（机械设计及理论专业论文）装载机驱动桥壳疲劳寿命预测研究.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 驱动桥壳作为装载机的关键零部件，承受来自路面和装载机本身的各种冲击和作用 力，其刚度和强度对于主减速器和差速器齿轮的正常啮合及半轴的正常工作有着重要意 义。装载机的作业工况复杂，驱动桥壳所承受的外部载荷是随时间而变化的动态随机载荷。 因此，桥壳的主要破坏形式是交变载荷作用下损伤长期积累而导致的疲劳失效。本文结合 浙江省科技厅重大科技专项项目( 2 0 0 9 c l1 1l1 ) “轮式装载机驱动桥关键技术研究与产业 化 ，对z l 5 0 型装载机驱动桥壳进行了疲劳寿命预测研究。本文的主要研究内容如下： 1 ) 利用大型建模软件u g 建立了桥壳三维实体模型，将该几何模型导入前处理软件 h y p e r m e s h 中进行网格划分，最终得到桥壳的有限元分析模型。利用a b a q u s 对桥壳在 台架试验载荷和装载机满载工况下分别进行了强度有限元分析，获得了桥壳的应力分布。 通过在桥壳表面覆盖一层很薄的壳单元，为后续的疲劳分析提供了更为准确的桥壳表面应 力。通过比较桥壳台架疲劳试验加载频率和模态分析获得的桥壳固有频率，说明了后续章 节采用准静态疲劳分析法估算桥壳寿命的合理性。 2 ) 根据桥壳强度有限元分析结果，确定了桥壳载荷谱的测试方案，测取了桥壳的载 荷时间历程。对采集到的载荷数据进行了较详细的分析，利用n s o r 软件的数据处理模块， 对测试数据进行了雨流计数处理，得到了各采样测点应力时间历程的雨流损伤直方图和 损伤时问历程。 3 ) 分别基于有限元法和实测应力，结合材料的疲劳特性( s - n 曲线) ，选用m i n e r 累积损伤法则，利用n s o r 软件中的疲劳分析模块，对桥壳进行了疲劳寿命预估，得到了 驱动桥壳疲劳寿命云图及最低疲劳寿命。 4 ) 为了考察焊缝对桥壳疲劳强度的影响，在桥壳整体疲劳损伤寿命分析的基础上， 进行了焊缝局部细节的疲劳分析。应用b s 7 6 0 8 标准，分别基于实测应力和有限元法进行 了焊缝疲劳寿命预估研究。两种计算结果均表明，焊缝的疲劳强度明显的低于母材的疲劳 强度，这和焊接结构的疲劳强度通常取决于焊缝接头疲劳强度的实际情况是相吻合的。 本文对装载机驱动桥壳的载荷谱测试及疲劳寿命研究方法也为其它车辆机械零部件 的抗疲劳设计提供了参考，本文的研究工作具有实用意义和推广价值。 关键词：驱动桥壳；实测载荷谱；疲劳寿命；有限元法；焊缝疲劳 浙江理工大学硕士学位论文 f a t i g u ea n a l y s i sa n d l i f ep r e d i c t i o no fal o a d e r sd r i v ea x l eh o u s i n g a b s t r a c t a sak e yc o m p o n e n to faw h e e ll o a d e r d r i v ea x i eh o u s i n g 锄s t a i n sv a r i o u sf o r c e s 锄d i m p a c t sb o t hf 两mr o a da n dt h ev e h i c l ei t s e l ft h es t i m l e s sa n ds 吮n 舀ho ft h ea x l eh o u s i n gi so f g r e a ti m p o r t a n c ef o rt h eg e a r so fr e d u c e r 卸dd i f 诧r e n t i a lm e s h i n gp r o p e r l y i ti sa i s ov e 科 i m p o r t a n tf o rt h ep r o p e r 如n c t i o n i n go ft h ea x i e t h ew h e e l l o a d e r s 、o r k i n gc o n d i t i o ni sv e 叫 c o m p l e ks ot h ea x l eh o u s i n gs u f 艳r sr a n d o md y n a m i cl o a d s t h e r e f o r e ，t h em a i nf a i l u r em o d eo f t h ea ) 【l eh o u s i n gi s f a t i g u e ，w h i c hi sc a u s e db ya c c u m u l a t e dd a m a g eu n d e r1 0 n g - t e n nc y c l i c l o a d i n g w i t ht h em 旬o rp r o j e c to fz h 句i a n gs c i e n c e 锄dt e c h n o l o g yd e p a n m e n t k e y t e c h n o l o g i e sr e s e a r c ho fw h e e ll o a d e i j sd r i v ea x l ea n di t si n d u s t r i a l i z a t i o n ( 2 0 0 9 c llll1 ) ，t h i s p a p e ra n a l y s i sa n de s t i m a t e st h ef a t i g u el i f eo ft h ed r i v ea x l eh o u s i n go fz l 5 0w h e e l i o a d e r t h e m a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) at h r e e - d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e lo ft h ea x l eh o u s i n gi sb u i l tv i ac a ds o f t 、v a r eu g a n d i sm e s h e dv i ap r e - p r o c e s s i n gs o f h a p eh y p e r m e s h t 1 l ec a em o d e lo ft h eh o u s i n gi st h e n i m p o f t e di n t oac a e s o f h a r ea b a q u s s t r e n g t ha n a i y s i so ft h ea ) 【l eh o u s i n gb o t l li nb e n c h t e s tc o n d i t i o n 锄dw h e e l l o a d e r s 亿u1 0 a d e dc o n d i t i o na r ec a m e do u tu s i n gf i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，锄ds n _ e s sd i s t r i b u t i o no ft h eh o u s i n ga r eo b t a i n e dr e s p e c t i v e i y t _ h ea x l eh o u s i n g s u r 蠡c ei sc o v e 佗db yav e ut h i nl e v e io fs h e l le i e m e n t s ，w h i c hp r o v i d e sam o r ea c c u r a t es u r f a c e s t r e s sf o rf a t i g u e 卸a l y s i s t h eh o u s i n g sn a t u m lf k q u e n c i e so b t a i n e db ym o d a i 卸a l y s i sa r e c o m p a r e dw i t hi o a df k q u e n c yo fb e n c ht e s t ，t h er e s u l t ss h o w st h a tu s i n gq u a s i s t a t i cm e t h o dt o e s t i m a t et h eh o u s i n g sf a t i g u el i f ei sr e a s o n a b l e 2 ) t h el o a ds p e c t m mt e s tp r o g r a mi sd e t e n n i n e db a s e do nt h er e s u l t so fa x l eh o u s i n g s t r e n g t h 卸a l y s i s n e1 0 a dh i s t o r i e so ft h ea x i eh o u s i n ga r ea c q u i r e du s i n gs 帆i ng a u g e s d e t a 订e d 锄a l y s i so ft h ea c q u i r e d 蛐陀s ss p e c t m mi sc a 盯i e do u t r a i nf l o wc o u n t i n gp r o c e s s i n go f t h es t r e s ss p e c t r i j mi st h e nc a 州e do u tv i an s o r sd a t ap r o c e s s i n gm o d u l e r a i nf l o w d a m a g e h i s t o g r a ma n dd a m a g eh i s t o 巧o f e a c hm e a s u r i n gp o i n ta r eo b t a i n e d 3 ) 7 i h e 龟t i g u el i 凫o ft h ea x l eh o u s i n gi sc a l c u l a t e du s i n gm i n e r sl a wv i an s o r sf i a t i g u e a n a i y s i sm o d u l e l i f ed i s t r i b u t i o no ft h ea x l eh o u s i n gi so b t a i n e db yu s i n gq u a s i s t a t i cm e t h o d a n ds t 陀s s e s d i s t r i b u t i o na c q u i r e df r o mc a es t r e n 舀h a n a l y s i s l i 传p r c d i c t i o nb a s e do n 浙江理工大学硕士学位论文 m e a s u r e ds t t e s ss p e c n l l mi sa l s oc a r r i e do u t 4 ) i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo ft h ew e l do nt h ea x l eh o u s i n g sf a t i g u es t r e n g t h ， f i a t i g u el i f ep r e d i c t i o no f t h ew e l dj o i n ti sc a r r i e do u t 1 na c c o r d a n c ew i t hb s 7 6 0 8s t a n d a r d s ，b o t t l s t r e s s e sa c q u i r e db yt e s t 粕df i n i t ee i e m e n t 柚a l y s i sa r eu s e dt 0e s t i m a t et h ef a t i g u eo ft h ew e l d j o i n t b o t l lr e s u l t ss h o wt h a tt h ef 乱i g u es n e n g t ho fw e l d e ds t l l l c t u r e si ss i g n i f i c a n t l yl o w e rt h a n t h ef a t 谵u e $ r e n 醇ho ft h eb a s em e t a l t h i sm a t c h e st h et 1 1 l t ht h a tt h ef a t i g u es t r e n g t ho ft h e w e l d e ds t n j c t u r e sg e n e r a l l yd e p e n d so nt h ew e l dj o i n t sf 乱i g u es t r e n 舀h 1 n h el o a ds p e c t m mt e s 忱n a l y s i sm e t h o da n dt h ef a t i g u ei i 纯e s t i m a t i o nm e t h o di nt h i sp a p e r a l s op r o v i d ear e f e r e n c ef o ro t h e rv e h i c l ep a r t s a n t i - f 撕g u ed e s i g n t h i sr e s e a r c hh a sp r a c t i c a l s i 印i 矗c 柚c ea n dp m m o t i o n a lv a l u e k e yw o r d s ：d r i v ea x l eh o u s i n g ；t h em e a s u r e di o a ds p e c t l l j m ；f 缸i g u el i 角；f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ；w e l df a t i g u e l l i 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 装载机主要用于装卸成堆散料，广泛应用于建筑、矿山、铁路、公路、水电等建设工 程的土石方施工，是工程机械的一个主要机种。近年来，随着我国经济的持续发展，对装 载机的需求持续增长，极大地促进了装载机行业的发展。2 0 0 8 年我国装载机行业销量已突 破1 7 万台，达到了历史最高峰【lj 。随着全球日趋激烈的竞争和用户对产品的安全性、耐久 性及可靠性日趋关注和重视，对装载机等工程车辆的质量、寿命和可靠性提出了更高的要 求。 图1 1 前驱动桥总成 1 主传动器；2 管塞；3 透气管；4 半轴；5 筛0 动器总成；6 油封；7 挡油环；8 一卡环；9 - 轴承； l o 埔4 动鼓；1 1 轮壳；1 2 轮胎：1 3 轮辋；1 4 行星轮架；1 5 内齿轮；1 6 垫片；1 7 行星轮轴： 1 8 钢球；1 9 滚针；2 0 一行星齿轮；2 1 太阳轮：2 2 一挡圈：2 3 盖；2 4 轴承。 驱动桥作为装载机传动系的最后一个大总成，其主要功能是增大扭矩并将其分配给左 右车轮，并通过差速器实现左右车轮在转弯或不平路面行驶时所要求的差速功能：同时， 驱动桥还承受来自路面和装载机本身的各种冲击和作用力，其工作环境极为恶劣2 1 。如图 1 1 所示：驱动桥的桥壳作为主减速器和差速器等的外壳起着支撑装载机荷重和将车轮上 的牵引力、制动力、垂向力等传递给车架的作用。因此桥壳的刚度和强度对于主减速器和 l 浙江理工大学硕士学位论文 差速器齿轮的正常啮合及半轴的正常工作有着重要意义【3 4 】。 装载机在使用过程中行驶在凹凸不平的路面上，由于行驶路面、行驶速度、装载条件 和操作水平等的不同，驱动桥壳所承受的外部载荷将是随时间而变化的动态随机载荷。因 此，桥壳的主要破坏形式是交变载荷作用下损伤长期积累而导致的疲劳失效【5 】，使得结构 漏油并使桥壳内传动机构运动产生干涉，甚至出现桥壳断裂等严重事故。作为重要的安全 部件，桥壳的破坏将直接导致装载机失去工作能力，产生严重的经济损失，甚至危及人身 安全。国内驱动桥的正常使用寿命比国外同类产品要低的多，疲劳强度的研究已成为驱动 桥设计的一项重要内容。 本文结合浙江省科技厅重大科技专项项目( 2 0 0 9 cl l1 11 ) “轮式装载机驱动桥关键技 术研究与产业化”，对z l 5 0 型装载机驱动桥壳进行了疲劳寿命预测研究。通过驱动桥壳 的有限元模态分析，获得了固有频率和振型等桥壳动态特性。对装载机满载工况下和台架 疲劳试验载荷下的桥壳进行了有限元强度分析，获得了桥壳的应力分布。应用应变电测法 对驱动桥壳进行了载荷谱实测，并应用雨流计数法对测试数据进行了计数处理。分别基于 台架试验载荷下的有限元分析结果和桥壳实测应力谱进行了桥壳的疲劳寿命预估，并对桥 壳典型焊缝的疲劳性能进行了预估分析，为桥壳的抗疲劳设计提供依据。本文对装载机驱 动桥壳的载荷谱测试及疲劳寿命研究方法为其它车辆机械零部件的抗疲劳设计提供了参 考，本文的研究工作具有实用意义和推广价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 疲劳研究与发展 疲劳是一门研究时间较长、包含了许多学科的研究分支，疲劳研究的历史可追溯到1 9 世纪1 5 。1 0 1 。1 8 3 9 年，法国人j v 彭赛列在他的著作中首次使用了“疲劳”这个名词。1 8 4 3 年，苏格兰人w j m 兰金指出金属性能逐渐变坏导致了机车车轴的破坏。沃勒( w 6 h l e r ) 最先对疲劳现象进行了系统研究，1 8 5 0 年他设计出了第一台疲劳试验机，并首次使用金属 试样进行了疲劳试验；1 8 7 1 年，他提出了s n 曲线和疲劳耐久极限的概念，奠定了金属疲 劳的基础。1 8 8 4 年，包辛格( j b a u s c h i n g e r ) 在验证沃勒的疲劳试验时，发现了“循环软 化”现象，该现象于1 9 5 2 年被命名为“包辛格效应”。 1 8 7 4 年格伯( w g e r b e r ) 研究了平均应力对疲劳的影响，提出了格伯抛物线方程。1 9 3 0 年英国人g o o d m 锄对疲劳极限线图提出了简化假设，即著名的g 0 0 d m a n 图。1 9 2 4 年，h j g o u g h 出版了巨著金属疲劳，在疲劳机理方面做出了很大贡献。1 9 3 9 年，e 奥罗万对 2 浙江理工大学硕士学位论文 h j g o u 曲的应变硬化理论进行了解释。 1 9 2 9 年，英国人b p 黑提出了缺口应变分析和“残余应力”的概念。1 9 2 9 年r 。e p e t e r s 叩 研究了疲劳缺口效应，提出了理论应力集中系数。1 9 3 0 年前后，美国人j o 阿尔门提出， 被喷丸的零件疲劳强度的提高，是由于表层中产生了残余压应力。1 9 6 1 年h n e u b e r 得出了 描述缺口非线性应力应变特性的n e u b e r 定律。 1 9 4 5 年美国人m i n e r 在j v p a l m g r e n 的工作和大量试验研究的基础上，重新提出损伤与 应力循环数成线性关系，形成了p a i m g r e n m i n e r 法则，此法则至今仍在广泛使用。2 0 世纪 4 0 年代。苏联人c b 谢联先提出了常规疲劳设计公式。 1 9 2 0 年，a a g r i 伍t h 研究了玻璃的脆断，奠定了断裂力学的基础。1 9 5 3 年，a k 赫德 提出了疲劳裂纹扩展理论。1 9 5 7 年，g r 欧文在裂纹尖端附近弹性力学应力分析的基础上 提出了应力强度因子和断裂韧性的概念。1 9 6 3 年p c p a r i s 提出了著名的p a r i s 公式，即金属 的疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子幅度从之间存在着指数关系。1 9 5 4 年s s m a n s o n 和 l f c o 硒n 提出了表达塑性应变范围与疲劳寿命关系的m a n s o n c o 确n 方程，在此基础上 r m w e t z e l 于1 9 7 1 年提出了根据应力应变分析估算疲劳寿命的一整套方法一局部应力应 变疲劳分析法。 2 0 世纪9 0 年代出现了基于有限元法f e m ( f i n i t ee l e m e n lm e t h o d ) 计算的应力厂应变来 进一步计算疲劳寿命的商业化疲劳软件，如n s o f t ，m s c f a t i g u e 等，之后又出现了综合多 体动力学和有限元法来计算随机载荷下疲劳寿命的相关工具。 我国的疲劳强度研究起步较晚 1 l l 。2 0 世纪5 0 年代，个别科研单位开始开展一些试验 研究工作。2 0 世纪8 0 年代，国内的疲劳寿命预测开始形成理论体系。1 9 8 2 年召开了首届 全国疲劳学术会议。高镇同创立了疲劳统计分支学科，建立了结果寿命可靠性评定的专家 系统，提出了广义s n 曲面拟合法、二维m i n e r 准则等【6 j 。1 9 9 0 年胡俏等在研究随机载荷 下可靠性设计理论中提出疲劳应力可分为横向分布和纵向分布两类分布的概念他1 。 目前，我国已有许多科研机构、高校等开展了疲劳强度的研究工作，对疲劳裂纹扩展 速率、疲劳试验数据处理、疲劳机制和疲劳失效分析等进行了研究【9 1 。我国目前在飞机设 计中已经采用了抗疲劳设计和可靠性设计，而一般机械设计基本仍处于静强度设计阶段， 总体水平仍落后于发达国家，如缺乏国产材料的疲劳性能数据、对结构疲劳试验投入不够 等。 1 2 2 驱动桥壳结构强度分析的研究现状 早期驱动桥壳设计采用设计和试验交叉进行，在设计定型之前一般需经过多轮设计， 3 浙江理工大学硕士学位论文 需经过设计一样机制造一试验一修改一再设计的往复，造成整个设计周期长、产品开发成本高 以及资源的浪费等。而驱动桥壳的结构强度分析则通过将驱动桥壳简化为空心梁，进行弯 曲强度校核。这种方法由于对桥壳结构简化过多，往往无法得到精确的应力分布。2 0 世纪 6 0 年代以来，随着计算机的迅速发展，有限元法在工程上得到了广泛应用【1 3 17 1 。有限元法 可以考虑各种载荷工况和边界条件，计算精度高，为驱动桥壳强度分析提供了强有力的工 具。 驱动桥壳结构复杂，且受力状况多变，要获得各种工况下桥壳的精确应力分布比较困 难。目前，国内外学者主要通过有限元法对驱动桥壳进行结构强度分析。 2 0 0 1 年，重庆大学的褚志刚等作了某汽车驱动桥壳结构破坏机理分析研究，利用有限 元方法对其作了静力分析、模态分析、强迫振动响应分析等，得到了在1 2 h z 和4 4 h z 的激 励下系统产生较大的动态响应，且最大动应力出现在桥壳的中部的结论【1 8 】。 2 0 0 4 年，南京林业大学的郑燕萍对三种典型工况下某汽车驱动桥壳进行了结构强度有 限元分析，结果表明有限元法和传统设计方法的计算结果是一致的【l9 1 。他们还对某汽车驱 动桥桥壳台架试验进行了有限元模拟，得到桥壳各节点的位移量，验证了该驱动桥的强度 满足国家标准的要求f 2 0 1 。2 0 0 4 年，郑燕萍对汽车驱动桥壳进行了有限元模态分析和瞬态动 力学分析。有限元模态分析获得的固有频率、振型与试验结果吻合较好，并且获得了桥壳 在动载荷下的动态响应【2 。 2 0 0 6 年，殷红峰进行了基于参数化的装载机驱动桥壳动态优化设计。他利用u g 建立 了驱动桥壳的参数化模型，并建立了某装载机前桥的动力学模型，分析了影响桥壳刚度和 强度的因素，在此基础上进行了桥壳的结构优化设计【2 2 1 。 国外学者也对驱动桥壳进行了结构强度、断裂失效等研究。1 9 8 1 年，k l s e s h a s a j 对 某叉车驱动桥壳进行了强度有限元分析。他利用有限元法对形状复杂且承受重载的驱动桥 壳进行了应力分析【2 3 1 。 2 0 0 7 年，美国的y h u a n g 和y z h u 对某卡车驱动桥壳的断裂失效进行了研究。他们利 用扫描电镜对桥壳焊缝的断口进行了断口分析，结果表明焊缝断口处存在铁素体带，该铁 素体带上含氧化层和微空隙，从而降低了焊缝的耐冲击强度，并最终导致了桥壳断裂失效。 他们的研究还表明，焊接过程中熔融层凶暴露于空气形成了氧化层，而后续的固化过程则 形成了上述的微空隙，并据此提出了对焊接工艺的改进建议【2 4 1 。 从。卜述文献可以看出，目前已有较多的学者利用有限元法对驱动桥壳的结构强度、刚 度、动态性能等进行了研究分析。他们的研究表明，利用有限元法对驱动桥壳的结构强度、 4 浙江理工大学硕士学位论文 动态响应等进行分析是行之有效的。利用有限元法不仅能获得驱动桥壳在各种载荷工况下 精确的位移应力分布和动态响应，同时提高了产品设计开发效率，降低了生产成本和开 发周期。 1 2 3 驱动桥壳疲劳寿命预测的研究现状 驱动桥在使用过程中承受随时间变化的动态随机载荷，在此动态载荷作用下产生疲劳 损伤并长期累积导致的疲劳失效是桥壳的主要破坏形式之一。近年来，驱动桥壳的疲劳寿 命预测理论和方法有了很大的发展，国内外有不少学者做了相关的研究。 1 9 9 1 年，出版了中华人民共和国机械行业标准j b 厂r5 9 2 8 1 9 9 l 工程机械驱动桥台架 试验方法，该标准定义了驱动桥台架试验方法，包括驱动桥台架试验计算负荷的确定、 驱动桥桥壳垂直弯曲疲劳试验等【2 5 1 。同年，中华人民共和国机械行业标准j b 厂r5 9 2 9 19 9 l 工程机械驱动桥可靠性试验方法出版，该标准规定了驱动桥现场可靠性试验方法和实 验室可靠性试验方法及其特征量观测值【2 6 】。目前对装载机驱动桥的疲劳研究较少，但汽车 及其他工程车辆的驱动桥疲劳研究为装载机驱动桥的疲劳研究提供了很好的参考。 早期的研究主要通过试验的方法来研究桥壳的疲劳强度f 2 7 ，2 引。1 9 9 6 年，清华大学的王 秋景、管迪华以某型汽车后桥壳为例，给出了该后桥壳基于海南汽车试验场可靠性试验道 路行驶载荷条件下所得到的疲劳寿命概率分布，探讨了汽车前后轴台架疲劳试验方法与试 验疲劳寿命当量之间的关系，使人们可以根据台架疲劳试验结果来可靠的推断零件在实际 载荷作用下的疲劳寿命2 7 1 。随着计算机硬件和数值算法的成熟，尤其是有限元法在固体力 学、流体力学、疲劳分析等众多领域得到广泛应用【1 3 。16 】，使得人们更多的趋向于应用有限 元软件进行零部件的结构分析和疲劳寿命预测研究。 2 0 0 2 年，肖生发等以雨流法得到的载荷谱为基础，编制了后桥二维载荷谱的计算机程 序，分别利用一维和二维载荷谱对e q l 0 3 0 t 型轻型车后桥进行了疲劳寿命预测，结论是一 维和二维载荷谱预测疲劳寿命的差别为1 2 ，二维载荷谱在力学和数学意义上更为合理【2 9 1 。 2 0 0 6 年，文凌波等对某型驱动桥壳进行了静强度计算和疲劳寿命分析，研究了桥壳的结构 形式、焊接残余应力、焊接缺陷等对桥壳疲劳寿命的影响，与台架试验进行了对比分析， 并提出了改进方案【3 0 l 。2 0 0 8 年，李亮、宋健等对某型驱动桥壳进行了应力分析，在此基础 上进行了桥壳和焊缝的疲劳寿命分析，结果表明有限元仿真结果和台架试验结果相一致， 根据分析结果提出了桥壳的优化设计方梨3 i j 。 2 0 0 8 年以后，很多学者对驱动桥壳的疲劳强度进行了更深入的研究。2 0 0 8 年，高晶 等作了随机载荷作用下汽车驱动桥壳疲劳寿命预估，通过整车系统多体动力学分析得到了 浙江理工大学硕士学位论文 桥壳上的随机载荷谱，利用m s c f a t i g u e 得到了桥壳的疲劳寿命分布和危险部位，并通过 桥壳台架疲劳试验验证了利用有限元法进行疲劳寿命预测的准确性【3 2 1 。2 0 0 8 年，朱茂桃等 分析了某农用运输车钢板冲焊整体式驱动桥壳的疲劳寿命，得到桥壳在试验载荷下的寿命 分布；他们研究了焊缝对桥壳疲劳强度的影响，按英国b s 5 4 0 0 标准选用焊缝s - n 曲线计 算得到了焊缝的疲劳寿命，将有限元仿真结果和桥壳台架疲劳试验结果进行了对比，验证 了基于有限元分析的疲劳寿命预测方法的可行性【3 3 ，3 4 1 。 2 0 0 8 年，重庆交通大学的杜子学等利用实测载荷谱对货车后桥桥壳进行了有限元疲劳 强度分析，分析结果表明实际使用过程中桥壳无疲劳损伤，即桥壳具有无限寿命。2 0 0 8 年，吉林大学的李丽作了后桥壳的有限元结构刚度和强度分析，找出了桥壳的危险部位， 在此基础上进行了后桥的疲劳寿命预测；同时，她还对桥壳进行了有限元模态分析，获得 了固有频率和振型等桥壳的动态特性【蚓。 2 0 0 8 年，南京理工大学的郑慧林作了某微型车驱动桥的结构分析和考虑焊缝影响的疲 劳寿命分析。分析结果表明，该微型车驱动桥的刚度、强度及疲劳性能满足国家标准的要 求。疲劳分析结果显示，驱动桥的疲劳寿命危险区域为桥壳与半轴套管之间的对接焊缝处； 而结构分析结果显示，驱动桥在板簧位置及半轴套管变截面处有较大的应力，是结构薄弱 区域。基于结构分析和疲劳强度分析，提出了轻量化改进方案【3 7 】。 2 0 0 9 年，合肥工业大学的林正祥作了汽车驱动桥桥壳动力特性分析与疲劳寿命预测。 他通过紧急制动时程分析得到了桥壳在紧急制动工况下的动应力，通过谐响应分析确定了 可能发生共振的危险频段，并通过考虑过盈装配非线性的疲劳强度分析得到了过盈情况下 的疲劳寿命分布【3 引。 国外学者也对驱动桥桥壳的疲劳强度做了较多的研究。其中较典型的是，2 0 0 9 年土耳 其的m m t 0 p a c 利用有限元法对某后桥桥壳的疲劳失效进行了预测研究。他利用有限元 法和实测材料参数得到了桥壳的应力分布，并基于应力分析结果计算了桥壳的疲劳强度， 得到了桥壳疲劳裂纹起始部位和最小寿命及安全系数分布，计算结果与台架疲劳试验结果 吻合较好【3 9 1 。 1 9 7 4 年，日本的m o c h i z u k is u m i o 等对随机载荷作用下的某后桥壳的强度进行了研究。 他们从疲劳强度的角度，对随机载荷作用下桥壳的动态应力进行了评估。通过算例分析了 影响桥壳疲劳强度的因素，计算结果和试验结果吻合较好，从而有可能在设计阶段推断这 些影响因素对桥壳疲劳强度的影响【4 0 1 。 1 9 8 6 年，j s a m u e l s s o n 和d k h o l m 等对损伤容限法和常规疲劳寿命估算法在某轮式 6 浙江理工大学硕士学位论文 装载机桥壳上的应用进行了研究。应用有限元法对桥壳进行了应力分析，并将计算结果和 应变测试结果进行了比较；应用断裂力学方法，对桥壳某初始裂纹的疲劳裂纹扩展寿命进 行了估算【4 l 】。 1 9 9 5 年，美国的s t e v e nw b r a d l e y 和w a l t e rl b r a d l e y 利用断裂力学方法对某起重机 驱动桥壳的失效进行了研究。他们的研究结果表明，桥壳失效的原因是焊接在桥壳上的刹 车块在刹车时引起了很大的冲击应力，该应力超过了桥壳材料的疲劳极限；同时，计算结 果表明，由于从疲劳裂纹起始到裂纹扩展至桥壳最终断裂失效的时间过短，常规的检修无 法检测这样的裂纹【4 2 1 。 和早期主要通过试验的方法研究桥壳的疲劳强度相比，利用有限元法进行结构疲劳寿 命预测研究有着明显的优势。试验法必需在获得物理样机之后才能进行，并且当试验结果 不满意进行设计变更时，需对样机进行重新设计、制造，造成产品设计周期长、开发费用 昂贵。而基于有限元法的结构疲劳强度分析无需物理样机，且所建立的虚拟样机可以重复 使用，进而进行比较研究，只需在最后阶段进行试验验证，从而大大减少所需的物理样机 数，在缩短设计周期的同时提高了产品的竞争力。 1 3 课题来源及主要研究内容 本文结合浙江省科技厅重大科技专项项目( 2 0 0 9 c1 ll1 1 ) “轮式装载机驱动桥关键技 术研究与产业化”，对z l 5 0 型装载机驱动桥壳进行了疲劳寿命预测研究。 本文以z l 5 0 型装载机驱动桥壳这一关键零部件为研究对象，围绕其疲劳特性展开综 合研究。主要研究内容包括桥壳强度有限元应力应变分析和模态分析、驱动桥壳载荷谱 实测、桥壳整体疲劳寿命预测及典型焊缝疲劳性能预估分析等。 全文各章节具体内容安排如下： 第一章，课题研究背景，国内外研究现状，课题意义和研究内容。 第二章，利用虚拟样机技术，建立了桥壳的有限元分析模型。利用有限元法，获得了 装载机满载工况下和台架疲劳试验载荷下桥壳的位移和应力分布情况。通过模态分析获得 了桥壳的固有频率和振型等动态特性，说明了准静态疲劳分析法的可行性。同时，应力分 析结果也为后续桥壳载荷谱测试方案的确定提供了依据。 第三章，根据第二章的计算结果，确定了桥壳载荷谱的测试方案。应用应变电测法对 桥壳进行了载荷谱实测，对采集到的载荷数据进行了较详细的分析与统计处理，为基于实 测应力的桥壳疲劳寿命预估做好准备。 7 浙江理工大学硕士学位论文 第四章，分别基于桥壳有限元分析和实测应力，结合材料的疲劳特性( s n 曲线) ， 选用m i n e r 累积损伤法则，利用n s o r 软件中的疲劳分析模块，对桥壳进行了疲劳分析。 获得了桥壳的疲劳寿命分布和危险部位。 第五章，在前章对桥壳整体疲劳损伤寿命分析的基础上，进行了焊缝局部细节的疲劳 分析。应用b s 7 6 0 8 标准，分别基于实测应力和有限元法进行了焊缝疲劳寿命预估研究。 第六章，对全文迸行总结和展望。 1 4 本章小结 本章首先介绍了课题研究的背景及意义。回顾了疲劳学科的发展简史，综述了驱动桥 壳结构强度分析和疲劳寿命预测的国内外研究现状，比较了利用试验法和有限元法进行结 构疲劳强度分析的优缺点。最后，概要性地给出了课题来源和全文各章的主要研究内容。 8 浙江理工大学硕士学位论文 第二章驱动桥壳强度有限元分析及模态分析 装载机驱动桥桥壳有三种结构形式，即可分式桥壳、整体式桥壳和组合式桥壳。其中 整体式桥壳由于将整个桥壳制成一个整体，桥壳犹如一个整体的空心梁，具有很好的强度 和刚度【4 1 。本文所研究的桥壳为铸造整体式桥壳，其主要优点是可以制成复杂而理想的形 状，其壁厚可以变化从而得到理想的应力分布，缺点是质量大、制造工艺复杂。 装载机作业工况复杂，桥壳在工作时承受随机交变载荷，疲劳失效是其主要失效形式。 传统的桥壳设计主要根据经验公式或试验来进行强度分析，计算误差较大并且试验费用昂 贵。故本文采用工程技术领域中实用性强且应用广泛的有限元法对桥壳进行强度分析，得 到较可靠的应力分布。同时，选用何种疲劳分析方法，依赖于外载荷频率与桥壳动态响应 ( 固有频率等) 之间的关系。故本章将采用有限元模态分析来获得桥壳的动态特性。 由于疲劳损伤大多是从构件的表面开始产生，因此本文在进行桥壳有限元强度分析 时，着重关注桥壳的表面应力。有限元分析结果的准确性对后续疲劳寿命预测有很大的影 响，因此，本章将建立合理的桥壳有限元模型来得到尽可能精确的表面应力。 2 1 桥壳强度有限元分析 2 1 1 有限元方法基本原理 对于许多工程问题，人们已经得到了它们应遵循的基本微分方程和边界条件，但是由 于实际问题的复杂性，对于绝大多数工程问题无法得到解析解。解决这类问题的一种有效 途径便是采用数值计算方法求得其近似解。具有代表性的数值计算方法是有限差分法和有 限元法，其中有限元法，由于其很强的适用性、基础理论的可靠性和求解的高效性而得到 了广泛的应用【4 3 1 。 有限元法的原理如下1 1 4 j ： 首先，将整个求解域离散成有限个力学单元互相连结而成的集合体，用每个单元内所 假设的近似函数来分片地表示整个求解域内待求的未知场变量，从而将原来的无穷多自由 度问题转换为有限自由度问题。建立和原问题基本方程及相应定解条件等效的积分方程， 并在一定条件下转化为线性代数方程组，然后将此方程组表示成规范化的矩阵形式，再利 用数值方法求解该方程组得到问题的解答。 9 浙江理工大学硕士学位论文 上述原理决定了有限元法具有如下特性【4 3 】： 1 ) 概念浅显，容易掌握。可以在不同理论层面上理解有限元法，既可以通过直观的 物理解释来理解，也可以基于严格的数学理论分析来理解。 2 ) 具有严格的理论基础。有限元方程建立于变分原理或加权余量法，这些理论已被 证明是和实际工程问题所遵循的微分方程及边界条件相等效的。只要原问题的数学模型是 正确的，同时用来求解有限元方程的算法是稳定的、可靠的，则有限元近似解最后将收敛 于原数学模型的精确解。 3 ) 有很强的适用性，应用范围极广。具有对复杂几何构形的适应性和对于各种物理 问题的可用性。 4 ) 适合计算机实现的高效性。由于有限元方法的各个步骤可以表达成规范化的矩阵 形式，得到的求解方程可以统一为标准的矩阵代数问题，特别适于计算机的编程和执行。 正是由于有限元法的上述特性和计算机技术的高速发展，有限元法得到了越来越广泛 的应用。目前，基于有限元法并被工程界广泛接受的大型通用商业软件有a n s y s 、 l s d y n a 、a b a q u s 、h y p e r w o r k s 、n a s t 凡n 、m a r c 等。这些软件可以解决工程 领域众多复杂问题，可以对大量实物试验进行数值化的“虚拟试验”，可以在设计阶段实 现各种分析和验证，从而做到高效率和低成本。 有限元分析的执行步骤如下f 1 4 】： 1 ) 根据问题的类型和性质选定单元的形式和单元插值函数。 2 ) 对结构进行离散。按问题的几何特点和精度要求等划分单元形成网格，将原来的 连续体离散为在结点处联结的有限单元组合体。 3 ) 形成单元的刚度矩阵和等效结点载荷列阵。单元刚度矩阵的一般表达式如下： 置。= l ，b 7d b d y 2 - ( 1 ) _ f 式中，b 一应变矩阵； d 一为材料弹性矩阵； 屹一为单元体积。 单元等效结点载荷列阵的一般表达式为 p = 彤+ 骘+ + 2 ( 2 ) 式中，彳作用于单元的体积力厂： l o 浙江理工大学硕士学位论文 巧作用于单元上的边界分布力r ； 与单元内的初应力等效的结点载荷列阵； 呓。与单兀内的初应变岛等效的结点载衙列阵。 它们分别为： 哆= l 7 y ，骘= 7 麟 = 一曰r 吼d y ，= l 召r d 氏d y 4 ) 集成结构的刚度矩阵和等效结点载荷列阵。 置= 置。= b ，册d y 2 ( 3 ) uuk 、o p = 巴+ b + 乞+ 巴+ b = ( 彤+ 巧+ + ) + 斥 式中，耳一直接作用于结点上的集中力。 2 一( 4 ) 5 ) 引入边界条件。 6 ) 求解有限元求解方程( 线性代数方程组) ，得到结点位移口。 = p 2 - ( 5 ) 7 ) 计算单元应变和应力。 = b 矿 仃= d ( g 一毛) + = d b 矿一d 氏+ 8 ) 进行必要的后处理。 2 1 2 有限元软件h y p e r m e s h 及a b a q u s 简介 2 - ( 6 ) 2 ( 7 ) 1 h y p e r m e s h 简介 h y p e r m e s h 是a i r 公司开发的功能强大的前后处理软件。由于工程师进行c a e 分析 时，大部分时间都花在了有限元前处理部分，因此，高性能的前处理软件能极大地提高工 程师分析效率。而高质量的网格能在提高计算精度的同时提高计算效率。h y p e r m e s h 是业 界领先的前后处理软件，具有高效而强大的网格划分功能，支持各主流c a d 、c a e 软件， 它的优势表现在m ，4 5 】： 1 ) 强大的几何输入、输出功能和方便灵活的几何清理功能 浙江理工大学硕士学位论文 h y p e r m e s h 支持多种格式的几何模型的读入，包括c a t i a 、p r o e 、u g 、s t e p 、i g e s 等格式。同时，强大的几何清理功能，能方便处理各种缝隙缝合、复杂曲面修补、去除相 贯倒角等。 2 ) 与各主流求解器无缝集成 h y p e r m e s h 支持l s d y n a 、a n s y s 、a b a q u s 、o p t i s t r u c t 、n a s t r a n 、队r c 等主流求解器，与其无缝集成。 3 ) 高效的网格划分功能 h y p e r m e s h 提供各种网格生成工具，方便用户创建二维和三维有限元模型，并容易实 现网格密度、单元质量等的控制。 4 ) 多种类型的后处理功能 h y p e r m e s h 提供了完善的后处理功能，可应用瞬时结果、变形结果、向量绘制以及切 割面轮廓等方式对结果进行显示，方便用户理解和分析复杂的模拟结果。 2 a b a q u s 简介 a b a q u s 是 s 公司开发的一套功能强大的通用有限元软件，不仅能分析线性问题， 也能解决复杂的非线性问题。a b a q u s 在非线性领域有着独特的优势，可以解决复杂的接 触、金属成型、粘弹性粘塑性响应、土壤力学、海洋工程结构分析等高度非线性问题。 a b a q u s 拥有完善的单元库和材料模型库，帮助用户解决各种复杂的工程实际问题。其丰 富的材料模型，可以模拟各种典型工程材料的性能，包括金属、橡胶、复合材料、聚合物、 可压缩的弹性泡沫、钢筋混凝土以及地质材料等。a b a q u s 不仅可以用于单物理场问题的 模拟，也能用于多物理场耦合分析，从而使复杂工程问题的分析更趋真实。同时，a b a q u s 提供了隐式和显式求解器，允许用户针对具体的问题选择合适的求解器。除了能处理单一 零部件的力学和多物理场耦合分析，a b a q u s 还拥有独一无二的系统级分析的特点，以适 应复杂的系统