某礦用車多種工況下的結構分析與優化設計

陳樹勛，陳建軍，陳偉光

(廣西大學機械工程學院，廣西南寧530004)

礦用車主要用于礦區礦石、煤等物料倒運，大型工地土石倒運，水泥廠礦石倒運等。目前，我國利用有限元法對汽車進行有限元分析，已得到全面發展和普遍應用，應用有限元與試驗相結合的方法，對車架靜、動態特性、優化設計以及抗疲勞設計等方向展開了研究[1]。以前的研究在靜態分析方面，大都集中在對車架在彎曲和扭轉兩種工況下的分析計算，對車架及車廂在其他工況下的聯合分析研究相對較少。由于汽車在行駛過程中，可能經歷各種復雜工況，如緊急制動、緊急轉彎、顛簸、傾斜、一輪懸空、一輪騎高等，且多種工況可能同時發生。

本文以某企業生產的載質量60 t礦用車為例，全面研究了礦用車在多種危險工況下的載荷、約束及其施加方法，利用ANSYS軟件完成了該礦用車結構參數化建模、有限元分析，得出了各種工況下車架與車廂結構的應力分布。

結構優化設計的目的，是尋求結構的最佳設計方案，以完美解決結構剛度、強度等動靜力特性與結構重量、造價等設計可用資源之間的矛盾，其實質是合理分配設計資源。由于ANSYS中優化設計模塊功能有限，很少有人涉及這一問題。本文采用以ANSYS與導重法相結合方法為基礎的SOGA1軟件，成功地對該礦用車進行了優化設計，通過結構布局調優與構件尺寸自動優化迭代，得到該礦用車結構的最優設計方案，優化效果十分明顯：在整車結構重量不變的前提下，大幅度地提高了該礦用車的結構強度，使車廂各工況最大應力由725 MPa下降到296 MPa，下降了59%，使車架最大應力由原來的745 MPa下降到276 MPa，下降了63%。

1 礦用車結構有限元分析

1.1 礦用車結構有限元分析模型

某企業生產的礦用車，主要由底盤、車架、駕駛樓、車廂組成，結構承受的載荷主要是礦物質量與結構本身質量在多種行駛環境中產生的慣性載荷。這些載荷主要由車廂與大梁結構承受。利用ANSYS完成的車架與車廂結構造型如圖1。

圖1 車廂車架整體結構圖

采用shell63板單元、Solid45實體單元和對其進行單元網格劃分如圖2。車廂通過鉸銷與車架后端相連，車廂底部縱梁與車架縱梁建接觸副。

圖2 礦用車的有限元模型

采用Combin14彈簧元來模擬車架與前后橋間板簧系統對車架的彈性約束作用：車架分別通過吊耳板簧和懸架板簧與前后車橋相連，故在吊耳底面和懸架上底面施加垂直方向彈簧元，以模擬板簧對車架的垂直方向彈性約束作用；同時在吊耳與懸架上，施加左右方向彈簧元以模擬車輪通過地面摩擦對車架結構的左右約束作用，如圖3所示，車架前后方向的約束則通過與車橋相連的拉桿連接來實現。

圖3 彈簧元約束

1.2 分析計算結果

共對8種工況進行了結構有限元分析：

工況1——滿載，靜止與平穩行駛；

工況2——滿載，加速，顛簸行駛；

工況3——滿載，轉彎側斜，剎車，顛簸行駛；

工況4——滿載，一側前輪懸空；

工況5——滿載，一側后輪下陷；

工況6——滿載，一側前輪騎高；

工況7——滿載，一側后輪騎高；

工況8——滿載，側斜開始頂起卸料。

表1列出了8種工況分析結果的車架與車廂最大復合應力數值和位置。這與該礦用車產品在實際使用中發生破壞的情況完全吻合。

表1 各工況結構最大應力數值與部位 (MPa)

圖4～圖7為應力最大的工況6——滿載、一側前輪騎高情況下，結構分析計算結果的主要構件應力分布云圖，廠家給出的前輪騎高高度為200 mm，通過設定一側前吊耳彈簧元約束點Y向位移實現。

圖4 工況6全局應力分布云圖

圖5 工況6的車廂應力分布云圖

圖6 工況6的主縱梁應力分布云圖

圖7 工況6的平衡懸架的應力分布云圖

2 礦用車優化設計

2.1 優化模型及方法

從礦用車結構分析可看出，該礦用車應力較大，很容易破壞。結構優化的目的，應當是提高結構強度。為此，建立如下的結構優化設計數學模型：

為解決ANSYS求敏度時變量數目不能多于20而本礦用車變量較多的矛盾，對車架與車廂分別進行優化，車廂部分18個設計變量，車架部分16個設計變量，共34個設計變量；

目標函數R（X）為構件主要大應力的k次均方根包絡函數[2]；

生產工藝要求，結構外形尺寸設計變量取值不得大于行業設計規范限制，鋼板厚度設計變量的優化設計結果，應為鋼材廠供應的板厚序列數值，結構重量不得大于初始重量。

ANSYS自帶優化模塊采用的優化方法，是求解一般優化問題的數學規劃法，用于求解大型工程結構優化問題的優化效果和優化效率都很差[2]。本文采用一種工程實用結構優化高效方法—ANSYS與導重法相結合法[3]，利用以該方法為基礎的軟件SOGA1進行優化設計[4]，即利用ANSYS進行結構分析以及復合應力等結構特性，對設計變量的差分敏度計算，利用結構優化導重法進行優化迭代計算，收到了十分顯著的優化效果。

2.2 優化計算結果

該礦山車結構優化，包括布局調優與構件尺寸自動優化迭代兩步。布局調優，主要是根據局部大應力的發生部位與結構受力特點，直接對結構局部設計進行調優，例如為減少平衡懸架底板處發生的最大應力，可加大該底板的面積。

車架和車廂結構構件尺寸優化，采用自動優化迭代軟件SOGA1，分別交替經過5次迭代，優化計算收斂。表2與表3分別給出車廂與車架結構由化迭代計算中，各構件板厚等設計變量、最大應力目標函數與結構總重量約束函數的數值變化列表。

表2 車廂化迭代計算歷程列表

表3 車架化迭代計算歷程列表

從表中看出，在整車結構重量不變的前提下，經過布局調優與構件尺寸自動優化，車廂各工況最大應力由724.5 MPa下降到296 MPa，下降了59.1%，車架最大應力由原來的745 MPa降到276.4 MPa，下降了62.9%。

2.3 優化后結構分析

表4列出結構優化后8種工況結構分析結果的車架與車廂最大復合應力數值和位置。

表4 各工況結構最大應力數值與部位 (MPa)

圖8～圖11為結構優化后應力最大的工況6——滿載、一側前輪騎高情況下，結構分析計算結果的主要構件應力分布云圖。

圖8 工況6全局應力分布云圖

圖9 工況6的車廂分布云圖

圖10 工況6的主縱梁分布云圖

圖11 工況6平衡懸架的應力分布云圖

3 結束語

（1）通過對某礦用車多種工況的結構分析，給出了各工況應力最大的數值與部位，與該礦用車產品在實際使用中發生破壞的情況完全吻合。

（2）根據結構分析反映出的結構強度較差的特點，確定以提高結構強度為目標的結構優化設計模型。通過布局調優和構件尺寸自動優化時，各工況結構應力大幅度下降，顯著提高了該礦用車結構強度。

（3）本工程應用算例，再次驗證了ANSYS與導重法相結合的優化方法[3]是一種工程實用結構優化高效方法，以該方法為基礎的軟件SOGA1是很有效的優化軟件。

導重法與ANSYS相結合，是一種很實用的結構優化方法。

[1]劉克進，楊沿平.車身骨架變形的有限元分析[J].湘潭大學自然科學學報,2004(2):72-74.

[2]陳樹勛.工程結構系統的分析、綜合與優化設計——理論、方法及工程應用案例[M].北京：中國科學文化出版社，2008.

[3]陳樹勛，李威龍.一種實用的機械結構優化設計方法[J].機械設計，2003，20(1)：41-44.

[4]陳樹勛，常 虹，李從偉.以ANSYS為分析器以導重法為優化器的結構優化通用軟件開發[J].裝備制造技術，2008，（12）：6-8.