基于有限元计算的自卸车后桥壳优化设计

罗朋 郭世均 王卓周 张丽敏 廖宝江

摘 要：后桥壳作为自卸车一个部件，承担整车牵引力传递及各个方向载荷，受力复杂，冲击大，且后桥壳上必须留有检修孔和接线孔，导致其强度降低，因此有必要对矿卡常见几种工况分析，然后在ANSYS中软件中对后桥壳进行静强度和疲劳分析，为后续后桥壳设计提供一定理论依据。

关键词：自卸车；后桥壳；有限元；静强度

中图分类号：U469 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）34-0089-02

Abstract： The rear axle housing， as a part of the dump truck， bears the tractive force transmission and all direction loads of the whole truck. The stress is complex and the impact is great. Moreover， the rear axle housing must have a repair hole and a connection hole， which leads to the decrease of its strength. Therefore， it is necessary to analyze the common working conditions of the mine card， and then the static strength and fatigue analysis of the rear axle housing are carried out in the software of ANSYS， which provides a theoretical basis for the follow-up design of the rear axle housing.

Keywords： dump truck； rear axle housing； finite element； static strength

后橋壳是电传动自卸车前桥上的一个重要部件，用于传递并承受车辆后部载荷，传递牵引力而使车辆前进。在车辆行驶状态下，它承受着多变的冲击载荷，因此，要求其具有很高的强度[1]。本文利用有限元分析软件ANSYS对后桥壳进行了超常载荷工况和模拟运营载荷工况的静强度及疲劳强度计算，校核后桥壳的结构强度，验证了其结构的可行性。

1 后桥壳有限元模型建立

后桥壳总成由后壳体、牵引座、三角架、横拉杆支座、后悬挂支座以及通风孔等部分组成。壳体与驱动电机之间采用螺栓连接，其中后桥壳内有多根不同长度的筋板，筋板和后桥壳内圈上的通孔均匀分布。后悬挂座和横拉杆座采用关节轴承分别与后悬挂连接、横拉杆连接。

后桥壳材料为HG70E高强度焊接结构钢焊接而成，其中弹性模量E=206000N/mm2，泊松比μ=0.3，屈服强度=590MPa，密度为7860Kg/m3。基于HYPERMESH11.0和ANSYS12.1有限元分析软件，建立了后桥壳的有限元计算模型。后桥壳采用四面体单元进行离散，离散后有限元模型单元总数为373656，节点总数为701976。后桥壳有限元计算模型见图1。

2 载荷计算与工况设定

后桥壳强度计算的载荷参照矿山常见几种工况，分别对后桥壳进行超常载荷和运营载荷的计算，其中超常载荷用于评定后桥壳的静强度，模拟运营载荷用于评价后桥壳的疲劳强度。在有限元计算模型中，约束条件采用弹性边界。后桥壳牵引座与车架连接处施加垂向、纵向和横向弹性边界，后悬挂连接处施加垂向弹性边界，车轮与地面接触处施加横向弹性边界。载荷的加载位置按照载荷的实际作用位置以节点力方式进行施加。模拟运营工况：垂向载荷为1.5倍后桥簧上载荷，横向载荷为0.7倍后桥重量，纵向载荷为额定持续牵引力及转矩；超常载荷工况：垂向载荷为3倍后桥簧上载荷，横向载荷为1倍后桥重量，纵向载荷为超载持续牵引力及转矩。

3 后桥壳静强度结果分析

将HYPERMESH处理完成的有限元模型导入ANSYS中计算，可得到运营载荷和超常载荷各个工况下的后桥壳上最大Von Mises应力，运营载荷工况最大应力152MPa，安全系数3.9，最大变形0.12mm'。超极限超常载荷工况最大应力500MPa，安全系数1.2，最大变形0.23mm，由于该极限工况非常少见，且在材料的许用应力范围内，因此后桥壳静强度满足矿上工况运营要求。由于后桥壳极限工况安全系数较低，因此不建议对后桥壳再进行减重设计，后桥壳目前钢板厚度为12mm，与同规格国际上其他矿用车后桥壳板厚差不多，因此，该后桥壳结构满足要求。

4 后桥壳疲劳强度分析

疲劳强度是指材料在无限多次交变载荷作用而不会产生破坏的最大应力。参考德国工业标准DIN 17 100和焊缝标准DVS 1612的规定，参考HG70E材料的Moore-Kommer-Japer形式疲劳曲线，对后桥壳其他结构的母材及焊缝进行疲劳强度评价。

在进行疲劳评估时，选取后桥壳其他结构中应力较大点，将各节点应力比及最大应力值放入对应材料的Moore-Kommer-Japer疲劳曲线图中进行比较，结果显示所有点均在母材疲劳曲线之内，表明后桥壳的母材疲劳强度均满足要求。采用同样的方法对后桥壳焊缝进行疲劳评估，选取后桥壳所有焊缝节点进行分析，将焊缝点应力比及最大应力值放入对应材料的Moore-Kommer-Japer疲劳曲线图中进行比较，结果表明后桥壳焊缝的安全系数均大于1，满足焊缝疲劳强度设计要求。

5 后桥壳模态分析

为了研究后桥壳构动力特性，对后桥壳进行模态分析。后桥壳模态分析利用后桥壳静强度分析模型，利用Block Lanczos法，消除后桥壳刚体位移，计算出后桥壳前3阶模态，鉴于高阶模态超过100Hz，已无实际工程意义，这里并不做计算。通过软件结果显示，后桥壳1阶固有频率为56.8Hz，2阶固有频率为79.4Hz，3阶固有频率为93.2Hz。

6 结束语

本文利用HYPERMESH11.0和ANSYS12.1有限元分析软件对电传动自卸车后桥壳进行了静强度和疲劳强度分析，计算结果表明：

（1）在超常载荷的各种工况下，后桥壳应力均小于对应材料的屈服极限，满足静强度要求。

（2）在模拟运营载荷作用下，通过对后桥壳母材和各焊缝进行疲劳强度分析，后桥壳母材各节点的最大应力均不超出对应材料Moore-Kommer-Japer母材疲劳曲线，焊缝节点的最大值不超出相应焊缝疲劳曲线，后桥壳结构满足疲劳强度要求。

参考文献：

[1]赵波.交流传动电动轮自卸车结构与设计[M].北京：中国铁道出版社，2013.

[2]郑森.非公路宽体自卸车车架结构失效分析及疲劳寿命预测[D].吉林大学，2015.

[3]谭德高.轻型车车架的强度、刚度规范设计研究[D].武汉：武汉冶金科技大学，1999.

[4]王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M].西北工业大学出版社，1999.

[5]胡红军，杨明波，张丁非.ANSYS10.0材料工程有限元分析实例教程[M].电子工业出版社，2008.