基于等效靜態(tài)載荷和響應(yīng)面法的攪拌車副車架疲勞設(shè)計.pdf

1、疲勞破壞是機(jī)械零部件早期失效的主要形式。隨著現(xiàn)代機(jī)械向高速和大型化方向發(fā)展，許多零部件在高溫、高壓、重載和腐蝕等惡劣工況下運(yùn)行，并且疲勞破壞的產(chǎn)生具有隱蔽性和突發(fā)性，難以早期發(fā)現(xiàn)。使得疲勞破壞事故層出不窮，對生命和財產(chǎn)造成了很大的危害。
　　近年來，隨著大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，攪拌車在工程建設(shè)中發(fā)揮著極其重要的作用，它的疲勞破壞問題也受到各大廠商的較大重視。針對攪拌車副車架在實際使用中容易發(fā)生斷裂或疲勞壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計要求疲勞壽命的

2、問題，本文結(jié)合工程實際問題，采用等效靜態(tài)載荷法、動態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化、響應(yīng)面法以及6σ穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計對攪拌車副車架的疲勞設(shè)計進(jìn)行了深入的研究。
　　主要研究工作如下：
　　(1)建立了簡化的攪拌車仿真模型。在該模型中輪胎、鋼板彈簧用具有一定剛度和阻尼的彈簧替代，發(fā)動機(jī)、駕駛室、攪拌車罐體以及其它與攪拌車副車架沒有直接聯(lián)系的結(jié)構(gòu)以非結(jié)構(gòu)質(zhì)量的形式附加到攪拌車仿真模型上。采用該簡化模型對攪拌車副車架進(jìn)行性能分析優(yōu)化設(shè)計，能在保證計算精度的

3、同時，提高計算效率、縮短設(shè)計周期。
　　(2)對攪拌車進(jìn)行了有限元分析以及疲勞壽命預(yù)測。依據(jù)國標(biāo)中對路面不平度的表示規(guī)定，采用Matlab軟件生成攪拌車在較差路面上行駛時的路面譜，將生成的路面譜加載到攪拌車仿真模型上進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析，得到攪拌車在路面譜單獨(dú)作用下的副車架應(yīng)力分布。在重力單獨(dú)作用下進(jìn)行靜態(tài)分析，得到攪拌車靜止時的副車架應(yīng)力分布。從應(yīng)力的分布圖中可以看到攪拌車副車架上的應(yīng)力分布極為不均勻，造成了副車架局部壽命過短。選取

4、攪拌車副車架上疲勞壽命最短位置作為關(guān)鍵點(diǎn)，采用Miner法則計算得到該點(diǎn)的疲勞壽命，為攪拌車副車架的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)和依據(jù)。
　　(3)針對攪拌車副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，導(dǎo)致副車架疲勞壽命分布極其不均勻的問題，在攪拌車副車架設(shè)計初期，將動態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化引入疲勞設(shè)計。把副車架橫梁分布區(qū)域作為設(shè)計空間，以副車架橫梁分布空間的材料體積分?jǐn)?shù)上限為優(yōu)化約束，以副車架縱梁的應(yīng)力最小為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計。該方法將副車架結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯栴}轉(zhuǎn)

5、化為在給定的設(shè)計區(qū)域內(nèi)尋求材料的最優(yōu)分布問題，從而使結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布相對均勻，達(dá)到提高疲勞壽命的目的。通過對攪拌車副車架進(jìn)行動態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化，獲得疲勞壽命分布相對均勻的結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵點(diǎn)疲勞壽命由優(yōu)化前的8.0E5提高到6.5E6。為進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。
　　(4)針對動態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化存在靈敏度分析困難、動態(tài)約束難以處理以及動態(tài)優(yōu)化軟件開發(fā)較復(fù)雜等問題，將等效靜態(tài)載荷法與動態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化法相結(jié)合，去除動態(tài)載荷中的時間因素，將動態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化轉(zhuǎn)換為多

6、工況的靜態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化，采用理論和實踐應(yīng)用都很成熟的靜態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化法對攪拌車副車架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，避免了動態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化中存在的問題，簡化了動態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化，提高了優(yōu)化設(shè)計的效率。
　　(5)針對疲勞壽命優(yōu)化設(shè)計問題計算時間長的問題，將響應(yīng)面法應(yīng)用到疲勞壽命設(shè)計中，用響應(yīng)面模型替代復(fù)雜的、具有大量自由度的結(jié)構(gòu)疲勞壽命數(shù)值仿真模型。結(jié)合有限元分析、試驗設(shè)計、響應(yīng)面法以及優(yōu)化算法建立副車架的疲勞壽命優(yōu)化設(shè)計模型。對攪拌車副車架的優(yōu)化結(jié)果表明，應(yīng)用響應(yīng)

7、面法能有效提高優(yōu)化問題求解效率，適合于復(fù)雜結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計問題的求解。
　　(6)針對結(jié)構(gòu)疲勞壽命離散性較大的問題，將6σ穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計方法引入疲勞設(shè)計中。結(jié)合響應(yīng)面法、穩(wěn)健設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計提出了基于響應(yīng)面的疲勞壽命6σ穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計，該方法考慮了疲勞壽命的離散性，使疲勞壽命在滿足可靠性的基礎(chǔ)上，疲勞壽命的平均值與方差減小。避免了疲勞壽命較大過剩，達(dá)到減小材料消耗，提高攪拌車經(jīng)濟(jì)性的目的。通過對副車架的優(yōu)化設(shè)計，副車架上關(guān)鍵點(diǎn)處疲勞壽命的對