基于剛度鏈的礦用自卸車關(guān)鍵零部件等壽命設(shè)計(jì).pdf

1、本文研究對(duì)象為大噸位礦用自卸車，依托于國(guó)家863計(jì)劃“大噸位自卸車開(kāi)發(fā)”。礦用自卸車作為大型露天礦石場(chǎng)所運(yùn)輸工具的主力軍，為了推動(dòng)自主產(chǎn)品發(fā)展，國(guó)務(wù)院將礦用自卸車列入十六大重大技術(shù)裝備關(guān)鍵領(lǐng)域，以促進(jìn)企業(yè)加大研發(fā)力度。因此，運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)礦用自卸車進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)能夠提升重大裝備制造水平，符合國(guó)家政策要求，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。
　　傳統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是以提高產(chǎn)品使用壽命為目標(biāo)而進(jìn)行設(shè)計(jì)的，追求的是壽命耐久性能。然而單純追求壽命長(zhǎng)

2、的設(shè)計(jì)往往會(huì)帶來(lái)結(jié)構(gòu)質(zhì)量冗余，不但會(huì)造成制造資源的巨大浪費(fèi)，而且給零件的報(bào)廢處理帶來(lái)很大困擾。等壽命設(shè)計(jì)思想認(rèn)為壽命不足和壽命過(guò)剩都是一種浪費(fèi)，只有與功能匹配的有限壽命設(shè)計(jì)，才是最具價(jià)值的設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)礦用自卸車關(guān)鍵零部件（車架、A型架和甲板）的壽命存在不相等的現(xiàn)象。車架、A型架是礦用自卸車的主要承載部件，承受著來(lái)自路面的強(qiáng)烈沖擊，一旦發(fā)生開(kāi)裂或折斷，整車的正常運(yùn)行將受到嚴(yán)重影響，造成數(shù)百萬(wàn)的重大損失甚至人員傷亡，所以保證其運(yùn)行

3、過(guò)程的疲勞壽命非常關(guān)鍵。但是對(duì)于受力偏小的甲板部件來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)往往設(shè)計(jì)余量過(guò)大，導(dǎo)致礦用自卸車甲板的疲勞壽命過(guò)長(zhǎng)，造成了材料的不必要的浪費(fèi)，無(wú)形中增加了成本。如何使各零部件疲勞壽命合理匹配，改變這種壽命不等的情況，不僅能夠保證零件壽命的使用要求，而且能夠有效地節(jié)省零部件制造成本。
　　零部件剛度合理分布是提高疲勞壽命和減少質(zhì)量冗余的一種方式。合理的剛度分布，是一個(gè)資源和性能優(yōu)化的過(guò)程。一方面，部件間的剛度不協(xié)調(diào)會(huì)引起零部件間共振

4、現(xiàn)象，對(duì)疲勞壽命和工作狀態(tài)產(chǎn)生影響。另一方面，對(duì)于單個(gè)部件來(lái)說(shuō)，其剛度分布不合理不僅會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的冗余，造成材料的浪費(fèi)，而且會(huì)使部件某部分結(jié)構(gòu)較為薄弱，在交變載荷的作用下導(dǎo)致零部件的疲勞破壞。零部件剛度的合理分布是保證結(jié)構(gòu)性能以及減少質(zhì)量冗余的關(guān)鍵，而剛度鏈設(shè)計(jì)方法是實(shí)現(xiàn)剛度合理分布的有效手段。建立有效的剛度鏈設(shè)計(jì)方法，使之與疲勞壽命和輕量化相關(guān)聯(lián)，并將其運(yùn)用到關(guān)鍵零部件等壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)之中，實(shí)現(xiàn)零部件剛度的合理分布，是達(dá)到疲勞壽命設(shè)計(jì)要求

5、且實(shí)現(xiàn)輕量化的有效途徑。
　　針對(duì)某國(guó)產(chǎn)礦用自卸車特殊的結(jié)構(gòu)形式和工作環(huán)境，本文結(jié)合試驗(yàn)、數(shù)值模擬技術(shù)、灰色模型以及剛度鏈對(duì)礦用自卸車的零部件進(jìn)行等壽命設(shè)計(jì)研究。主要內(nèi)容如下:
　　1.建立了整車動(dòng)力學(xué)模型，用于提取關(guān)鍵零部件（車架、A型架和甲板）有限元模型分析驗(yàn)證時(shí)的邊界載荷信息以及疲勞壽命分析時(shí)所需的載荷譜信息。然后根據(jù)礦用自卸車三維模型，分別建立了車架、A型架和甲板的有限元模型，并將有限元分析結(jié)果與實(shí)車道路試驗(yàn)結(jié)果分別

6、進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了各部件有限元模型的正確性，為后面的疲勞壽命分析和剛度設(shè)計(jì)提供模型基礎(chǔ)。
　　2.考慮應(yīng)力分級(jí)統(tǒng)計(jì)的相鄰應(yīng)力不等間距特性，重新構(gòu)造灰色模型背景值，建立了一種高精度不等間距灰色模型。并運(yùn)用不等間距灰色模型對(duì)傳統(tǒng)Miner方法進(jìn)行修正，得到了預(yù)測(cè)疲勞壽命的灰色Miner方法，從而提高了疲勞壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。然后對(duì)自卸車關(guān)鍵零部件（車架、A型架和甲板）進(jìn)行疲勞壽命分析，提取出危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間歷程，并完成應(yīng)力分級(jí)統(tǒng)計(jì)。最后運(yùn)

7、用灰色Miner方法對(duì)車架、A型架和甲板進(jìn)行疲勞壽命估算，得到了較為準(zhǔn)確的疲勞壽命。
　　3.零部件間由于動(dòng)態(tài)耦合原因，容易引起零部件間發(fā)生共振，甚至導(dǎo)致部件破壞，從模態(tài)匹配方面指導(dǎo)部件間的剛度協(xié)調(diào)可以避免此類情況的發(fā)生。本文分析了礦用自卸車關(guān)鍵零部件的模態(tài)信息，并對(duì)關(guān)鍵零部件之間的模態(tài)匹配做了相關(guān)研究，并且基于模態(tài)匹配結(jié)果建立了礦用自卸車關(guān)鍵零部件之間的剛度協(xié)調(diào)關(guān)系，為后續(xù)的關(guān)鍵零部件合理設(shè)計(jì)做了強(qiáng)有力的指導(dǎo)。
　　4.對(duì)

8、于單個(gè)部件來(lái)說(shuō)，其剛度分布不合理不僅會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的冗余，造成材料的浪費(fèi);而且會(huì)使部件某部分結(jié)構(gòu)較為薄弱，在交變載荷的作用下導(dǎo)致零部件的疲勞破壞。本文建立了一種零部件的剛度鏈設(shè)計(jì)方法，并基于剛度鏈設(shè)計(jì)方法建立了車架、A型架以及甲板模型的剛度分布模型。然后對(duì)其剛度分布均勻化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)剛度分布均勻化能有效提高零部件性能和減少結(jié)構(gòu)冗余，從而為礦用自卸車關(guān)鍵零部件等壽命設(shè)計(jì)提供合理的剛度約束條件。
　　5.運(yùn)用響應(yīng)面法建立了礦用自卸車車