基于剛度鏈的礦用自卸車關(guān)鍵零部件等壽命設(shè)計.pdf

1、本文研究對象為大噸位礦用自卸車，依托于國家863計劃“大噸位自卸車開發(fā)”。礦用自卸車作為大型露天礦石場所運輸工具的主力軍，為了推動自主產(chǎn)品發(fā)展，國務(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，以促進企業(yè)加大研發(fā)力度。因此，運用先進的技術(shù)手段對礦用自卸車進行研究與開發(fā)能夠提升重大裝備制造水平，符合國家政策要求，具有重要的工程應(yīng)用價值。
　　傳統(tǒng)設(shè)計主要是以提高產(chǎn)品使用壽命為目標而進行設(shè)計的，追求的是壽命耐久性能。然而單純追求壽命長

2、的設(shè)計往往會帶來結(jié)構(gòu)質(zhì)量冗余，不但會造成制造資源的巨大浪費，而且給零件的報廢處理帶來很大困擾。等壽命設(shè)計思想認為壽命不足和壽命過剩都是一種浪費，只有與功能匹配的有限壽命設(shè)計，才是最具價值的設(shè)計。在實際應(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，承受著來自路面的強烈沖擊，一旦發(fā)生開裂或折斷，整車的正常運行將受到嚴重影響，造成數(shù)百萬的重大損失甚至人員傷亡，所以保證其運行

3、過程的疲勞壽命非常關(guān)鍵。但是對于受力偏小的甲板部件來說，傳統(tǒng)設(shè)計往往設(shè)計余量過大，導(dǎo)致礦用自卸車甲板的疲勞壽命過長，造成了材料的不必要的浪費，無形中增加了成本。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，是一個資源和性能優(yōu)化的過程。一方面，部件間的剛度不協(xié)調(diào)會引起零部件間共振

4、現(xiàn)象，對疲勞壽命和工作狀態(tài)產(chǎn)生影響。另一方面，對于單個部件來說，其剛度分布不合理不僅會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的冗余，造成材料的浪費，而且會使部件某部分結(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)計方法是實現(xiàn)剛度合理分布的有效手段。建立有效的剛度鏈設(shè)計方法，使之與疲勞壽命和輕量化相關(guān)聯(lián)，并將其運用到關(guān)鍵零部件等壽命優(yōu)化設(shè)計之中，實現(xiàn)零部件剛度的合理分布，是達到疲勞壽命設(shè)計要求

5、且實現(xiàn)輕量化的有效途徑。
　　針對某國產(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、數(shù)值模擬技術(shù)、灰色模型以及剛度鏈對礦用自卸車的零部件進行等壽命設(shè)計研究。主要內(nèi)容如下:
　　1.建立了整車動力學模型，用于提取關(guān)鍵零部件（車架、A型架和甲板）有限元模型分析驗證時的邊界載荷信息以及疲勞壽命分析時所需的載荷譜信息。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)果與實車道路試驗結(jié)果分別

6、進行對比，驗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)計提供模型基礎(chǔ)。
　　2.考慮應(yīng)力分級統(tǒng)計的相鄰應(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。并運用不等間距灰色模型對傳統(tǒng)Miner方法進行修正，得到了預(yù)測疲勞壽命的灰色Miner方法，從而提高了疲勞壽命預(yù)測的準確性。然后對自卸車關(guān)鍵零部件（車架、A型架和甲板）進行疲勞壽命分析，提取出危險點的應(yīng)力時間歷程，并完成應(yīng)力分級統(tǒng)計。最后運

7、用灰色Miner方法對車架、A型架和甲板進行疲勞壽命估算，得到了較為準確的疲勞壽命。
　　3.零部件間由于動態(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)計做了強有力的指導(dǎo)。
　　4.對

8、于單個部件來說，其剛度分布不合理不僅會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的冗余，造成材料的浪費;而且會使部件某部分結(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)計方法，并基于剛度鏈設(shè)計方法建立了車架、A型架以及甲板模型的剛度分布模型。然后對其剛度分布均勻化進行了研究，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)計提供合理的剛度約束條件。
　　5.運用響應(yīng)面法建立了礦用自卸車車