装载机结构件动态优化设计

摘要

装载机结构件系统包括前后车架、工作装置，承担了几乎所有的内外载荷，是装载机的关键系统部件之一，其结构的合理性和可靠性与整机性能密切相关，而后车架作为装载机主要零部件的安装基础，其静动态特性显得尤为重要。本文以某轮式装载机后车架为研究对象，以结构静力学和动力学为基础，以有限元法为工具，对装载机后车架进行了恶劣工况力学分析、模态分析与谐响应分析，并在此基础上进行了拓扑优化与尺寸优化，改善了后车架的静动态性能。论文主要内容如下:
　　1.分析后车架的静态工况与动态激励。根据后车架典型的三种恶劣工况，建立各工况力学模型，建立简化后的后车架三维几何模型，选取合适的单元类型和约束方式建立有限元模型，进行了静力分析，并分析装载机工作过程中的主要激励力。
　　2.对后车架进行动态特性分析，给出了该后车架结构的前十阶固有频率和模态振型;以谐响应分析为手段研究后车架在发动机与驾驶室之间传递振动的规律，为后车架的动态评估提供了参考。
　　3.为提高后车架静动态特性，采用折衷规划法将多个静态优化目标和前三阶频率优化目标转变为单一目标进行静动态多目标拓扑优化。以体积比、固有频率及柔度为约束，获得了合理的拓扑优化结果，并设计了新的后车架模型，其静动态性能较原始车架有明显提升，但质量增加较多。
　　4.为降低后车架质量，对其进行灵敏度分析和尺寸优化。对后车架各部件参数进行灵敏度分析，筛选出对结构静动态特性影响较大的参数作为设计变量，以质量最小为目标进行尺寸优化，优化后的后车架固有频率规避了发动机激励，避免了共振，并且质量由492Kg降低到372Kg(24.4％)，轻量化效果显著。
　　本课题的研究致力于借助有限元法和结构动态优化理论，在满足后车架静态强度等性能指标下，提高其动态特性，避免共振，使得后车架材料得到最优分布，降低开发费用，缩短设计周期，指导新型后车架的设计。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 结构优化国内外研究现状

1．2．1 结构优化设计方法研究

1．2．2 结构优化算法研究现状

1．3 课题的主要研究内容

第二章 装载机后车架工况和载荷分析

2．1 轮式装载机结构分析

2．1．1 装载机整机构造

2．1．2 装载机后车架结构

2．2 装载机工况和载荷分析

2．3 后车架动态激励分析

2．4 小结

第三章 后车架有限元建模及静动态分析

3．1 有限元法概述

3．1．1 有限单元法的基本原理

3．1．2 有限元法在工程分析中的应用

3．2 有限元模型建立

3．2．1 后车架几何模型处理

3．2．2 后车架网格划分

3．2．3 约束和载荷处理

3．3 各静态工况计算结果及分析

3．3．1 静态工况计算结果

3．3．2 后车架强度校核

3．4 后车架模态分析

3．4．1 模态分析基本理论

3．4．2 模态叠加原理

3．4．3 后车架模态仿真分析

3．5 后车架谐响应分析

3．5．2 谐响应分析数学模型

3．5．3 后车架谐响应分析计算

3．5．4 后车架谐响应分析结果分析

3．6 小结

第四章 后车架多目标拓扑优化设计

4．1 优化设计基本理论

4．1．1 优化设计的基本概念

4．1．2 优化设计问题的数学模型

4．1．3 优化设计问题的基本解法

4．2 拓扑优化的基本方法

4．3 多目标拓扑优化的数学模型

4．3．1 静态多工况刚度拓扑优化目标函数

4．3．2 动态固有频率拓扑优化目标函数

4．3．3 静动态多目标拓扑优化目标函数

4．3．4 静动态多目标拓扑优化过程

4．2．5 静动态多目标拓扑优化结果分析

4．3 结构改进设计及分析

4．4 小结

第五章 后车架灵敏度分析与尺寸优化

5．2．1 模态灵敏度分析理论

5．2．2 静态灵敏度分析理论

5．3 后车架结构灵敏度分析

5．4 后车架尺寸优化

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

致谢

参考文献