本文關(guān)鍵詞：基于剛度鏈的礦用自卸車關(guān)鍵零部件等壽命設(shè)計(jì)

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【摘要】：本文研究對(duì)象為大噸位礦用自卸車,依托于國(guó)家863計(jì)劃“大噸位自卸車開發(fā)”。礦用自卸車作為大型露天礦石場(chǎng)所運(yùn)輸工具的主力軍,為了推動(dòng)自主產(chǎn)品發(fā)展,國(guó)務(wù)院將礦用自卸車列入十六大重大技術(shù)裝備關(guān)鍵領(lǐng)域,以促進(jìn)企業(yè)加大研發(fā)力度。因此,運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)礦用自卸車進(jìn)行研究與開發(fā)能夠提升重大裝備制造水平,符合國(guó)家政策要求,具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是以提高產(chǎn)品使用壽命為目標(biāo)而進(jìn)行設(shè)計(jì)的,追求的是壽命耐久性能。然而單純追求壽命長(zhǎng)的設(shè)計(jì)往往會(huì)帶來結(jié)構(gòu)質(zhì)量冗余,不但會(huì)造成制造資源的巨大浪費(fèi),而且給零件的報(bào)廢處理帶來很大困擾。等壽命設(shè)計(jì)思想認(rèn)為壽命不足和壽命過剩都是一種浪費(fèi),只有與功能匹配的有限壽命設(shè)計(jì),才是最具價(jià)值的設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)礦用自卸車關(guān)鍵零部件(車架、A型架和甲板)的壽命存在不相等的現(xiàn)象。車架、A型架是礦用自卸車的主要承載部件,承受著來自路面的強(qiáng)烈沖擊,一旦發(fā)生開裂或折斷,整車的正常運(yùn)行將受到嚴(yán)重影響,造成數(shù)百萬的重大損失甚至人員傷亡,所以保證其運(yùn)行過程的疲勞壽命非常關(guān)鍵。但是對(duì)于受力偏小的甲板部件來說,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)往往設(shè)計(jì)余量過大,導(dǎo)致礦用自卸車甲板的疲勞壽命過長(zhǎng),造成了材料的不必要的浪費(fèi),無形中增加了成本。如何使各零部件疲勞壽命合理匹配,改變這種壽命不等的情況,不僅能夠保證零件壽命的使用要求,而且能夠有效地節(jié)省零部件制造成本。零部件剛度合理分布是提高疲勞壽命和減少質(zhì)量冗余的一種方式。合理的剛度分布,是一個(gè)資源和性能優(yōu)化的過程。一方面,部件間的剛度不協(xié)調(diào)會(huì)引起零部件間共振現(xiàn)象,對(duì)疲勞壽命和工作狀態(tài)產(chǎn)生影響。另一方面,對(duì)于單個(gè)部件來說,其剛度分布不合理不僅會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的冗余,造成材料的浪費(fèi),而且會(huì)使部件某部分結(jié)構(gòu)較為薄弱,在交變載荷的作用下導(dǎo)致零部件的疲勞破壞。零部件剛度的合理分布是保證結(jié)構(gòu)性能以及減少質(zhì)量冗余的關(guān)鍵,而剛度鏈設(shè)計(jì)方法是實(shí)現(xiàn)剛度合理分布的有效手段。建立有效的剛度鏈設(shè)計(jì)方法,使之與疲勞壽命和輕量化相關(guān)聯(lián),并將其運(yùn)用到關(guān)鍵零部件等壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)之中,實(shí)現(xiàn)零部件剛度的合理分布,是達(dá)到疲勞壽命設(shè)計(jì)要求且實(shí)現(xiàn)輕量化的有效途徑。針對(duì)某國(guó)產(chǎn)礦用自卸車特殊的結(jié)構(gòu)形式和工作環(huán)境,本文結(jié)合試驗(yàn)、數(shù)值模擬技術(shù)、灰色模型以及剛度鏈對(duì)礦用自卸車的零部件進(jìn)行等壽命設(shè)計(jì)研究。主要內(nèi)容如下:1.建立了整車動(dòng)力學(xué)模型,用于提取關(guān)鍵零部件(車架、A型架和甲板)有限元模型分析驗(yàn)證時(shí)的邊界載荷信息以及疲勞壽命分析時(shí)所需的載荷譜信息。然后根據(jù)礦用自卸車三維模型,分別建立了車架、A型架和甲板的有限元模型,并將有限元分析結(jié)果與實(shí)車道路試驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了各部件有限元模型的正確性,為后面的疲勞壽命分析和剛度設(shè)計(jì)提供模型基礎(chǔ)。2.考慮應(yīng)力分級(jí)統(tǒng)計(jì)的相鄰應(yīng)力不等間距特性,重新構(gòu)造灰色模型背景值,建立了一種高精度不等間距灰色模型。并運(yùn)用不等間距灰色模型對(duì)傳統(tǒng)Miner方法進(jìn)行修正,得到了預(yù)測(cè)疲勞壽命的灰色Miner方法,從而提高了疲勞壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。然后對(duì)自卸車關(guān)鍵零部件(車架、A型架和甲板)進(jìn)行疲勞壽命分析,提取出危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間歷程,并完成應(yīng)力分級(jí)統(tǒng)計(jì)。最后運(yùn)用灰色Miner方法對(duì)車架、A型架和甲板進(jìn)行疲勞壽命估算,得到了較為準(zhǔn)確的疲勞壽命。3.零部件間由于動(dòng)態(tài)耦合原因,容易引起零部件間發(fā)生共振,甚至導(dǎo)致部件破壞,從模態(tài)匹配方面指導(dǎo)部件間的剛度協(xié)調(diào)可以避免此類情況的發(fā)生。本文分析了礦用自卸車關(guān)鍵零部件的模態(tài)信息,并對(duì)關(guān)鍵零部件之間的模態(tài)匹配做了相關(guān)研究,并且基于模態(tài)匹配結(jié)果建立了礦用自卸車關(guān)鍵零部件之間的剛度協(xié)調(diào)關(guān)系,為后續(xù)的關(guān)鍵零部件合理設(shè)計(jì)做了強(qiáng)有力的指導(dǎo)。4.對(duì)于單個(gè)部件來說,其剛度分布不合理不僅會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的冗余,造成材料的浪費(fèi);而且會(huì)使部件某部分結(jié)構(gòu)較為薄弱,在交變載荷的作用下導(dǎo)致零部件的疲勞破壞。本文建立了一種零部件的剛度鏈設(shè)計(jì)方法,并基于剛度鏈設(shè)計(jì)方法建立了車架、A型架以及甲板模型的剛度分布模型。然后對(duì)其剛度分布均勻化進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)剛度分布均勻化能有效提高零部件性能和減少結(jié)構(gòu)冗余,從而為礦用自卸車關(guān)鍵零部件等壽命設(shè)計(jì)提供合理的剛度約束條件。5.運(yùn)用響應(yīng)面法建立了礦用自卸車車架、A型架、甲板疲勞壽命等目標(biāo)與自身變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。以零部件剛度合理分布為約束條件,以疲勞壽命和質(zhì)量為目標(biāo),將等壽命設(shè)計(jì)思想引入到礦用自卸車關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)開發(fā)之中,建立了關(guān)鍵零部件等壽命優(yōu)化模型。然后運(yùn)用遺傳算法對(duì)模型進(jìn)行求解,最終實(shí)現(xiàn)了礦用自卸車關(guān)鍵零部件的等壽命設(shè)計(jì)。
【關(guān)鍵詞】：礦用自卸車 疲勞壽命 灰色模型 剛度鏈 剛度分布 等壽命設(shè)計(jì)
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TD57
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 緒論13-22
• 1.1 課題研究背景及意義13-14
• 1.2 礦用自卸車發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)14-16
• 1.3 疲勞壽命研究概況16-18
• 1.4 等壽命研究概況18-19
• 1.5 剛度鏈研究概況19-20
• 1.6 論文研究的主要內(nèi)容20-22
• 第2章 礦用自卸車關(guān)鍵零部件有限元建模與驗(yàn)證22-36
• 2.1 整車動(dòng)力學(xué)模型建立與驗(yàn)證22-30
• 2.1.1 整車動(dòng)力學(xué)模型建立22-27
• 2.1.2 道路加速度實(shí)車試驗(yàn)27
• 2.1.3 仿真與試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證27-28
• 2.1.4 疲勞載荷譜獲取28-30
• 2.2 零部件有限元模型建立與分析30-32
• 2.2.1 有限元模型建立30-31
• 2.2.2 有限元模型應(yīng)力分析31-32
• 2.3 零部件應(yīng)力實(shí)車試驗(yàn)及模型驗(yàn)證32-35
• 2.3.1 試驗(yàn)原理及測(cè)點(diǎn)布置32-34
• 2.3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法34
• 2.3.3 有限元模型驗(yàn)證34-35
• 2.4 本章小結(jié)35-36
• 第3章 基于不等間距灰色模型的零部件疲勞壽命預(yù)測(cè)36-55
• 3.1 灰色模型理論基礎(chǔ)36-37
• 3.2 不等間距灰色模型建立與驗(yàn)證37-41
• 3.2.1 不等間距灰色模型建立37-38
• 3.2.2 模型求解38-39
• 3.2.3 模型對(duì)比驗(yàn)證39-41
• 3.3 預(yù)測(cè)疲勞壽命的灰色Miner方法建立41-45
• 3.3.1 傳統(tǒng)Miner方法41-42
• 3.3.2 灰色Miner方法建立42-43
• 3.3.3 灰色Miner方法對(duì)比驗(yàn)證43-45
• 3.4 基于不等間距灰色模型的部件疲勞壽命預(yù)測(cè)45-54
• 3.4.1 疲勞S-N曲線獲取45-46
• 3.4.2 基于傳統(tǒng)Miner方法的關(guān)鍵部件疲勞壽命預(yù)測(cè)46-48
• 3.4.3 基于灰色Miner方法的關(guān)鍵部件疲勞壽命預(yù)測(cè)48-53
• 3.4.4 疲勞壽命結(jié)果對(duì)比分析53-54
• 3.5 本章小結(jié)54-55
• 第4章 基于模態(tài)匹配的關(guān)鍵零部件間的剛度協(xié)調(diào)55-63
• 4.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的模態(tài)匹配方法及流程55-57
• 4.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的模態(tài)匹配方法55-56
• 4.1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)的模態(tài)匹配流程56-57
• 4.2 礦用自卸車零部件模態(tài)參數(shù)計(jì)算57-60
• 4.2.1 模態(tài)邊界條件設(shè)置57
• 4.2.2 各零部件模態(tài)參數(shù)計(jì)算57-60
• 4.3 零部件間模態(tài)匹配研究60-62
• 4.3.1 礦用自卸車零部件間模態(tài)匹配60-61
• 4.3.2 零部件間模態(tài)匹配及剛度協(xié)調(diào)結(jié)果61-62
• 4.4 本章小結(jié)62-63
• 第5章 基于剛度鏈的零部件剛度分布均勻化研究63-83
• 5.1 零部件剛度鏈設(shè)計(jì)方法63-66
• 5.1.1 剛度鏈設(shè)計(jì)方法64-65
• 5.1.2 剛度鏈設(shè)計(jì)流程65-66
• 5.2 關(guān)鍵零部件剛度計(jì)算66-70
• 5.2.1 剛度邊界條件設(shè)置66-67
• 5.2.2 各零部件剛度計(jì)算67-70
• 5.3 零部件中元件剛度貢獻(xiàn)計(jì)算70-74
• 5.3.1 零部件中的元件劃分70-72
• 5.3.2 零部件中各元件剛度貢獻(xiàn)分析72-74
• 5.4 零部件剛度分布均勻化研究74-82
• 5.4.1 零部件的剛度分布模型75-80
• 5.4.2 剛度分布均勻化與疲勞壽命驗(yàn)算80-81
• 5.4.3 等壽命剛度約束條件確定81-82
• 5.5 本章小結(jié)82-83
• 第6章 基于剛度約束的礦用自卸車零部件等壽命設(shè)計(jì)83-98
• 6.1 等壽命優(yōu)化策略83-84
• 6.2 等壽命優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)建立84-89
• 6.2.1 目標(biāo)函數(shù)建立84
• 6.2.2 優(yōu)化變量取值范圍84-85
• 6.2.3 各部件疲勞壽命函數(shù)表達(dá)式建立85-87
• 6.2.4 各部件質(zhì)量函數(shù)表達(dá)式建立87-89
• 6.3 剛度約束數(shù)學(xué)模型89-90
• 6.3.1 模態(tài)約束條件89
• 6.3.2 剛度約束條件89-90
• 6.4 等壽命優(yōu)化模型建立及求解90-96
• 6.4.1 等壽命優(yōu)化模型建立90
• 6.4.2 模型求解及優(yōu)化結(jié)果分析90-96
• 6.5 本章小結(jié)96-98
• 結(jié)論98-101
• 參考文獻(xiàn)101-106
• 致謝106-107
• 附錄A 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄107

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本文編號(hào)：583297