丁煒琦，蘇武，鄭小艷，鞏占峰

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基于有限元的某礦用車橋橋殼結構優(yōu)化設計

丁煒琦，蘇武，鄭小艷，鞏占峰

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710200）

文章主要對國內某礦用車驅動橋橋殼在設計工況下的可靠性進行有限元分析，并結合售后故障對該驅動橋殼進行結構優(yōu)化。采用非線性靜力有限元方法，考慮加工與鑄造工藝，對橋殼進行多輪結構優(yōu)化后，橋殼結構最大應力明顯下降，從而降低了橋殼售后故障率，有效的提高了整橋可靠性。

橋殼；有限元分析；結構優(yōu)化；可靠性

前言

礦用自卸車一般主要在礦區(qū)使用，行駛路面差，且行駛工況主要為低速重載，驅動橋作為整車的關鍵零部件總成，在整車行駛過程中有著承載、驅動、制動等重要功能，因此，驅動橋橋殼的結構可靠性關系到整個礦用車的使用性能。

目前，國內對于車橋研究主要集中在重卡和客車驅動橋方面，而對礦用車驅動橋的研究并不多見。丁煒琦[1]等人應用有限元分析方法對國內某重型車橋的強度進行了系統(tǒng)的分析，結合有限元結果對該橋殼結構進行優(yōu)化；何維聰[2]等人對國內某輪邊電機驅動橋結構強度進行了有限元分析，并對該驅動橋進行了結構優(yōu)化，提高該橋殼可靠性。本文建立了某礦用車驅動橋橋殼總成有限元分析模型，應用非線性有限元分析方法，計算橋殼在重載、驅動、制動工況下的強度。通過與橋殼售后失效模式對比，驗證本次有限元分析方法的正確性，并將售后失效模型與有限元結果緊密結合起來，對該橋殼結構進行優(yōu)化設計，提高整橋的可靠性，降低該橋殼的售后故障率。

1 有限元法簡介

有限元法是分析解決各種結構問題的強有力工具，它是伴隨著計算機技術的突破而發(fā)展出來的一種數值分析方法。其主要是利用數學模型對真實物理系統(tǒng)進行仿真，將復雜問題簡化成數學模型再進行求解。目前，有限元方法在對復雜結構問題分析和優(yōu)化方面，是一種最成功、最有效、最廣泛的近似分析方法，成為工程人員進行結構設計、產品結構優(yōu)化、科學研究等不可缺少的重要手段。

2 建立礦用橋殼有限元模型

該礦用橋殼結構為實體結構，橋殼采用四面體單元、螺栓采用六面體結構劃分[3]。橋殼材料性能見表1。

表1 該礦用橋殼材料性能

將橋殼、減殼導入有限元軟件中進行網格劃分，得如圖1該礦用車橋殼網格劃分后的有限元模型，共包括1796375個單元。

3 礦用橋殼的有限元分析

該礦用自卸車行駛路面復雜，多為山區(qū)和礦區(qū)，以低速重載、長距離上坡、頻繁制動等為主，所以分析時，考慮一般路重載、驅動（上坡）、制動（下坡）三種工況，各工況施加載荷計算和加載方法參見文獻[4][5][6]。

圖2 重載工況應力云圖

圖3 制動工況應力云圖

圖4 驅動工況應力云圖

模型中各零件之間采用螺栓連接，在定義約束和施加載荷時，將板簧、推力桿等連接件簡化為RBE2、RBE3等單元，提交有限元求解器，進行非線性靜力學計算，得到各工況下的應力云圖如圖2、圖3、圖4所示。

表2給出了各設計工況下結構的最大應力值。

表2 優(yōu)化前橋殼結構最大應力

4 礦用橋殼結構優(yōu)化

經過對該型號礦用車橋殼故障模式經過分析，該驅動橋橋殼氣室支架安裝凸臺與后蓋過渡處漏油（如圖5）占整個橋殼故障模式80%以上,經過與有限元結果對比后橋殼漏油位值與驅動工況下橋殼最大應力位置相同，從而驗證了有限元算分析的準確性，所以橋殼結構優(yōu)化主要對橋殼漏油位置結構強度進行優(yōu)化，提高橋殼的安全系數。

圖5 橋殼故障位置

4.1 優(yōu)化后結構

基于有限元計算結果，結合整橋售后失效模式，同時考慮工藝性對橋殼結構進行優(yōu)化設計，優(yōu)化前后結構對比如圖6。

圖6 優(yōu)化前后橋殼結構對比

4.2 優(yōu)化前后應力對比

將優(yōu)化后的該礦用橋殼結構進行有限元建模，按照前述工況進行有限元分析。

優(yōu)化前、后的結構強度對比如下表2。

表3 優(yōu)化前后強度對比

綜上所述，優(yōu)化后橋殼最大應力在各個工況下分別降低16%、37%、15%，橋殼安全系數顯著提高?？梢哉f，橋殼結構優(yōu)化后可有效降低該型號礦用車橋殼售后故障率。

4.3 優(yōu)化后橋殼市場驗證

將該橋殼優(yōu)化后的結構進行市場驗證，到目前為止，整車行駛10萬公里橋殼無故障發(fā)生，驗證了用有限元方法對橋殼結構強度分析和本次橋殼優(yōu)化方法的正確性。

5 結論

本文應用有限元方法對橋殼結構強度進行分析，最大應力位置與實際售后故障位置一致，驗證了該有限元分析方法的準確性。結合有限元分析結果對該礦用驅動橋橋殼結構進行結構優(yōu)化設計，優(yōu)化后，橋殼各個工況下最大應力均有明顯下降，從而提高了橋殼強度，同時經過市場驗證后，有效的降低該橋殼售后故障率。本文的橋殼結構優(yōu)化方法可應用于對類似零件進行有限元分析和結構優(yōu)化設計。

[1] 丁煒琦等.基于拓撲優(yōu)化的某重型車橋橋殼輕量化設計[J].汽車實用技術,2011(Z2).

[2] 何維聰等.基于有限元的某輪邊電機驅動橋結構優(yōu)化設計[J].汽車實用技術,2017(10):23-24.

[3] 丁煒琦等. 基于拓撲優(yōu)化的某重卡輪轂輕量化設計[J].汽車實用技術,2013(10):22-24.

[4] 竺延年.最新車橋設計,制造,質量檢測及國內外標準實用手冊.北京:中國知識出版社,2005.

[5] 劉維信.汽車車橋設計[M].北京:清華大學出版社,2004.1.

[6] 賴姆佩爾.懸架元件及底盤力學[M].吉林:吉林科學技術出版社, 1991.

Structural Optimization Design of A Mining Axle Housing Based on Finite Element Method

Ding Weiqi, Su Wu, Zheng Xiaoyan, Gong Zhanfeng

( Shaanxi Hande Axle Co. LTD, Shaanxi Xi'an 710200 )

Finite element analysis was performed on the reliability under design conditions of a mining drive axle housing, and structural optimization was performed with the after-sale fault. Using nonlinear static finite element method, structure optimization of the Mining Axle Housing were performed with the machining and casting process. After the structural optimization design, the maximum stress and the failure rate of the axle housing are significantly reduced,and the reliability of the axle is effectively improved.

Axle Housing; Finite Element Analysis; Structural Optimization; Reliability

B

1671-7988(2018)18-87-03

U467

B

1671-7988(2018)18-87-03

CLC NO.: U467

丁煒琦，就職于陜西漢德車橋有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.030