硕士--对自卸车的后桥壳有限性分析及优化毕业论文

硕士--对自卸车的后桥壳有限性分析及优化毕业论文对自卸车桥壳的非线性有限元分析及优化摘要驱动桥壳是重型车辆的主要受力构件，几乎承受着车身的全部重量，驱动桥壳的设计严重关系着车辆的安全性能。以往设计因为无法对驱动桥壳和半轴套管之间的过盈接触准确计算，导致了设计的可靠性差，安全系数低，在产品使用过程中在设计寿命期限内提前失效。随着现代有限元计算的日益完善，完全可以在保证精度的前提下对驱动桥壳的过盈接触问题做准确的数值模拟和优化。本文中对非线性接触理论研究现状、过盈联结研究现状和有限元优化研究现状做了概述，接下来以一款13吨级自卸车桥壳为研究对...

对自卸车桥壳的非线性有限元分析及优化摘要驱动桥壳是重型车辆的主要受力构件，几乎承受着车身的全部重量，驱动桥壳的设计严重关系着车辆的安全性能。以往设计因为无法对驱动桥壳和半轴套管之间的过盈接触准确计算，导致了设计的可靠性差，安全系数低，在产品使用过程中在设计寿命期限内提前失效。随着现代有限元计算的日益完善，完全可以在保证精度的前提下对驱动桥壳的过盈接触问题做准确的数值模拟和优化。本文中对非线性接触理论研究现状、过盈联结研究现状和有限元优化研究现状做了概述，接下来以一款13吨级自卸车桥壳为研究对象，针对非线性接触问题，用有限元软件MARC做了首次的试分析。然后又推导了弹性力学中基于厚壁圆筒模型假设的拉美公式，给出了过盈接触的近似结果，并且和数值模拟结果进行了对比，讨论了拉美公式的局限性，验证了数值模拟的准确性。文中详细研究了桥壳的非线性的接触问题，根据驱动桥壳的实际工作中的情况，利用三组分析试验，详细地分析了桥壳受载情况下的受力情况。得出了桥壳和半轴套管的有效过盈量区间，并且根据此有效过盈量对桥壳重新做了公差配合设计；运用可靠性方面的知识对改进的配合和原始的配合的可靠度进行了详细的计算，计算结果显示可靠性改进的比较明显。除了接触区配合公差的优化，还针对桥壳的主体部分出现的应力集中现象，做了形状优化。优化过程中采用了先进的网格随移技术，利用先进的优化软件OPTISTUCT对桥壳进行了形状优化，优化后应力集中得到明显改善；形状优化后应力集中的改善程度最终运用寿命有限元分析软件来验证，在FATIGUE中对优化前后桥壳的寿命做了详细的计算，对比形状优化前后的寿命改变情况。结合厂家的失效统计发现，失效结果和上面的分析完全吻合，说明仿真的效果很好，本课题通过有限元的仿真和优化从原始的设计图纸上做了优化，这对驱动桥壳的设计有很重要的指导意义。本文在仿真过程中结合严密的理论论证和效果检验，比较完善的解决了实际中桥壳存在的设计上的问题。目录 6第一章绪论 61.1课题研究的意义和方法 71.2 理论研究现状 71.2.1非线性接触问题研究现状 91.2.2过盈联结问题研究现状 101.2.3有限元优化研究现状 171.3 本论文研究目的及主要内容 171.3.1 本论文研究目的 171.3.2 本论文研究的主要内容 19第二章桥壳的有限元分析 192.1 非线性接触理论及算法 202.2有限元模型的建立和试分析 242.3 弹性力学中厚壁圆筒理论的对过盈接触问题的解释与其局限性 322.4 各种不同工况下的接触分析 322.4.1 分析试验分组 322.4.2 第一组分析试验 352.4.3 第二组分析试验 382.4.4 第三组分析试验 402.4.5 优化公差配合（继续讨论） 412.5小结 42第三章桥壳过盈配合可靠度的计算 423.1 原来公差和改进公差过盈量分布的计算 423.1.1加工尺寸的分布 443.1.2过盈量的分布 453.2 可靠度的计算及分析 463.3小结 47第四章桥壳的形状优化 474.1优化问题的提出 474.2解决方案 504.3网格随移技术的介绍 504.4优化的过程 504.4.1自由形状优化 514.4.2 端盖法兰厚度优化 524.5优化的效果分析 534.6 由网格导出的几何形状 544.7小结 55第五章桥壳的疲劳寿命分析 555.1疲劳分析概述 565.2 车桥桥壳疲劳强度的数值模拟 565.2.1 S-N曲线的近似估计 575.2.2载荷 585.2.3平均应力影响 595.2.4寿命分析结果 605.3小结 61第六章总结及展望 616.1总结 626.2 展望 63参考文献第一章绪论 1.1课题研究的意义和方法本课题研究的是一款13吨级自卸车。该产品在使用过程中，发现部分车的驱动桥壳局部出现裂纹甚至折断等疲劳失效现象。自卸车的行驶道路条件差，载重大，驱动桥壳承受车身的全部重量和地面对车身的反力、反力矩，桥壳内部装有半轴和主减速器，所以要求驱动桥壳要有足够的强度和刚度，对桥壳的设计水平要求高。而驱动桥壳和半轴套管之间是过盈联结，过盈问题属于边界非线性问题，这也决定了本课题研究的复杂性。轮轴过盈联接是将外径为d1的轴压入内径为d2的轮毂, d1107次)的零部件，如发动机汽缸阀门、顶汗、弹簧、长期频繁运行的轮轴等，无限寿命设计至今仍是一种简单而合理的设计方法。但是无限寿命设计方法常常使设计的构件过于笨重。随着现代工业特别是航空工业的发展，飞机朝着高速、高性能、低重量的方向发展。为了充分利用材料的承载潜力，设计应力水平不断提高，疲劳设计方法也从无限寿命设计进入到有限寿命设计阶段。 5.1.2 安全寿命设计(有限寿命设计) 从无限寿命设计方法基础上发展起来的安全寿命设计，也是依据试验中得到的S-N曲线来进行设计的。安全寿命设计方法只保证零构件在规定的使用期限内能安全使用，因此它允许零部件的工作应力超过其疲劳极限，从而减轻自重。它是当前许多机械产品的主导设计方法。如航空发动机、汽车等对自重有较高要求的产品都广泛使用这种设计方法。安全寿命设计必须考虑安全系数，以考虑疲劳数据的分散性和其他未知因素的影响。在设计中，可以对应力取安全系数，也可以对寿命取安全系数，或者规定两种安全系数都要满足。安全寿命设计可以根据S-N曲线设计，也可以根据。S-N曲线进行设计，前者称为名义应力有限寿命设计，后者称为局部应力应变法。 5.1.3 破损一安全设计随着现代工业的飞速发展，特别是飞机、火箭、船舶、运载工具的飞速发展，以及第二次世界大战以来疲劳破坏事故的大量涌现，对疲劳设计的安全可靠性提出了越来越高的要求。破损——安全设计方法就是在这个基础上发展起来的另一新的设计方法。破损——安全设计方法的实质是：结构在规定的使用年限内，允许产生疲劳裂纹，并允许疲劳裂纹扩展，但其剩余强度大于限制载荷，而且在设计中要采取断裂控制措施，如采用多通道设计和设置止裂板等，以确保裂纹在被检测出来而未修复之前不致造成结构破坏。压力容器设计中的“破损前渗漏”就是这种设计准则的一种体现[42]。 5.2 车桥桥壳疲劳强度的数值模拟本课题中应用FATIGUE对桥壳做疲劳分析，主要是对中间部分的优化前后的寿命做分析，前面的线性近似模型这里仍然适用。接触区的应力幅不大，所以寿命的影响不是很关键，而且接触区的应力的变化和区域都是随载荷不断变化的，这个给寿命分析带来很大的麻烦，本课题就不予考虑了。前面用均匀表的试验分析已经证明了可以用线性近似模型主体区的应力变化状态来代替非线性模型主体区应力变化。所以本次寿命分析也是在线性分析中结果的寿命近似分析。 5.2.1 S-N曲线的近似估计若疲劳极限Sf和材料的强度极限Su为已知，S-N曲线可以用下列的方法作保守的估计。S-N曲线的双对数线性关系的幂函数表达式为， (5-1) 寿命N=1时，SL=SU ，即单调载荷的作用下，试件在极限强度下破坏或屈服。考虑到S-N曲线描述的是长寿命疲劳，不宜用于N＜103以下，故通常假定寿命N=103时，有如下关系 S103=0.9Su （5-2）对于金属材料，疲劳极限Sf对应得循环次数一般为N=107次，考虑到估计Sf时的误差，作如下偏于保守的假定： N=106时，S106=Sf=kSu (5-3) 其中反映不同载荷作用形式k,弯曲时k=0.5; 由5-2、5-3式可写出： C=（0.9SU）m×103=（kSU）m×106 M=3/lg(0.9/k)；C=(0.9SU)m×106 如此估计S-N曲线，只适用于103～106之间的疲劳强度估计[43]。需要强调的是，S-N曲线应由疲劳试验给出，任何形式的近似估计都只能供初步设计参考。通过上面的近似估计，对桥壳材料的S-N曲线就可以得到了，由疲劳极限为160MPa,强度极限为630MPa,于是在FATIGUE中生成材料的S-N曲线(如图5-1)。图5-1 S-N曲线 5.2.2载荷汽车在行驶过程中，受到来自路面的冲击是扰动变化的载荷谱，而且各种路面情况的载荷谱也是不一样的，所以要模拟真实工作下的桥壳受到的具体的载荷工况就比较困难，受到客观条件的限制，所以本文只模拟台架试验的疲劳检测的加载方式。根据台驾试验对寿命检验时，载荷从零到最大43吨的均匀变化，在疲劳分析中采用正弦波的载荷曲线来模拟台架试验中的载荷加载情况。具体的载荷曲线图见图5-2。图5-2载荷曲线图 5.2.3平均应力影响前面给出的反应材料疲劳性能的S-N曲线，是在给定应力比R下得到的，R=-1，多数疲劳数据都是在试验室里用对称循环做试验的方法采集到的，但是大多数零件服役时都包含非零的平均应力，因此了解平均应力对疲劳的影响是非常重要的，在给定寿命情况下，研究应力幅和平均应力的关系，可得如图（5-3）的结果，横轴为平均压应力和平均压应力，纵轴为交变应力幅，实验点形成的曲线称为Haigh 曲线，由Haigh首次提出的，平均应力σm=0对应的是应力幅为σa就是R=-1时的疲劳极限S-1，当σa=0时，载荷成为静载，在极限强度下SU下破坏，如图可知：疲劳数据点所构成的曲线如果延伸的话，在x轴将过材料的拉伸强度极限。图5-3 表示平均应力影响的高周疲劳数据因为通过试验得出Haigh曲线的成本是非常高的，因此就出现了表示交变应力幅和平均应力的经验公式。这些关系很方便的用材料的拉伸强度极限Su来描述不同的材料。这些方法用不同的曲线连接交变应力轴上的疲劳极限Se和平均应力轴上的屈服应力Sy、强度极限Su。在这些关系中有两种曲线即：GOODMAN曲线和GEBER曲线最常用。GOODMAN曲线更趋于保守，所以本文在FATIGUE分析中设置GOODMAN曲线修正来分析。 GOODMAN曲线：（5-4） GERBER曲线：（5-5） 5.2.4寿命分析结果原始设计的寿命分析结果见图5-4，因为应力集中的地方的应力幅很大，所以在寿命云图上显示出寿命循环次数较差，寿命低的现象，根据试验标准规定桥壳的寿命要达到50万次以上，云图读数寿命在178000次，所以远小于规定的要求。经过形状优化后的设计疲劳寿命分析的结果如图5-5，桥壳的寿命都在无限寿命区，就此可以证明了形状优化后对桥壳的寿命的改善程度很大，满足了设计的要求。图5-4 优化前寿命云图图5-5 优化后寿命云图 5.3小结疲劳失效是工程结构和构件失效最主要的原因，在传统设计中对静强度的控制要求很高，对疲劳方面的考虑确不是很周全。基于前面一章优化的效果对寿命的影响考虑，本章应用疲劳分析软件MSC.Fatigue软件对优化前和优化后的桥壳进行了单轴疲劳寿命近似估计，通过对比优化前后的寿命云图，可以明显看出形状优化对改善桥壳的寿命是很有帮助的，而优化前的寿命小的区域和实际桥壳在工作中断裂的区域发生的位置是一样的，这正说明了优化的必要性。寿命的计算定量的反映出形状优化给产品带来的直接影响，最直接的给此类桥壳在工程中疲劳失效做了合理的解释，这对桥壳的设计改进有重要的指导意义。第六章总结及展望 6.1总结本文针对一款自卸车驱动桥壳在使用过程中存在的疲劳失效问题，模拟桥壳台架试验对其做了数值分析，给出了桥壳的失效部位，并且对失效部位的设计做了相应的优化。因为驱动桥壳和半轴套管之间是过盈接触，这在力学上属于高度边界非线性问题，使得分析变得相对复杂和不确定。经过多次的计算分析比较，终于给出了理想的结果，整个论文的工作总结起来可以分成二个部分：第一部分，首先是对过盈接触的试分析和对弹性力学过盈计算公式的推导，对弹性力学公式计算结果和数值模拟结果做比较，指出弹性力学公式的不足，并且用弹性力学公式对数值模拟的结果的一些应力变化小的区域做了验证；其次对桥壳的过盈接触做分析试验，包括分析试验分组设置，分析试验后处理结果讨论等，根据过盈接触分析的结果找出危险区域，危险区域包括中间主体区域和接触过盈量失效区域；然后对桥壳和半轴套管的公差配合做了优化；最后对公差配合优化前后的可靠度做了比较计算，定量的分析了过盈配合区间的优化效果。整个非线性分析的结果使我们对桥壳和半轴套管的过盈配合有了更进一步的了解。这个阶段在试分析时花了大量的时间，因为接触算法的选择，收敛步长的调整，尤其在过盈的准确设置（对网格的要求相当高，通过不断的修正）都要不断地尝试最后得出了满意的结果，其中获得了一些非线性计算中的可靠经验。对后处理的讨论上也借鉴了别人一些论文中的结果，来对比我的分析的准确性。第二部分，这个阶段是中间主体区域的优化。因为在第一阶段分析中出现了主体区域应力集中现象，和桥壳的失效区域相吻合，所以很有必要对其做形状优化。首先是选用均匀度较高的二因素七水平均匀设计表，根据均匀设计表来安排分析试验，这样可以充分的考虑非线性的因素对主体区的应力和位移的影响，对试验结果回归分析证明了主体区具有线性的特性，所以把半轴套管和桥壳合为一体做线性优化，中间利用了网格随意技术，把节点的摄动矢量作为优化变量，优化结果应力明显的降低；然后对桥壳的疲劳寿命做了分析，这也是定量的分析了主体区的优化效果，结果也显示寿命提高了很多。上面的二个阶段的各种分析工作之间有严密的逻辑推理和验证关系，相对没有试验数据佐证的情况下这些关系就显得很有必要了，所以本文的工作的准确性还是比较可靠的。接触分析历来是比较复杂的，尤其是过盈接触问题，因为过盈接触面在试验室中无法安放应变片等传感器，对它的实际应力状态的把握是比较困难的。弹性力学的理论公式在计算时受局限性较大，所以数值模拟对设计来说就很有必要的，虽然数值模拟是有一定的误差，但参考数值模拟的结果对复杂产品的设计有很大的指导意义。 6.2 展望在本课题的工作结束时，对一些不足的地方和要做的工作做一下展望： 1. 本文的有限元分析工作虽然有一系列的推导和验证，但最好的验证还是实践，把分析优化的结果做出产品，在产品的实际使用过程中如果失效的部位得到了很好的改善，才能真正说明整个分析和理论的准确性。后续的工作应该是和厂家协调沟通，对产品设计做调整，然后做出样车来投入使用。因为数值解始终是对精确解得近似，所以在整个分析，优化过程中会有各种方面带来的误差，如果对误差作一统计，定量的分析误差的大小，给出误差的区间来，能有更好的说服意义，后面的工作也可以针对数值误差方面做一研究。参考文献 [1]轮轴过盈联结有限元分析章巧芳,贾虹. 机械强度 2006.4.28 [2]王勖成.有限单元法[M]，清华大学出版社 2003.7 [3] Oden, J. 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