矿用自卸车车架有限元分析及优化设计

摘要

随着煤炭以及非金属开采行业日益发展，矿用自卸车的市场需求率不断增大，矿用自卸车的车架承担着动力总成、驾驶室、车厢、货物、油箱等主要重量，又因其使用的场所和路况极为恶劣，使得车架结构在自卸车设计中尤为关键,某款矿用自卸车车架在使用过程中经常出现纵梁与横梁连接处开裂情况，本文针对该款车架进行有限元分析及优化设计。
　　根据原车架二维图纸，利用三维软件SolidWorks建立原车架三维模型，利用有限元仿真软件Ansys Workbench对原车架进行前处理，对原车架模型进行简化，定义其材料特性，按照车架结构特点划分网格，对原车架进行弯曲工况、弯扭工况、过减速带工况、制动工况的分析，通过稳态力学分析结果，找出原车架纵梁与横梁连接处易断裂的原因。
　　提出新车架方案并建立新车架模型，对其进行稳态静力学分析，在稳态静力学分析中，使用的工况与原车架相同，加载的载荷也与原车架相同。分析结果显示，原车架在弯扭工况中纵梁与横梁连接处的最大应力为241.77MPa，已经超过了材料的许用强度240Mpa，而新车架对该处结构进行改进后，该处的在该工况下的最大应力为156.66MPa，满足材料应力要求。在结构的刚度方面，新车架的刚度表现较原车架也有明显提升。通过稳态动力学分析可以看出，新车架在受力方面确实优于原车架。
　　对车架进行模态分析，得出原车架与新车架在自由状态下的固有频率和振型特征，并将其固有频率与车架在怠速行驶和正常行驶时的频率进行对比，分析得出新车架与原车架的模态结果变化不大，局部的调整并不会对整体的振动性能造成较大的影响。
　　对原车架及新架进行瞬态动力学分析，分析原车架和新车架在通过凸起时变形和应力随时间的变化情况，新车架在强度和刚度上较原车架均有提升，可见新车架结构可以有效降低车架断裂的风险。
　　对新车架方案进行优化设计，利用Solidworks与Ansys Workbench对新车架方案进行参数化建模，将新车架横梁的内外径与加强板的内径作为设计变量，将车架的强度、刚度、质量作为目标变量。经过优化设计的车架在质量上有所下降，强度和刚度上均有提升，达到对新车架优化设计的目的。
　　本文针对矿用自卸车车架出现的问题，进行受力分析及优化设计，对原车架方案与新车架方案进行有限元分析，根据系列分析结果对比，得出新车架在整体力学性能上要优于原车架，并进一步对新车架进行优化设计。本文的分析结果对新一代车架的设计及优化改进具有重要指导意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 车架稳态力学分析研究现状

1．2．2 车架优化设计研究现状

1．2．3 车架模态分析研究现状

1．2．4 车架瞬态动力学分析研究现状

1．3 本文研究内容

1．3．1 课题来源

1．3．2 论文主要研究内容

第2章 原车架模型建立

2．1 原车架概述

2．2 原车架模型建立

2．2．1 原车架模型建立

2．2．2 原车架结构简化

2．3 原车架有限元分析前处理

2．3．1 单元类型选取

2．3．2 定义材料属性

2．3．3 网格划分

2．4 本章小结

第3章 原车架稳态力学分析

3．1 静力学分析基础

3．2 计算工况选取及车架载荷确定

3．2．1 计算工况选取

3．2．2 车架载荷确定

3．3 弯曲工况

3．3．1 原车架弯曲工况约束与载荷

3．3．2 原车架弯曲工况计算结果

3．4 弯扭组合工况

3．4．1 原车架弯扭组合工况约束与载荷

3．4．2 原车架弯扭组合工况计算结果

3．5 过减速带工况

3．5．1 原车架过减速带工况下约束与载荷

3．5．2 原车架过减速带工况计算结果

3．6 紧急制动工况

3．6．1 原车架紧急制动工况下约束与载荷

3．6．2 原车架紧急制动工况计算结果

3．7 稳态力学分析结果

3．8 本章小结

第4章 新车架稳态力学分析

4．1 新车架方案

4．2 新车架稳态力学分析

4．2．1 新车架前处理

4．2．2 新车架弯曲工况分析

4．2．3 新车架弯扭组合工况分析

4．2．4 新车架过减速带工况分析

4．2．5 新车架紧急制动工况分析

4．3 两种方案稳态力学分析结果对比

4．4 本章小结

第5章 车架模态分析

5．1 模态分析的理论基础

5．2 原车架计算结果

5．2．1 原车架计算结果

5．2．2 原车架模态计算结果分析

5．3 新车架计算结果

5．3．1 新车架计算结果

5．3．2 新车架模态计算结果分析

5．4 两种方案模态分析结果对比

5．5 本章小结

第6章 车架瞬态动力学分析

6．1 瞬态动力学分析方法

6．2 原车架瞬态分析

6．2．1 原车架瞬态分析

6．2．2 原车架瞬态分析结果

6．3 新车架瞬态动力学分析

6．4 瞬态动力学分析结果对比

6．5 本章小结

第7章 新车架优化设计

7．1 新车架优化方案

7．2 设计变量与目标变量

7．3 响应分析

7．4 优化参数灵敏度分析

7．5 设计变量对目标变量的影响

7．6 目标驱动优化

7．7 本章小结

第8章 结论与展望

8．1 结论

8．2 展望

符号说明

参考文献

致谢