（车辆工程专业论文）共振式道路破碎机车架设计与研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：纽叁些日期：o 碰 ! f12 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论 文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录 本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：纪查些 导师( 签名) ： 乳沙t川7et期：， 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国公路运输的快速发展，路面建设工程技术的需求，道路修缮设备开 始迅速发展，共振式道路破碎机以其自身的优点在路面建设工程中开始占据重 要地位，而破碎机车架的研制对整车研制的影响不言而喻。 本文主要研究了共振式道路破碎机车架的设计以及应用有限元理论对车架 进行静动态特性分析。通过对共振道路破碎机车架的有限元计算分析，验证了 车架结构的合理性，并为车架的改进设计提供了一定的数据。本文的研究对于 共振道路破碎机的研制具有一定的理论指导意义。 论文首先详细的介绍了共振式道路破碎机车架设计的工程背景以及理论基 础，基于共振式道路破碎机的原理对模型进行适当的简化，运用三维数字化设 计软件c a t i a 、模型转化软件c a d f i x 和有限元分析软件a n s y s 为设计分析工具， 分析探讨了车架的静态和动态力学特性。 其次运用c a t i a 软件建立了破碎机车架的三维几何建模，之后以此模型为研 究对象，运用c a d f i x 将装配的模型转化成a n s y s 里面可以导入的格式，在a n s y s 环境下建立车架的有限元模型，研究了车架的静态力学特性和动态振动特性， 得到了共振道路破碎机车架的应力分布、位移应变分布以及各阶模态。最后在 进行了车架的有限元分析后，对其进行结构的改进设计，完成车架的结构改良。 本文的研究为共振道路破碎机车架的设计开发提供了重要的数据指导，提高 了企业员工在产品设计方面利用理论和软件的能力，提高了企业产品质量和企 业效益。进而对共振道路破碎机整车的研制提供了重要参考，具有很好的理论 价值和现实意义。 关键词：共振式道路破碎机车架；结构设计；有限元分析；a n s y s 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ho u rr o a dt r a n s p o r t 。c o n s t r u c t i o no ft h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s ，r o a dr e p a i r s e q u i p m e n tb e g a nt od e v e l o pr a p i d l y n er e s o n a n c ei nt h er o a dt oac r u s h e ri ni t so w n m e r i t si nt h er o a dc o n s t r u c t i o np r o j e c t sb e g i nt oo c c u p ya ni m p o r t a n tp o s i t i o n ，a n dt o ar e s o n a n c em a c h i n ed e v e l o p m e n t ，t h ed e v e l o p m e n to ft h er e s o n a n c em a c h i n e s f r a m eh a v ea ni m p o r t a n ti m p a c t t h i sa r t i c l em a i n l yi nr e s o n a n c em a c h i n ec r u s h e rf r a m ed e s i g na n da p p l y i n gt h e t h e o r yo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n df r a m ef o rd y n a m i c s t h er e s o n a n c em a c h i n e c r u s h e rf r a m ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h ec a l c u l a t i n g ，v e r i f y i n gt h ef r a m es t r u c t u r e a n dr a t i o n a l i t yf r a m ei m p r o v e dd e s i g np r o v i d e ss o m ed a t a t h es t u d yo ft h e d e v e l o p m e n to ft h er e s o n a n c em a c h i n ec r u s h e rf r a m ei sm e a n i n 西u lf o rt h er e s o n a n c e m a c h i n ec r u s h e r sr e s e a r c h t h ea r t i c l ei n t r o d u c e dt h ed e t a i l sa b o u tt h er e s o n a n c eo ft h er o a dt oac r u s h e r f r a m ed e s i g ne n g i n e e r i n gb a c k g r o u n da n dt h e o r e t i c a lb a s i s ，b a s e do nt h er e s o n a n c ei n t h ep r i n c i p l eo ft h er o a dt oac r u s h e r b a s e do nt h a tp r e d i g e s t e dt h ef r a m e t a k i n gt h e c a n aa n da n s y sa st h et o o l st od e s i g na n da n a l y z et h ef r a m e b e s i d e si n t r o d u c e d t h et o o l s t h e nd i s c u s s e dt h es t a t i ca n dd y n a m i ct r a i t so ft h ef r a m e b a s e dt h em o d e lo ft h ef r a m ew i t hc a t i a , t h e nt a k et h em o d e la s t h e r e s o u r c e f u lo b j e c t ，t h e nt r a n s f o r m e dt h ef o r m a tf o ri m p o r t i n gt oa n s y s ，i nt h e a n s y ss e t t i n g sf o u n d e dt h ef e am o d e l r e s e a r c h e dt h es t a t i ca n dd y n a m i ct r a i t so f t h ef r a m e r e c e i v e dt h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n td i s t i l b u t i n ga n dt h em o d e so ft h e f r a m e a f t e rt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h ef r a m e ，t h e no p t i m i z e dt h ef r a m e s s t r u c t u r e ，a c h i e v e dt h ei m p r o v e m e n to ft h ef r a m e t h er e s e a r c hp r o v i d e si m p o r t a n td a t af o rt h ed e s i g no ft h er e s o n a n c em a c h i n e c r u s h e rf r a m e ，a n di m p r o v e sc a p a b i l i t yo fu s i n gs o f t w a r e sc a p a b i l i t ya n dt h e o r yi n p r o d u c td e s i g no fe n t e r p r i s e s ，a n dt h e ni t c a na l s oi m p r o v e sp r o d u c tq u a l i t ya n d e n t e r p r i s e e f f i c i e n c y i ta l s op r o v i d e s t h er e s o n a n c em a c h i n ec r u s h e ri m p o r t a n t r e f e r e n c e ，s ot h er e s e a r c hh a sm u c hb e t t e rt h e o r yv a l u ea n dr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：r e s o n a n tm a c h i n ef l o o rs l a bc r u s h e r sf r a m e ，s t r u c t u r ed e s i g n ， f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，a n s y s n 武汉理工大学硕士学位论文 目录 。 摘要i a b s t r a c t i i l ；i 录l i i 第1 章绪论1 1 1 论文课题的来源与背景1 1 2 共振式道路碎石化的概述1 1 3 本课题相关的国内外研究现状2 1 4 本课题研究的目标和意义。6 1 5 课题的主要研究内容7 1 6 共振道路破碎机车架的设计研究方案技术路线9 1 7 本章小结。9 第2 章破碎机车架的设计研究理论基础1 0 2 1 车架的基本结构和分类。1 0 2 2 基于c a t i av 5 r 1 7 的车架的三维建模1 1 2 3 有限元方法的基本分析理论1 1 2 3 1 有限元方法的概述1 1 2 3 2 有限元分析方法的基本步骤：1 2 2 4 模态分析理论1 6 2 。4 1 模态分析的概述。1 7 2 4 2 模态分析的应用1 7 2 4 3 模态分析的步骤1 7 2 5 本章小结1 8 第3 章共振式道路破碎机的车架的结构与设计1 9 3 1 概述1 9 3 1 1 共振道路破碎机车架的特点和要求1 9 3 1 2 车架的材料的选择。1 9 3 2 车架在整车中的布置设计。2 0 3 2 1 车架整体参数的确定2 0 3 3 车架的结构设计的原则- 2 1 3 4 车架的整体参数的设计2 1 3 4 1 车架的外形尺寸2 1 3 4 2 车架中连接部件的布置j 2 2 3 4 3 车架内连接架的设计2 2 3 5 车架的总体布置设计2 5 3 5 1 车架设计的总体方案以及预期目标。2 5 3 5 2 车架的布置形式的确定2 5 3 5 3 共振式道路破碎机车架的外形结构简图2 6 3 6 共振式道路破碎机车架的详细参数2 7 i i l 0，i、l-，f j3f0 武汉理工大学硕士学位论文 3 7 本章小结。2 7 第4 章车架的有限元分析2 8 4 1a n s y s 软件概述。2 8 4 2c a d fix 的简介3 0 4 2 1c a d fix 概述3 0 4 2 2c a d fix 功能3 0 4 2 3c a d fix 特性和优点3 1 4 3 基于a n s y s 的有限元静力学分析3 1 4 3 1 共振式道路破碎机车架的结构设计特点3 1 4 3 2 共振式道路破碎机车架的有限元模型的建立3 2 4 3 3 共振式道路破碎机车架的静载荷有限元分析 3 8 4 3 3 1 车架的有限元静载荷的施加3 8 4 3 3 2 车架的有限元模型的约束的施加。 3 9 4 3 3 3 车架的有限元计算求解。3 9 4 3 4 车架在抗扭转工况下有限元分析 4 3 5 车架在受牵引力下的有限元分析4 2 4 3 6 车架的有限元静力分析的计算结果的评价。4 4 4 4 本章小结4 5 第5 章共振式道路破碎机车架的模态分析4 6 5 1 模态分析的介绍4 6 5 1 1 模态分析的基本理论4 6 5 1 2 模态的提取方法。4 7 5 2a n s y s 模态分析的基本流程4 8 5 3 共振式道路破碎机的模态分析4 8 5 3 1 车架的有限元模型的建模铝 5 3 2 模态分析类型和分析选项的选择4 8 5 3 3 车架的边界条件的施加以及求解4 9 5 4 车架模态分析计算结果的评价5 1 5 5 本章小结5 2 第6 章共振式道路破碎机车架的结构改进设计。5 3 6 1概述5 3 6 2 车架的结构改进设计5 3 6 3 本章小结5 9 第7 章总结与展望。6 0 7 1 论文总结6 0 7 2 展望6 1 参考文献6 2 致谢6 4 攻读硕士学位期间发表的论文6 5 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文课题的来源与背景 目前，路面建设工程中遇到的很重要的问题就是如何改造面积损坏较大的 水泥混凝土路面。现在国内应用的多锤头破碎机以及门式破碎机在改造旧路面 时对原有路基产生较大的破坏，并且在铺建好的路面上有较大的反射裂缝，在 具体的施工过程中工作效率低下、噪声与环境污染严重，已经不能满足我国路 面建设工程的需要。为了避免此种情况，引进共振道路碎石化技术。国外的道 路共振碎石化技术发展较早且经过不停的技术换代已经稳定成熟，国内道路碎 石化相关设备单一匮乏，共振碎石化技术基本为国外垄断，为了我国公路建设 的进一步发展，又鉴于国外共振道路破碎机价格昂贵，购买整机需要成本极其 高，因此，在国内急需一种高效道路破碎机，使得我们必须在一定的道路破碎 技术方面要有创新性突破，研制并生产出功能完善、稳定、价格低廉的产品， 填补国内共振碎石化技术的空白。本课题基于共振道路破碎机的研制项目上， 为某企业开发该工程设备基础上来设计研究共振道路破碎机车架。 共振式道路破碎机的车架作为共振式道路破碎机的基体骨架，能够通过自 身作用来固定、支撑、连接汽车系统及其部件总成，同时还要承受来自车辆自 身及其外界的各种载荷。因此，设计的车架结构应该满足一定的强度要求和刚 度要求。在这样的条件下，才能保证车架自身以及附属部件具有足够的使用寿 命。与此同时，尽量将车架轻量化设计是车架设计的必要要求，以便降低车架 制造时的生产成本。 1 2 共振式道路碎石化的概述 上世纪末，美国r m i 公司研制出了共振式道路破碎机，其核心工作原理是 由凸轮旋转产生的偏心力使一弹性振动梁带动工作锤头振动，在施加激振力的 另一端能够使振动锤头产生一定的频率和振幅。共振梁的锤头与水泥混凝土板 接触，其振动能量大部分被水泥混凝土板所吸收，在使用时，通过调节激振器 的振动频率，进而能够调节锤头的振动频率，使其与水泥混凝土板的本身固有 频率成整数倍时，激发混凝土路面的共振，水泥混凝土板块因其共振，内部颗 武汉理工大学硕士学位论文 粒间的内摩擦阻力迅速减小至崩溃碎裂。共振式道路破碎机破碎技术可控制水 泥板块破碎后的碎块具有一定的颗粒大小和深度尺寸。 共振破碎机的采用一定的承载式车架，在车架的下方悬挂一共振梁，破碎 水泥混凝土路面时随着路面深度的增加，振动能量下降，路面的破碎程度呈上 细下粗的形态。综上所述，共振碎石化技术的特点有以下几点： ( 1 ) 共振破碎后的混凝土碎块尺寸均匀。共振破碎机的破碎力，使整个水泥 板块厚度范围内能够均匀的得到破碎，通过使用调节激振器的振动频率，从而 使破碎碎块粒径满足8 c m - - 2 0 c m 的需求尺寸。 ( 2 ) 破碎后的混凝土深度尺寸可控，能够保证路面基础结构的完整性，以及 路面基础内部的管线布置设施完好，不会受到振动影响。 ( 3 ) 在路面振动引起的噪声污染方面影响较轻，且施工范围大。共振式道路 破碎机使用时不影响道路周围的建筑结构设施，特别适用于城市道路等的修复 工程。 ( 4 ) 破碎工作效率高，能够及时完成所需要的路面工程量修复，不影响道路 的畅通行驶啪1 。 1 3 本课题相关的国内外研究现状 ( 1 ) 共振道路破碎机及其车架的国内外研究现状 迄今为止，在国内外使用的道路破碎机设备有门刀式破碎机、多锤头式破 碎机和共振破碎机。我国国内多锤头式道路破碎机和门刀式破碎机使用较多， 相关技术在国内也比较成熟，下图卜1 、图1 - 2 分别是门式破碎机和多锤头式破 碎机。 图1 - 1 门式破碎机图1 - 2 多锤头式破碎机 2 武汉理工大学硕士学位论文 共振道路破碎机在国内还没有相关的设备，在国外，美国于十九世纪9 0 年 代，共振破碎技术出现并逐步趋于成熟，在应用于道路破碎上也取得了相关的 成就，并在道路修复工程应用中取得了很好的效果。 美国共振道路破碎机的车架是有前、后车架组成的铰接车架，在共振道路 破碎机整车中，此车架承载破碎机的动力系统、传动系统、行驶系统等一切总 成重量。并能够在破碎机正常工况下承载一定的载荷和振动。 目前为止，国内共振道路破碎机还没有相关技术，共振道路破碎机车架的 设计研制对于我国下一步进行破碎机整车的研制具有一定的指导意义。 ( 2 ) 工程车辆车架的结构设计国内外发展状况 随着科学技术的迅速发展，人们对工程车辆的各个要求也相对开始提高， 而车架对整车的要求影响相对较大，能够影响车辆的整体舒适性、动力性、安 全性和经济性等。 车架的轻量化设计对整车的经济性具有很大影响，最直接的经济性就是车 架在制造方面的能节约制造成本，较少车架的使用耗材。由于车架的质量较小， 通过外载荷的冲击作用在整车的悬架系统的作用力也相应较小。还可以通过减 小整车的质量来提高车辆的燃油经济型。除此之外，具有一定的完善的车架的 结构，对于共振整车的动态特性较好，以提高车辆的整车舒适性。而车架的良 好的力学性能是车辆安全性的重要保障。因此，国内外对车架的研究是十分必 要的。 经过计算机技术的快速发展，国外开始使用计算机作为车架设计分析的重 要工具，通过c a d c a e 技术，能够将车架的设计、分析以及实验等相关在一起 有虚拟的设计转向实际应用设计分析，实现了设计与分析平行进行，虚拟实验 代替设计实验，节约实际车架的开发成本。一般国外对车架的设计流程如下图 卜3 所示。 3 武汉理工大学硕士学位论文 八 车架布局 刊篱嚣用建立有限元模型 r 设计 一一 奎 丝丝丝 丝 盔架 外 架 形 静动 碰 结 结 结 态态 撞 构 卜 构 构 特特 安 优 1 ，数 数 八 车架截面 刊骨梨吉构设计b 性 性 全 化 字 字 y 特征库 分分 分 分 模 模 析析 析 析 型 型 l 1 r r1 厂可 移钞 8 - _ r 、j - ，上、n l 。矗l 一一jz 孓由；幺七! 曼 亚崩 - 一一 修改1 蚓卞万莱 陌1 刀。t lj 。术旰口f 图卜3 国外专用车车架结构设计流程图 国内车架的发展，主要依赖计算机c a d c a e 技术上的静态强度分析和模态 分析，而受计算机硬件与软件的发展局限，国内车架的设计与国外还有一定的 差距。 ( 3 ) 有限元分析软件在国内外的研究现状 有限元计算方法是一种新兴的分析计算方法，因其快速准确的单元计算，被 广泛应用在工程分析计算中，并随着计算机的发展，有限元分析计算方法已经 成为现代计算机辅助设计的必要工具和重要组成部分啼1 。有限元方法是一种基 于微积分的基础理论，能够计算连续的结构体，并能得出精确的计算结果。 早在上世纪中期，随着航空事业的快速发展，航天部门对飞机结构的要求 的提高，人们对其开始进行精确的计算设计，从此，有限元分析计算方法开始 引进到工程行业，并在相关的技术领域有了一定的理论和实际成果。相关的工 作揭开了有限元使用的序幕。在上世纪六十年代，波音公司的t u r n e rm j ，c l o u g h r w ，m a r t i nh c 和t o p pl j 在做飞机的部分结构分析时，比较完整的研究了 一些杆、梁等的单元刚度表达式口1 ，并通过有限元计算方法，计算分析了平面应 力问题相关解答。伴随以上的数据结果以及研究效果，大部分工程领域的设计 分析相关问题开始通过有限元方法来解决。大约在二十世纪七十年代左右随着 有限元相关的著作的问世，例如像由z i e n k i - e w i c z0 c 和c h e u n gy k 出版的 有关有限元分析的专著叫。之后，在一些非线性和以及一些复杂结构的平面大变 形问题上，有限元的方法理论开始得到应用，进而相关的著作也开始陆续出版。 4 武汉理工大学硕士学位论文 我国最先使用有限元理论是在二十世纪中旬，国内较早的有限元理论思想 是从数学方面提出的，之后在理论的支持下，实际工程中开始广泛应用h 3 。像钱 伟长开始研究拉格朗日乘子法与广义变分原理之间关系n 羽，胡海昌提出了“广 义变分原理 i n ，1 9 5 6 年，冯康教授提出了一套比较现代化和系统化的微分方 程的相关求解法n 盯，并命名为“基于变分原理的差分格式，比较独立的创建了 “插值的分片思想，这种思想被很快的用于实际的物体结构的相关工程分析， 其基本内容就是有限元分析的思想和方法。可以看出随着有限元方法的广泛应 用，如今有限元计算分析已经在数值计算中占有重要地位。之后有限元分析的 计算机软件开始发展起来，使得有限元方法的一个用越来越广泛h 1 。 由于工程车辆车架不论是在结构还是受力载荷方面都很复杂，而有限元分析 计算方法正是能够处理较复杂的结构和载荷，能对工程车辆车架的受力以及约 束准确的分析计算。国外的有限元方法在工程车辆车架上的使用已经比较熟练， 对车架的有限元使用始于上个世纪中期，随着国外计算机水平的发展，有限元 计算作为计算机设计的辅助设计已经取得了相当的成果。国外的像奥卡托， 尼亚姆等人利用有限元对车架进行结构设计以及强度分析n 刖。克姆，惠森等人 应用有限元分析计算了车架的静力学分析，并对静态的车架失效形式有了一定 的理论探讨n 鄹。比尔曼提出了将组合梁的车架单元的简化连接以及模型的简化， 提高了工程车辆的车架的有限元分析计算效率n 钔，国外利用在经济优先的计算 机硬件以及成熟的有限元技术，能够将汽车的车身以及车架有限元技术运用的 很好。并且在车架以及车身的优化设计，尤其是车架和车身的轻量化设计上做 出了很好的贡献h 1 。 然而，国内的有限元方法的应用发展较慢，直到进入二十世纪八十年代， 有限元分析在工程车辆的结构设计分析中开始推广应用。在一些有限元使用的 研究者的经验积累下，有些优异的研究开始深入到结构优化的层次，例如，历 辉对作用在货车车架上的等效载荷的简化和施加方法作了较全面的研究，并对 于车架与车厢之间的载荷的施加简化方面做了详细的探讨8 】。郑兆昌等人应用 大型结构软件s a p - 5 p 对货车车架的有限元的动态分析方面进行了研究探讨，并 且创建了有经过工程车车架模态分析数据直接对车架的结构动态特性进行相关 评价的理论n 9 1 。在重型牵引车车架进行了静态分析上，王璋等人利用有限元法 对此做了进一步的研究，开始使用结构的简化结合模型乜。随着理论和实践的 更紧密结合，工程车辆的车架设计手段迸一步得到完善。 迄今为止，国内有限元分析方法在车架以及车身上的应用逐步成熟并广泛 5 武汉理工大学硕士学位论文 开来。通过有限元的分析计算，可以辅助车架的强度设计，并为车架的轻量化 设计提供有力的理论基础。目前国内有限元方法在车架上的应用多以静力学以 及模态分析较多，对于振动和噪声等相关计算分析较少。结构有限元建模和设 计方面经验不断积累，但是与国外相比还存在着以下缺陷： ( 1 ) 在运用有限元对车架进行分析计算时，对于车架的复杂结构不能精确 的设置相关的单元，对于分析后的结果有着一定的区别。从而，对车架的进一 步改进设计造成一定的影响。 ( 2 ) 在车架的动态分析上，所应用的实例较少。 ( 3 ) 在车架的轻量化设计上还存在一定的缺陷，车架的轻量化将会在车架 上的优化设计中占有重要地位。 1 4 本课题研究的目标和意义 论文基于对共振式道路破碎机的车架的设计研究，根据c a t i a 建立的三维数 字化模型，应用有限元分析软件a n s y s 建立计算分析所需要的有限元模型，对 所设计的车架进行了静力学分析和自由模态分析。通过对本课题的研究，拟达 到以下目标： ( 1 ) 设计一款适用于共振道路破碎机的车架，建立完整的三维几何模型， 为下面进行建立有限元模型提供一定的模型，并能够在车架生产时提供一定的 工程图纸指导。 ( 2 ) 能够建立破碎机车架的有限元结构的几何模型，在有限元知识基础上 以本论文来完成较复杂的分析计算步骤。 ( 3 ) 对所建立的车架的有限元模型进行静力学强度分析计算，为车架的下 一步的经验改良设计提供一定的理论基础。 ( 4 ) 对所建立的破碎机的车架进行模态分析，查看并分析车架的模态分析 结果，得出相关的结论，对车架的结构设计改良提供一定的理论基础，避免再 设计时由于共振梁的振动以及车架以外的外载荷冲击引起的车架共振损坏。 ( 5 ) 提高公司人员的自主设计技能以及解决问题的能力，为以后的车架设 计积累一定的设计经验，熟练应用三维建模软件以及有限元分析工具，以便减 少产品设计的开发成本和提高设计水平。 工程车辆设备为国内经济建设的重要支柱。随着我国基础建设的快速发展， 国内各个工程的实施，工程机械设备的发展已经占据了重要的地位。国内道路 6 武汉理工大学硕士学位论文 建设的发展，对路面施工设备的需求开始有了新的提高。为了资源的循环利用， 同时提高工程建设的工作效率，原有的道路工程建设中的设备已经不能满足以 上要求，因此，引进道路共振碎石化技术以及相关工程设备的使用应当越快越 好。 随着现代科技水平的发展，工程车辆的发展已经开始逐步向着轻量化、设计 标准化、模块化、功能专业化、生产协同化、环保节能以及重型化发展。并且 在市场需求方面也越来越开阔。对于工程车辆的设计研究是十分必要的。 通过以上的结论，我们可以了解到，工程车辆的轻量化设计成为了节能环保 的重要手段，尤其是车架的轻量化改进设计，从而能够提高车辆的稳定性和振 动、噪音等效果。 随着我国路面建设的不断的增加完善，为了能够及时的完成运输以及路面工 程的建设，国家旧有路面的破碎以及修缮改良，工程车辆需求量的不断加大， 专用汽车以及一些工程车辆的自主研制已经提上日程，加强对车辆的设计研发 对提高汽车产业的发展具有重要意义。 论文通过对共振式道路破碎机的车架的设计研究，并运用相关工具软件对其 进行一定的建模、有限元分析，提高了工程车辆设计制造能力，对以后的共振 道路破碎机进一步研制具有一定的探索指导意义。 美国的r m i 公司是目前世界上唯一能够生产共振式破碎机的企业。而我国 即将进入混凝土路面的大量修复阶段，对路面碎石化设备的需求必将日益增加。 开展共振式路面破碎机技术研究和工程设备研制具有很重要的现实意义，将填 补该项目的国内空白，打破国外对该类设备的技术垄断，降低我国公路改造的 成本、提高效率，并且对公路维修和改造领域专用车辆行业的发展起到推波助 澜的作用。 1 5 课题的主要研究内容 共振道路破碎机车架是由覆盖式承载车身、内连接架、牵引总成和车架连接 腹板组成。通过覆盖式承载车身与内连接架的焊接而成，车架整体尺寸4 3 2 0 m m x1 5 8 0 m m x2 0 4 0 m m 。车架的内连接架采用矩形截面梁组合而成。车架的整体结 构图如图1 - 4 所示： 7 武汉理工大学硕士学位论文 乙 图卜4 共振时道路破碎机车架结构图 1 内连接架；2 支座双销孔；3 牵引总成；4 减震器支架； 5 车桥连接处；6 覆盖式承载车身；7 车架连接腹板；8 提升支架。 ( 1 ) 破碎机车架几何模型的建立。运用c a t i av 5 r 1 7 对破碎机车架的各个 组成部分进行三维几何建模，之后将各个部分组成装配，建立车架的总体模型。 ( 2 ) 破碎机车架的有限元静力学分析。在运用c a t i a 建立车架的几何模型 后，并对模型采取一定的简化原则，通过c a d f i x 转化文件的格式，导入到a n s y s 软件中，进行了有限元的前处理、求解计算、后处理后，并进行结果数据的查 看。 在进行车架的静力分析时将车架内部以及承载的各个零件系统总成设置为 集中载荷，将一些货物或大型的载荷设置为分布载荷，而破碎机车架的自身重 力一般将其忽略不计。 在对车架的静力分析时，分别分为不同工况下车架的静力分析，根据不同的 工况施加不同的载荷约束。在分析计算后的结果中，对分析结果进行后处理， 根据车架的结构设计强度和刚度以及材料的选用，得出车架的最大应力以及最 大位移变形结构位置，然后对破碎机车架做出相应的结构静力学性能评估。 ( 3 ) 破碎机车架的模态分析。在对共振道路破碎机车架进行了有限元静力 分析后，在原有车架的有限元模型基础之上，选择有限元分析的模态分析类型， 完成模态分析的选项设置后，对车架进行自由模态分析。并最后查看车架的模 态固有振型，得出车架的固有频率，进一步对车架进行结构改进设计。 ( 4 ) 破碎机车架的改进设计。在完成了共振道路破碎机车架的有限元静力 8 武汉理工大学硕士学位论文 学分析以及模态分析后，根据计算分析的结果数据，对在静力学分析结果数据 中出现应力集中现象的结构处进行结构改进，以便满足车架的强度要求；对于 模态分析中出现的抗弯强度或者抗扭转强度不足的结构同样进行改良设计，使 车架结构得到进一步的完善。最后，对车架的进一步改进提出良好的建议，为 共振道路破碎机车架的再设计做好了理论基础。 1 6 共振道路破碎机车架的设计研究方案技术路线 对于共振道路破碎机车架的研究路线，如下图1 2 所示。 1 7 本章小结 i辕黔案 之多 么 车架几何模型 建立 儿 年秉伺限兀 模型建立 业型 静 动 力 态 学 分 分 析 析 可可 结果评价 弋 7 ；v i 车架娄妒 图1 - 2 论文研究技术路线 本章中，对共振道路破碎机车架的相关工程背景做了比较详细的介绍说明， 主要介绍了共振碎石化的领域的发展以及未来趋势，阐述了论文的主要工作内 容，论文采取的方案技术路线以及论文课题的研究意义。另外，还引述相关合 理的理论基础，并在初步的理论中结合实际应用的价值对课题做好了基础工作。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章破碎机车架的设计研究理论基础 2 1 车架的基本结构和分类 车架是整个车辆的承载基体，根据不同的结构形式，现如今将车架分为3 类： 边梁式车架、中梁式车架、综合式车架和承载式车身。 表2 - 1 车架分类明细表 边梁式边梁式车架指有不同的纵横梁组成，纵横梁之间的连接采 车架用焊接或者铆接的方法，连接成坚固的刚性结构。 中梁式中梁式车架指只有一根纵梁贯穿整个车架的中间，一般具 车车架 有很好的力学性能。 综合式综合式车架也成为复合式车架，一般是由边梁式车架和中 架车架梁式车架组合而成或者是边梁式车架和承载式一体车架 组成，能满足一定的结构功能。 承载式承载式车身兼带车架的作用，即将所有的汽车的部件固定 车身安装在车身上，这一车身也将承载来自各个方面的载荷。 本课题研究的共振式道路破碎机属于综合式车架，是运用边梁式车架结构以 及承载式车身的混合结构焊接而成。运用承载式车身是为了安装破碎机的共振 梁以及一些挂件附属机构，边梁式车架是为了增加一体式车身的抗扭强度，以 及在破碎机挂车加入牵引的一部分延伸。车架的结构如图2 - 1 所示。 图2 - 1 道路破碎机结构简图 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 1 车架牵引总成； 2 内连接架；3 车身承载面；4 连接腹板； 5 提升机架；6 复合式车身； 7 车桥轮毂连接处； 8 激振器支架；9 车架支座双销孔；1 0 牵引销孔。 车架的结构1 为牵引总成，在l o 处前接牵引车车辆的后挂销，以便在破碎 机行驶时能够有动力连接。在车身承载面上可以安装破碎机车动力系统部分， 在复合式车身6 以及内连接架2 之间可以安装减振重物块，使用单向液压缸连 接在支架5 以及减振重物之间。在内连接架2 内可以安装减振重物块旋转支点。 将车架与车桥轮毂的连接处暂时模拟为上图7 的几何特征。共振梁所使用的激 振器加装圆周减震器后安放在图中减震器支架8 中。当破碎机车架脱离正常工 况时，将安装车架支腿与双销孔9 相匹配，来实现破碎机的停放。 2 2 基于c a tiav 5 r i7 的车架的三维建模 在了解熟悉了破碎机车架的原理以及相关结构的组成后，运用c a t i av 5 r 1 7 进行三维数字化建模，在c a t i a 中主要应用的模块还是其p d g ( 机械设计零部件 设计) 和a s d ( 装配设计) 。 2 3 有限元方法的基本分析理论 2 3 1 有限元方法的概述 有限元分析- f e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 是利用数学的近似方 法对真实的几何载荷工况进行模拟计算分析，能够解决工程中各类问题的数值 方法。运用有限元方法可以解决结构强度、刚度分析中的静力、动力、线性或 者非线性等问题口铂。有限元分析使用较简单的问题代替很复杂的问题，在进行 求解。能够将求解范围内看成是很多无限的有限元小的点域组成，在对每一个 点域进行近似的求解，再推到求解整个范围内域，进而得到所求问题的解答， 这是一个无限接近的解，并非准确的解答，能够代替绝大多数的精确解，解决 一些复杂形状的计算分析问题，已经是一种很有效的工程分析方法。 有限元分析的特点是与其他的近似求解方法相对比较精确，能够将误差集中 在某一很小的区域内。 上个世纪中叶，随着计算机的发展，在计算相关的数学、力学、工程实际问 武汉理工大学硕士学位论文 题时，有限元方法已经成为了很有效的计算分析方法。经过很多的工程实际应 用，有限元的理论基础已经很丰富完善。在工程车辆的设计中，由于专用车辆 的复杂的结构和形状，因此，使用有限元计算分析能够有效快速完成车架的静 力学以及动态特性分析。有限元方法已经在工程车辆设计中成为了重要的辅助 工具。 2 3 2 有限元分析方法的基本步骤： 在对物体的三维c a d 数字化建模后，运用有限元软件进行对象的离散化，再 在各个离散化的单元上进行各个求解，最后将离散化的解进行总体化，得到所 求近似解。其具体步骤如下： i ) 将实际求解范围离散化，即将求解区域划分成节点和单元。 2 ) 选择合适的形函数，即选择一个节点去描述整个单元解的连续函数。 3 ) 对每一个单元建立单元刚度矩阵。 4 ) 按照一定的节点编码顺序，将各个单元刚度矩阵叠加以构造结构整体刚 度矩阵。 5 ) 以节点自由度为未知量的结构整体刚度方程，并将边界条件、初始条件 应用到方程中。 6 ) 求解上一步骤中的得到的方程组，以得到节点上的自由度。 7 ) 根据节点的值和形函数，得到其他的应力、支座反力、弯矩图等物理量。 根据以上步骤，将有限元的分析流程如图2 - 2 所示： 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 有限元分析流程图 ( 1 ) 有限元的前处理 1 ) 结构几何模型的建立。一般在用有限元分析软件进行几何模型建立 时，对于简单的几何模型，可以直接在软件本身的建模环境中建立其c a d 模型，这种建模方式的优点是建立的模型质量高，无几何损坏，能在软件 环境中随意修改所需的几何特征，缺点是建模效率低下。不适合复杂结合 形状的模型建立；对于具有复杂形状的几何模型，一般不采用以上建模方 法，绝大部分是采用c a d 设计软件，之后利用有限元软件与c a d 软件的接 口文件的来进行导入，或者以某一文件格式为中介，利用第三方的格式转 化软件将c a d 软件的建立的模型格式转化成相应的中介文件格式，再导入 有限元分析软件。此种建模方式的优点是能够快速高效的建立复杂的几何 模型，提高作业效率，其缺点是在通过c a d 软件建立的几何模型导入有限 元软件时容易造成几何模型的数据丢失或者损坏，必须进一步进行相关几 何模型的修复。 2 ) 结构的离散化。在完成几何模型的建立后，根据对几何模型的分析 武汉理工大学硕士学位论文 内容和目的，确定划分有限元网格的方案，进而完成几何模型的有限元分 析模型的建立。结构的离散化就是指将原本的整体连续的几何模型物体进 行虚拟的“切割 成许多有限个具有一定简单结构的离散体，并且称这些 结构体为细小的“单元 ，这些结构简单的结构