。随着现代机械向高速和大型化方向发展，许多零部件在高温、高压、重载和腐蚀等恶劣工况下运行，并且疲劳破坏的产生具有隐蔽性和突发性，难以早期发现。使得疲劳破坏事故层出不穷，对生命和财产造成了很大的危害。
　　近年来，随着大规模的基础设施建设，搅拌车在工程建设中发挥着极其重要的作用，它的疲劳破坏问题也受到各大厂商的较大重视。针对搅拌车副车架在实际使用中容易发生断裂或疲劳寿命远远大于设计要求疲劳寿命的问题，本文结合工程实际问题，采用等效静态载荷法、动态拓扑优化、响应面法以及6σ稳健优化设计对搅拌车副车架的疲劳设计进行了深入的研究。
　　主要研究工作如下：
　　(1)建立了简化的搅拌车仿真模型。在该模型中轮胎、钢板弹簧用具有一定刚度和阻尼的弹簧替代，发动机、驾驶室、搅拌车罐体以及其它与搅拌车副车架没有直接联系的结构以非结构质量的形式附加到搅拌车仿真模型上。采用该简化模型对搅拌车副车架进行性能分析优化设计，能在保证计算精度的同时，提高计算效率、缩短设计周期。
　　(2)对搅拌车进行了有限元分析以及疲劳寿命预测。依据国标中对路面不平度的表示规定，采用Matlab软件生成搅拌车在较差路面上行驶时的路面谱，将生成的路面谱加载到搅拌车仿真模型上进行瞬态响应分析，得到搅拌车在路面谱单独作用下的副车架应力分布。在重力单独作用下进行静态分析，得到搅拌车静止时的副车架应力分布。从应力的分布图中可以看到搅拌车副车架上的应力分布极为不均匀，造成了副车架局部寿命过短。选取搅拌车副车架上疲劳寿命最短位置作为关键点，采用Miner法则计算得到该点的疲劳寿命，为搅拌车副车架的进一步优化设计提供指导和依据。
　　(3)针对搅拌车副车架结构设计不合理，导致副车架疲劳寿命分布极其不均匀的问题，在搅拌车副车架设计初期，将动态拓扑优化引入疲劳设计。把副车架横梁分布区域作为设计空间，以副车架横梁分布空间的材料体积分数上限为优化约束，以副车架纵梁的应力最小为优化目标进行拓扑优化设计。该方法将副车架结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求材料的最优分布问题，从而使结构应力分布相对均匀，达到提高疲劳寿命的目的。通过对搅拌车副车架进行动态拓扑优化，获得疲劳寿命分布相对均匀的结构，关键点疲劳寿命由优化前的8.0E5提高到6.5E6。为进一步的优化设计奠定了基础。
　　(4)针对动态拓扑优化存在灵敏度分析困难、动态约束难以处理以及动态优化软件开发较复杂等问题，将等效静态载荷法与动态拓扑优化法相结合，去除动态载荷中的时间因素，将动态拓扑优化转换为多工况的静态拓扑优化，采用理论和实践应用都很成熟的静态拓扑优化法对搅拌车副车架进行拓扑优化，避免了动态拓扑优化中存在的问题，简化了动态拓扑优化，提高了优化设计的效率。
　　(5)针对疲劳寿命优化设计问题计算时间长的问题，将响应面法应用到疲劳寿命设计中，用响应面模型替代复杂的、具有大量自由度的结构疲劳寿命数值仿真模型。结合有限元分析、试验设计、响应面法以及优化算法建立副车架的疲劳寿命优化设计模型。对搅拌车副车架的优化结果表明，应用响应面法能有效提高优化问题求解效率，适合于复杂结构疲劳设计问题的求解。
　　(6)针对结构疲劳寿命离散性较大的问题，将6σ稳健优化设计方法引入疲劳设计中。结合响应面法、稳健设计和优化设计提出了基于响应面的疲劳寿命6σ稳健优化设计，该方法考虑了疲劳寿命的离散性，使疲劳寿命在满足可靠性的基础上，疲劳寿命的平均值与方差减小。避免了疲劳寿命较大过剩，达到减小材料消耗，提高搅拌车经济性的目的。通过对副车架的优化设计，副车架上关键点处疲劳寿命的对数平均值与对数设计寿命的差值、对数方差以及副车架质量都有不同程度的减小。
　　本文围绕结构容易发生疲劳破坏及疲劳寿命过剩的问题，以国内的一款搅拌车为实例，进行了搅拌车副车架的疲劳设计。从搅拌车简化模型的建立、副车架关键点疲劳寿命预测、副车架动态拓扑优化以及6σ稳健设计等方面进行了系统的研究，研究方法和结论对机械零部件的疲劳设计具有重要的工程指导价值。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 疲劳寿命估算方法的研究现状

1.2.2 动态结构优化设计的研究现状

1.2.3 响应面法的研究现状

1.3 本文研究思路及内容安排

1.3.1 本文研究思路

1.3.2 本文内容安排

1.4 本章小结

第2章 疲劳设计基本理论

2.1 引言

2.2 金属疲劳破坏过程

2.2.1 疲劳裂纹萌生

2.2.2 疲劳裂纹的扩展

2.2.3 失稳断裂

2.3 疲劳载荷

2.4 材料的S-N曲线

2.5 影响机械零件疲劳强度的因素

2.5.1 形状因素

2.5.2 尺寸效应

2.5.3 表面加工的影响

2.5.4 平均应力的影响

2.6 疲劳设计方法

2.6.1 无限寿命设计法

2.6.2 有限寿命设计法

2.6.3 局部应力应变分析法

2.6.4 损伤容限设计法

2.7 本章小结

第3章 搅拌车副车架疲劳预测

3.1 引言

3.2 动态仿真模型建立

3.3 路面谱生成

3.4 搅拌车仿真模型的有限元分析

3.5 疲劳寿命预测

3.6 本章小结

第4章 基于等效静态载荷法的搅拌车副车架疲劳寿命设计

4.1 引言

4.2 拓扑优化

4.2.1 结构拓扑优化设计方法

4.2.2 结构拓扑优化常用算法

4.3 等效静态载荷法

4.4 基于等效静态载荷法的搅拌车副车架疲劳寿命设计

4.5 本章小结

第5章 基于响应面法的搅拌车副车架疲劳寿命6σ稳健设计

5.1 引言

5.2 试验设计

5.3 响应面模型

5.4 响应面模型的误差分析

5.5 疲劳寿命6σ稳健设计

5.6 基于响应面法的搅拌车副车架疲劳寿命6σ稳健设计

5.6.1 建立响应面模型

5.6.2 响应面模型误差分析

5.6.3 基于响应面法的搅拌车副车架疲劳寿命6σ稳健设计

5.7 本章小结

结论和展望

参考文献

致 谢

附录A 攻读学位期间发表和录用的论文目录