YJ3128型自卸车副车架有限元分析及优化设计.docx

型自卸车副车架有限元分析及优化设计林吉靓， 朱 峰（开封大学 机电工程学院， 河南 开封 475004）要： 采用 ansys 软件针对自卸车在崎岖不平的路面上行驶时，对副车架在弯扭联合工况yj3128摘下的受力情况进行有限元分析，找出副车架疲劳裂纹产生的原因，并对副车架的结构进行改进与优化。 所采用的分析方法对矿山等野外场所的载重车车架结构设计及完善提供了重要的参考依据。关键词： 自卸车； 副车架； ansys； 疲劳裂纹中图分类号：文献标志码：文章编号：tp206a1003 0794（2011）08 0029 03finite element analysis and optimal design for yj3128 dump truckssub-framelin ji-jing， zhu feng（kaifeng university，mechanical and electron engineering department, kaifeng 475004， china）abstract: its forces under the joint working conditions in bending and torsion stress are analyzed by finite element analysis soft ware ansys. while the truck is running on the bumpy road. the causes of the sub-frames fatigue crack is identified, and its structure is improved and optimized. this analysis method provides important reference for the structure design and improving of the trucks frame, which working in mining and other wild places.key words: dump truck； sub-frame； ansys； fatigue crack引言yj3128 型自卸车是内蒙古一机集团和北方奔 驰有限责任公司设计制造，主要用于矿山等野外场 所的运输车辆，自卸车有主副车架、 驾驶室、 货箱、 液压举升机构、发动机、减速器等部件组成。 其中副 车架连接着主车架和货箱，以增加主车架的强度和 刚度，使主车架的受力载荷均匀分布，因此，副车架 的设计对于汽车的质量以及使用寿命都有重要 的 影响。 副车架是由公司自主研发的，但该车在正常 使用 90150 d，副车架纵梁宽度转折处和方横梁处 就出现了焊缝开裂，甚至发生断裂（见图 1）。 针对这前端宽 0.901 m， 后端 宽约 0.761 m， 纵横梁 板厚均为 8 mm， 纵梁为槽形， 前后部做成等截面， 纵梁 内 有槽形衬梁，反扣在纵梁里。 副车架共有 6 根横梁， 分别由车架最后面的 1 根圆柱梁、中间的 1 根方梁 和 4 根槽形梁组成，如图 2 所示。012344 691图 2副车架结构示意图1. 车架前端 2. 方横梁 3. 圆柱横梁 4. 车架后端、圆形横梁档块（2）副车架的材料特性yj3128 型自卸车副车架的材料是 16mnl，材料 的物理性能：弹性模量 e=210 gpa，泊松比 =0.3，密 度 =7.810-3 g mm3；材料的机械性能：最小屈服强 度 345 mpa，最小抗拉强度 510 mpa，最大抗拉强度610 mpa。 结合自卸车的工作环境恶劣，安全系数取1.2，可得出副车架材料的许用应力为 287.5 mpa。 本 文将 pro/e 中建立的自卸车车架的几何模型导入到 ansys 中进行网格划分，建立有限元模型，根据副 车架的大小和分析精度把网格大小设置为 30。（3）载荷工况分析和大小yj3128 型自卸车主要是用于矿山等野外作业 场所的运输车辆， 经实地察看可知， 该自卸车运行 路况崎岖不平， 坑坑洼洼并有很多大石块 ， 这样车 在行驶时有一个或多个轮胎抬高或轮胎下陷是常 有的事， 这就是造成副车架疲劳破坏的主要原因。一情况，运用 ansys 软件对副车架受力情况进行有限元分析， 找出裂纹出现的原因， 并提出了副车架的结构改进措施，为副车架的设计优化提供了理 论基础和方案。图 1纵梁宽度转折处断裂情况副车架有限元模型（1）副车架结构yj3128 型自卸车车架是由主、 副车架组成，两 车架都是边梁式车架结构。 副车架的纵梁放在主车 架纵梁的上翼面上，主、副车架通过 u 形螺栓联接。 自卸车副车架是由该公司自主研发的，长约 4.7 m，129901761 vol.32no.08 yj3128 型自卸车副车架有限元分析及优化设计 林吉靓，等第 32 卷第 08 期根据这种情况， 本文在分析时， 分别把车架抬高高度设为 20 mm 和 50 mm 2 种情况，进行了和弯扭联 合工况下的有限元静态分析。yj3128 型自卸车副车架所受载荷的情况见表 1。架后轮被抬高的一侧， 应力值为 424 mpa 左右，也超过其材料的许用应力， 如果长时间满载运输，极 易疲劳损坏而出现塑性变形及裂纹；车架左纵梁的宽度转折处 ， 应力值为 530 mpa 左右， 此处也容 易出现裂纹甚至于断裂，尤其是左纵梁的宽度转折处有焊缝， 更容易出现开焊现象， 从而导致车架失 效。nodal soution step=1sub=1time=1seqv (avg)dmx=61.10smn=449 730smx=.554e+09表 1车架所受载荷及作用点名称重量重心到前轴 g/kg 距离/mm 前悬挂带减振器总成前轴车轮带制动器总成 发动机带离合器总成 水箱驾驶室总成举升油缸 载重量中桥车轮带制动器总成 后桥车轮带制动器总成后悬挂总成油箱 蓄电池 备胎2007201 2001102 80015016 0001 1001 100350350180250210-200-1 000-404 4004 0003 8005 2504 5253 0001 7001 200449 730 .212e+09 .424e+09 .636e+09 .843e+09.204e+09 .321e+09 .530e+09 .742e+09 .554e+09图 4 车轮抬高 50 mm 时副车架等效应力云图（3）受力结果分析从以上副车架的分析结果可以发现，在弯扭联 合工况下，车架方横梁处与纵梁宽度转折处的应力集中现象最为显著，这是造成车架疲劳破坏的主要 原因。 而造成该处应力集中的原因是由于车架前端抗扭刚度不够造成的。 该车架前端的横梁少，扭转 刚度小，后端的横梁多，扭转刚度大，就会产生变形 不协调现象， 从而在车架中端产生应力集中现象，加上扭转刚度很强的方横梁和易造成应 力集中的纵 梁 宽 度 转 折 处 正 好 在 此 处 附 近 ， 阻 碍 着 变 形 的 产生， 从而导致该处应力集中现象的进一步恶化 。 由此可以看出车架方横梁与纵梁宽度转折处产 生 应力集中现象与车架前端抗扭刚度不足有直接 的 关系。副车架的有限元静态分析（1）自卸车车轮抬高 20 mm弯扭联合工况是指汽车 在崎岖不平 的路面上行驶时，由于一个或多个车轮被抬高或下陷使得车 架受扭转变形的情况。 结合行驶的路况，在分析时 把车轮抬高高度设为 20mm 和 50mm 来模拟自卸车 的受力计算。图 3 是自卸车满载时，左前轮和右后轮同时抬2高 20 mm 时，副车架受扭曲的等效应力云图。副车架有 3 处应力比较大： 最大 von-mises 应力出现的地方是车架最后端，应力最大值是 331 mpa，可见已超过其材料的许用应力，因此在此处会出现裂纹，尤其是焊接处可能会断裂；在车架后轮被抬高的一侧的方形横梁右侧，应力值为 184 mpa 左右；在车架左纵梁的宽度转折处， 应力值为 221 mpa左右。 这 2 处的应力值都小于许用应力。nodal soution step=1sub=1time=1seqv (avg)dmx=25.444smn=14 361smx=.331e+09副车架结构的改进及有限元分析（1）改进的副车架结构由于裂纹产生的主要原 因是副车架 的抗扭刚度不足，因此在副车架前端增加 1 根横梁（见图 5）， 而且把副车架圆形横梁两侧挡块的上表面改成斜 面，使其与副车架纵梁的上表面不在同一平面。314 361 .726e+09 .147e+09 .221e+09 .234e+09.260e+09 .220e+09 .264e+09 .268e+09 .331e+09图 3 车轮抬高 20 mm 时副车架的等效应力云图（2）自卸车车轮抬高 50 mm如图 4 所示，副车架在左前轮和右后轮同时抬 高 50 mm 的情况下有 3 处 von-mises 应力较大，与 前面抬高 20 mm 时的受力部位相同： 车架最后端，该处的 von-mises 应力最大值为 954 mpa，已经 超过其材料的最大抗拉强度。原因应是车架的结构不合理造成了应力集中；车架方形横梁右侧，还是车图 5改进后副车架实体模型（2）改进后车架的有限元静态分析因为车架被抬高的高度为 50 mm 时副车架的破 坏最大，因此下面只给出对改进后车架在这一情况下的分析结果（见图 6）。 在车轮抬高 50 mm 的情况下，改进后副车架的最大 von-mises 应力为 200 mpa，低 于其材料的许用应力，其发生部位为车架左前端的横梁处。 车架方横梁处和纵梁宽度转折处的应力也30煤矿机械第 32 卷第 08 期2011 年 08 月vol.32no.08aug. 2011coal mine machinery基于复合形法的二级圆柱齿轮减速器的优化设计陈 惠， 詹少华， 阮进华（安徽理工大学 机械工程学院， 安徽 淮南 232001）matlab摘要： 传统的二级圆柱齿轮减速器的设计也会追求最优的设计结果，其一般依赖过去的经验确定。 这样的设计虽然比较真实可靠，但往往达不到实际最佳的设计方案。 在一般设计的基础上，以二级圆柱齿轮减速器的总中心距最小为优化目标，建立数学模型，以 matlab 软件平台，利 用复合形法对二级圆柱齿轮减速器进行优化设计，所得结果表明比传统设计更为优越。关键词： 总中心距； matlab； 复合形法； 优化设计中图分类号： th132.46文献标志码： a文章编号： 1003 0794（2011）08 0031 03optimization design of two cylindrical gear reducer based oncomplex method of matlabchen hui， zhan shao-hua， ruan jin-hua（mechanical engineering college， anhui university of science and technology, huainan 232001, china ） abstract: the traditional design of the two cylindrical gear reducer will pursue the optimal design results, but it generally relies on the past experience. this design is a relatively true and reliable, but often less than the actual best design. based on the design in general, using the total center distance s minimum as the optimization objective, a mathematical model to matlab software platform, the use of two complex method to optimize the design of cylindrical gear reducer, the results show that more superior than the traditional design.key words: total center distance; matlab; complex method; optimization design引言二级圆柱齿轮减速器已 被广泛应用 于现代化 的各种机械中。 随着科学的进步，各种机械的精小 化趋势越来越显著，也就要求组成机械的各部件的 体积精小化，即在对零部件的设计时要尽量做到最优化，以达到所需的最佳效果。随着优化技术研究与应用的逐步发展，现代化 的优化设计发展了一批新的方法， 如模拟退火法、 遗传算法、人工神经网络法、模糊算法、多态蚁群优 化法、动态蚁群优化法等。 本文以 matlab 为平台，0!大大减小， 其值为 134 mpa 左右， 仅为许用应力的50%。 可见改进后的车架没有过大的扭曲变形，其抗 扭刚度增强， 也没有出现过大的应力集中， 受力性能大大提高，满足了设计和使用要求。nodal soution step=1sub=1重型载货车是工地、矿山等场所的常用运输车辆，其工作路况比较恶劣，所受的动载荷很大，而车 架是重型载货车的重要承载部件，车架质量的好坏直接