抱罐车关键零部件的结构优化及疲劳分析

摘要

抱罐车是在钢厂中对钢渣进行运输、倾倒的一种特种车辆。作为一种无轨运输设备，它有着机动灵活、占地小、自动化程度高等优点，已在钢厂内得到了大规模的应用。抱罐车从引进到国产已经有了四十多年的历程。由于抱罐车运输的是高温钢渣，它处于十分恶劣的工作环境中，出于安全的考虑其关键零部件工作大臂的结构往往设计得比较笨重，导致了工作大臂的材料利用系数不高，同时还容易发生疲劳破坏。因此对工作大臂进行结构优化和疲劳寿命分析有着重要的理论意义和工程参考价值。
　　本文阐述了结构优化设计和疲劳分析的基本理论。基于某公司生产的BGC80型抱罐车的参数，在Pro/E中建立了整车模型并在Adams中建立了大臂机构的动力学仿真模型，对其进行了抱罐、运输和倒罐三个过程的动力学仿真，分析得出了工作大臂受载比较恶劣的9个工况。
　　利用Hypermesh建立了工作大臂的1/2有限元模型，对9个特殊工况进行了有限元分析，发现其大部分区域的应力水平很低，有待对工作大臂进行结构优化。基于有限元分析结果运用Optistruct以最小应变能为目标函数，以体积分数和Von Mise应力为约束函数利用变密度法对工作大臂进行了拓扑优化分析，并对优化结果进行了可制造化处理。最后结果表明在同等工作条件下，优化后的重量减少了15.3％。
　　为了对工作大臂进行疲劳分析，把大臂机构的一个工作循环细化为31个工况，并对这些工况进行了有限元分析；根据大臂结构的材料Q345B的疲劳特性创建了其S-N曲线；根据大臂机构的整个工作过程创建了与31个工况相对应的载荷谱。利用 MSC.Fatigue疲劳分析软件基于 S-N全寿命分析法对原大臂模型和优化后的大臂模型进行了疲劳分析，并分别得出了疲劳寿命。

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1绪论

1.1引言

1.2抱罐车的研究现状

1.3课题研究的意义及主要内容

2工作大臂机构的动力学仿真分析

2.1建立BGC80抱罐车的3D模型

2.2建立大臂机构的Adams动力学仿真模型

2.3大臂机构仿真及结果分析

2.4本章小结

3结构优化设计的基本理论

3.1结构优化设计的基本方法

3.2拓扑优化的常用方法

3.3拓扑优化的常用算法

3.4本章小结

4工作大臂的拓扑优化分析

4.1 Hyperworks软件简介

4.2有限元模型的建立

4.3工作大臂静力分析

4.4拓扑优化计算及结果分析

4.5优化结果可制造化

4.6本章小结

5基于MSC.Fatigue的工作大臂疲劳寿命分析

5.1结构疲劳分析的基本理论

5.2疲劳分析软件MSC.Fatigue软件简介

5.3工作大臂的疲劳寿命分析

5.4本章小结

6全文总结与展望

6.1全文总结

6.2展望

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的论文

致谢