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自卸车驱动桥壳概念设计研究

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摘要

针对目前自卸车驱动桥壳概念设计过程模型继承特性明显,参数不确定程度较高的问题,提出在自卸车驱动桥壳概念方案设计过程运用空间缩小理论与区间传播定理,将桥壳模型主要参数变化范围进一步缩小,最终找到满足性能需求的主要参数的求解范围,并通过有限元方法对自卸车驱动桥壳概念设计模型进行应力、变形和寿命验证。研究结果表明,通过空间缩小理论与区间传播定理,概念设计的自卸车驱动桥壳模型主要参数变化区间得到明显缩小,消除初始设计空间的不确定信息,并采用有限元方法对优化结果的合理性进行验证。

关键词

驱动桥壳;空间缩小法;自卸车;概念设计

自卸车驱动桥壳作为承接负载和路面激励的关键部件,其性能好坏直接影响车辆行驶安全性。目前对于自卸车驱动桥壳产品开发多使用两种形式,第一种为逆向测绘,即将同行业厂家桥壳进行逆向设计,从而进行工程化;第二种为正向设计,即依据主机厂要求进行桥壳设计。但是对于正向设计中的概念设计往往是各大设计单位最为困难的环节,基本都是通过经验进行参数确定,技术规范性较差,目前国内相关技术仍处于起步阶段。国内对驱动桥壳进行了广泛的研究,邓先智[1]、米承继[2]分别以轮式挖掘机和矿用自卸车驱动桥壳为研究对象对其疲劳失效与寿命预测模型进行研究;杨彦超[3]、史永伟[4]、唐应时[5]分别对不同类型桥壳进行结构优化和改进;齐东东[6]、朱峥涛[7]分别通过有限元方法对驱动桥壳模型进行静动力学分析;李启元[8]则从虚拟样机角度对汽车驱动桥桥壳CAD/CAE系统的建立进行研究。

综合以上研究成果,本文中我们主要针对自卸车驱动桥壳设计过程中出现的桥壳继承特性明显,参数不确定程度较高等问题进行研究,具体的不确定程度较高参数为驱动车轮轮距、板簧座中心间距离、桥壳危险截面外径与内径,以上这些参数对后续桥壳承载能力及安全性具有重要影响,通过使用空间缩小理论与区间传播定理,对概念设计中自卸车驱动桥壳主要参数的求解范围进行确定,并通过有限元方法对模型进行验证。本文中我们所提出的方法对于降低企业针对桥壳概念设计工作量具有重要意义,具有较高的工程运用价值。

1自卸车驱动桥壳概念设计

1.1驱动桥壳概念设计理论构建为方便后续自卸车驱动桥壳进行概念设计,这里定义需求函数与偏好函数。需求函数μPj(Pj)具体表征用户对性能变量Pj的直接偏好,这里的用户偏好主要是依据桥壳对应配套的主机厂提供的数据及性能指标确定,比如额定载荷、安全系数、每米变形量等。为了缩小设计空间,首先分解设计变量,将分解后的区间采用正交数组组合的方法设计子空间,然后通过空间映射方法从设计空间得到可能的性能空间,当可能的性能分布与需求的性能分布存在公共区域时,通过图2中的曲线进行DPI计算,选取DPI最大值的实验组合作为选定可行设计方案,DPI计算等式。

1.2近似模型构造及可能性性能变量计算根据正交实验设计策略进行实验设计,采用二阶响应面模型构造近似模型,并结合车桥厂与主机厂协商结果,目前将驱动车轮轮距、板簧座中心间距离、桥壳危险截面,这里的危险截面是通过结构分析确定的,外径与内径作为主要的设计变量。根据图2结合式(9)计算得到图3所示性能变量y的可能性分布图。对图3进行分析可以得到,可能的性能分布与需求的性能分布区间虽然存在公共区域,但是在需求的性能分布区间外仍存在可能的性能分布,这里为提高驱动桥壳概念设计精确度,必须消除和缩小设计空间,而驱动桥壳概念设计主要的内容就是在工程设计的前期对驱动桥壳结构的关键尺寸进行初步确定,目前只考虑了驱动车轮轮距、板簧座中心间距离、桥壳危险截面外径与内径4个参数,简化后续工程设计工作量,在概念设计阶段主要考虑的问题就是如何有效地缩小设计的变量区间并对设计结果进行验证。这里将设计变量区间分为相等的两段,进行表1所示正交数组实验,表中“1”代表对应变量对等分为两段的前半段区间,表中“2”代表对应变量对等分为两段的后半段区间,最终计算得到图4、图5所示实验1~实验8的性能分布图。对图4、图5分析得到实验1、4、6、8可能的性能分布与需求的性能分布不存在公共区域,对应DPI=0;而通过DPI计算,实验7的DPI=0.319为各实验DPI最大值,最终选用实验7为子空间组合,最终得到表2所示缩小的设计空间组合,对应为x1=(2150,2300)、x2=(1850,2200)、x3=(130,150)、x4=(90,115),求解得到变量参数的变化范围明显小于初始变化区间,基本消除了初始设计空间的不确定信息。

2设计空间缩小最优方案有限元验证

针对表2所示空间缩小后最优设计组合方案进行有限元验证,验证指标主要包括桥壳整体应力最大值、桥壳整体变形最大值及桥壳安全系数值。由于表2中只是给出驱动桥壳概念设计方案的参数区间值,这里进行有限元验证时选取参数区间内极限参数对应的桥壳模型作为分析对象,对应选择的依据为轮距最大;板簧座中心间距离最小;桥壳危险截面外径最小;桥壳危险截面内径最大,对应模型参数为驱动桥轮距2300mm,板簧座中心间距离1850mm,桥壳危险截面外径150mm,桥壳危险截面内径140mm。自卸车驱动桥壳材料使用QT600,对应弹性模量与泊松比分别为1.69×1011Pa、0.286,此外,对应桥壳边界条件施加示意图详见图6。首先对自卸车驱动桥壳进行应力与变形分析,图7为自卸车驱动桥壳空间缩小最优方案对应模型应力分布图。由图7可知,优化设计的桥壳应力值最大为323.75MPa,小于材料屈服应力极限370MPa,桥壳材料满足材料使用要求。图8为自卸车驱动桥壳空间缩小最优方案对应模型变形图。分析图8可以得到,自卸车驱动桥壳空间缩小最优方案最大变形量为1.7577mm,小于本型桥壳2.5mm变形量标准值,满足使用要求。其次对自卸车驱动桥壳空间缩小最优方案安全系数进行分析,具体如图9所示。图9为桥壳目标循环次数为1×109,受力及边界条件与应力应变计算一致时对应的自卸车驱动桥壳安全系数分布图。由图9可知,优化设计的桥壳最小安全系数为1.86,也满足最小安全系数1.5的设计要求值。

3总结

由于传统自卸车驱动桥壳在进行设计时存在结构特征继承性明显、参数不确定程度较高的问题,而具体参数为驱动车轮轮距、板簧座中心间距离、桥壳危险截面外径与内径,本文中我们通过空间缩小理论与区间传播定理,将驱动桥壳模型主要参数初始变化范围进行优化,最后对空间缩小后的设计模型通过有限元方法进行验证。研究表明,通过空间缩小理论与区间传播定理的使用,自卸车驱动桥壳概念设计模型主要参数变化区间得到了明显缩小,成功消除初始设计空间的不确定信息,且优化设计后的模型应力、变形及安全系数均满足要求,大大提高了设计效率,缩短了从设计到产业化的周期。

参考文献

[1]邓先智.轮式装载机驱动桥壳疲劳失效预测模型研究[J].机械传动,2014,38(7):145-148.

[2]米承继,谷正气,伍文广,等.随机载荷下矿用自卸车后桥壳疲劳寿命分析[J].机械工程学报,2012,48(12):103-109.

[3]杨彦超,王铁,张瑞亮.基于变截面的驱动桥壳结构优化[J].机械传动,2013,37(10):94-97.

[4]史永伟,李剑敏,项生田,等.轮式装载机湿式驱动桥壳有限元分析及结构改进[J].浙江理工大学学报,2010,27(3):431-435.

[5]唐应时,李立斌,何友朗,等.基于动力学仿真的后桥壳改进设计计算[J].湖南大学学报:自然科学版,2006,33(4):42-45.

[6]齐东东,孙桓五,齐丽丽,等.基于ANSYS的载重货车驱动桥壳的结构强度与模态分析[J].机械传动,2012,36(8):105-107.

[7]朱峥涛,丁成辉,吴浪,等.江铃汽车驱动桥桥壳有限元分析[J].汽车工程,2007,29(10):896-899.

[8]李启元,殷国富,杨洋,等.基于虚拟样机技术的汽车驱动桥桥壳CAD/CAE系统的建立与研究[J].制造业自动化,2007,29(10):22-25.

作者:李萌 单位:无锡职业技术学院

自卸车驱动桥壳概念设计研究责任编辑:杨雪    阅读:人次