有限元技术在矿用自卸车设计中的应用

摘要： 为保证矿用自卸车的使用可靠性和寿命，降低设计成本，缩短设计周期，介绍矿用自卸车的结构特点，论述对其进行有限元分析时的软件模块选取、单元选取、网格精度控制、材料定义、实常数定义、求解和结果处理等环节中的要点.以驾驶室变形分析和后桥总成强度分析为例说明采用有限元技术可以定量地掌握矿用自卸车的各方面性能，从而为设计提供参考.

关键词： 矿用自卸车； 可靠性； 寿命； 有限元； 驾驶室变形分析； 后桥总成； 强度分析

中图分类号： TH242；TB115.1文献标志码： B

Application of finite element technology in mine tipper design

DONG Zhiming1, GUO Haiquan1, PAN Yanjun2， DING Haoran1

（1. Technical Center, Nei Mongol North Hauler Joint Stock Co., Ltd., Baotou 014030, Nei Mongol, China;

2. Technical Department, Baotou North Special Machinery Co., Ltd., Baotou 014030, Nei Mongol, China）

Abstract： To ensure the reliability and service life of mining tipper, reduce design costs and shorten design cycle, the structure characteristics are introduced, and the main points are discussed for its finite element analysis, such as software module selection, element selection, mesh precision control, material definition, real constant definition, solution, result post-process, and so on. The examples such as cab deformation analysis and rear axle assembly stress analysis are demonstrated to indicate that the finite element technology can quantitatively obtain the main capabilities of mine tipper and provide reference for the design.

Key words： mine tipper; reliability; service life; finite element; cab deformation analysis; rear axle assembly; stress analysis

0引言

在汽车或工程机械产品的设计开发中，常需对一些结构或系统进行前期的分析计算，以保证产品的使用可靠性和寿命.在复杂工程问题分析中，常很难得到问题的解析解，一般通过下面2种方法得到问题的近似解：（1）通过对问题进行简化，提出多种假设，最终简化成在实际中能解决的问题；（2）通过数值分析方法求出问题的数值解，实践证明数值解可以满足工程实际需要.［1］由于方法（1）对问题进行简化和假设，得出的结果往往偏离实际或者不正确，而方法（2）由于计算机的发展，其求解精度越来越高，完全可以满足实际中的工程应用，使得有限元技术在企业产品开发中逐渐得到普及.

有限元技术在汽车和工程机械产品开发方面应用非常广泛，可以进行强度和刚度分析，产品寿命预测，结构优化设计以及为改善整车舒适性的NVH分析等，涉及整车设计中的各个方面.随着计算机技术的迅速发展，有限元技术在各行业中的应用也逐渐形成一套较为完整的程序.本文主要研究有限元技术在大型矿用自卸车中的应用，探讨有限元技术的具体应用方法.

1矿用自卸车的结构特点和使用环境

矿用自卸车属于非公路使用的运输工具，主要应用在露天矿山、港口码头等场所，其使用环境具有以下特点：运输路面崎岖不平,对车架和悬挂系统冲击很大；经常需要重载上坡或下坡，对整车的动力性和制动性能提出很高的要求；装载物料常为大块的岩石、煤和铁矿等，并且一次装载量从十几吨到一百多吨，对车厢和悬挂系统冲击很大；大多在山区使用，常为高温、高寒或气候潮湿的环境.在极为复杂和恶劣的使用环境下，为保证整车的使用可靠性和寿命，对产品的设计提出很高的要求，每个部分或系统的零部件设计都不同于普通公路用车.

矿用自卸车通常由车架、前桥、后桥、动力传动系统、平台及护罩、车厢、油气悬挂、驾驶室、车厢、液压系统、制动系统和电器元件等组成，图1为某型矿用自卸车结构示意.

(a)矿用自卸车整车外形

(b)矿用自卸车底盘结构

由于使用环境的特殊性，矿用自卸车每个系统的结构都不同于普通公路用自卸车：采用油气悬缸的烛式独立悬架的前桥；采用带横拉杆和油气悬缸的单纵臂（A形架）式非独立悬架的后桥总成；变截面的箱形纵梁和高强度铸造合金铸件焊接而成的框架式车架；带防护栏和扶梯的平台总成；偏置放置的圆弧形驾驶室；前后独立的双回路气压式鼓制动；转向优先的动力转向系统；第二级举升缸具有动力下降功能的举升机构；深V形底板的车厢；分体布置式动力传动系统.

2有限元分析模块的选用

目前，市场上比较流行的有限元分析软件包括Abaqus，ANSYS和MD Nastran等.无论哪种软件，基本都分为若干个模块，如结构分析模块、电磁场分析模块和流体分析模块等.根据分析目的不同，每个模块又可分为若干个子模块，如在结构分析模块中可分为静力分析模块、模态分析模块和动力学分析模块等.在具体的有限元分析过程中，根据被分析对象和分析目的的不同，所采用的分析模块也不相同，需要对被分析对象进行深入研究.［2］

车架、车桥、平台和车厢等结构件在设计之初可以根据整车的结构参数和质量参数进行初步的结构静力分析，掌握被分析对象的整体应力分布状态，及时发现一些应力水平较高的区域.这些区域指在结构静力分析中应力接近或已经达到材料屈服强度的区域，由于矿用自卸车的使用过程是动态的，其失效形式通常为疲劳失效，根据疲劳分析的相关理论，这些区域的可靠性肯定不能达到预期的设计寿命，有必要对结构进行改进.［3-4］

在被分析对象的结构基本定型后，就可根据分析目的进行相应的动力学分析、可靠分析和疲劳分析等，通过这些分析可进一步确定结构是否安全、可靠和可以达到预期的设计寿命.如果需要进一步降低成本或减轻整车质量，还需进行优化分析，通过对被分析对象的优化设计，提高整车的经济性.为提高设计和分析效率，缩短产品研发周期，现在很多分析软件具有协同设计和仿真功能，这样设计和分析可交互式进行；同时，这些软件具有数据管理的功能，使得设计和分析更加便捷.如ANSYS Workbench将三维模型的导入或建立、有限元模型的生成、加载和边界条件的生成、求解、结果分析以及各分析模块之间都建立联系，工程师采用一个模型就可以进行多项分析，并且模型的更改会实时传递到各个分析模块中.

一些特殊的零部件必须符合矿山的安全要求，如根据国家标准GB/T 17992—1999《土方机械翻车保护结构试验室试验和性能要求》和GB/T 17771—1999《土方机械落物保护结构实验室试验和性能要求》，矿用自卸车驾驶室必须具有Roll Over Protective Structure (ROPS)和Falling-Object Protective Structure（FOPS）功能.根据标准中的试验要求，ROPS和FOPS试验属于破坏性试验，如果对驾驶室进行反复的物理试验，不仅会产生很高的试验费用，而且设计和试验周期也会很长.通过有限元分析可大大缩短驾驶室的研发周期，根据标准中的试验要求，在分析时需采用非线性分析模块和LS_DYNA分析模块.

由于矿用自卸车经常工作在高温、重载、上下坡等环境中，要求发动机冷却系统和制动器具有良好的散热性能.通过采用热分析模块和流体分析模块，可及时掌握被分析对象的散热能力和温度分布情况.如对于发动机冷却系统，可根据分析结果改变散热器的结构或散热面积，改善发动机冷却系统的散热能力，同时也可通过改变发动机和散热器护罩的外形和结构，使气流的流动方向产生变化，达到最佳的冷却效果.

其他方面：为改善油气悬挂刚度和阻尼特性，可以进行流体动力学分析；为减小后视镜或其他零部件使用过程中产生的振动，可以进行模态分析；为减少电子元器之间的互相电磁干扰，可以进行电磁场分析；为改善发动机运行过程中产生的扭转振动，可以进行谐响应分析；为掌握系统同时在几个物理场中的响应，可以进行耦合（如热-结构耦合、热-流耦合等分析）.［5］

3单元和实常数等参数的确定

在确定分析对象和采用的分析模块后就需要建立有限元模型，包括单元的选用、网格精度控制、材料定义和实常数定义等.［6］

3.1单元的选用和网格精度控制

有限元分析是将被分析对象离散化（划分网格），再建立数值方程进行求解的过程.针对具体问题的不同，采用的单元形式也不同，如杆单元、实体单元、流体单元和弹簧单元等.几乎每种有限元分析软件都有大量的单元类型用于分析不同的问题，以ANSYS为例，它的单元类型数量将近200种，如此大量的单元类型对于初学者来说确实是个难题.

首先，根据分析模块的不同对单元进行分类，这样，具体到每个分析模块的单元类型有几十种；然后，根据被分析对象的特点、分析目的以及分析精度等再次进行分类，这样，具体到被分析对象就只剩下几种单元类型；再借助有限元分析软件帮助文件详细了解每种单元的特性，可轻松确定所需的单元类型.对于具体问题，通常会有好几种单元适合.［7］

关于划分网格精度的问题，首先可以根据经验大致确定网格精度，在进行求解后将网格加密1倍再次进行求解，如果二次求解结果之间的误差不是很大，那么认为网格密度可以达到分析目的.对于一些形状复杂的零件，如后桥壳体铸件，需要将一些关心区域或细节部分的网格划分得密一些，防止求解时产生应力奇异.另外，在划分网格时尽量使单元大小均匀、形状规则，单元各边的长度不能相差太大，这样既可提高求解效率，又可提高求解精度.驾驶室的有限元模型见图2,采用壳单元和实体单元，可知，该模型的网格划分均匀、大小适中，适于进行非线性或动力学分析.

3.2材料的定义

材料的定义以被分析对象的实际材料属性为依据.如果预期结构的应力水平低于材料的屈服强度，那么只需定义材料在弹性变形阶段的特性；如果预期结构的应力水平高于材料的屈服强度，那么需要同时定义材料的弹性变形和塑性变形阶段的特性.在进行疲劳分析时，还需定义材料的疲劳特性.以模拟分析驾驶室ROPS功能为例，在试验初始加载过程中，材料的应力水平较低，低于材料的屈服强度；当加载到一定程度后，结构发生大的变形，材料的应力水平已经高于材料的屈服强度.因此，在进行分析时需定义材料的弹性和塑性特性.

3.3实常数的定义

实常数的定义对于不同的单元有着不同的输入参数，在具体分析时可参考软件自带的帮助文件.以对车架进行有限元分析为例，根据分析目的的不同，所采取的具体方法也不一样.如果是为了解车架的整体应力分布，可用杆单元或壳单元对车架进行网格划分.近年来，随着计算机运行速度的提高，一般采用壳单元进行网格划分，在具体分析时可根据不同位置定义相应的厚度和材料属性.［8-9］矿用自卸车车架一般由薄壁结构件和铸件（起连接作用）组成，由于铸件壁厚不均匀，一般用实体单元划分.

4求解

建立有限元模型后就可进入加载和求解阶段.关于载荷的施加和边界条件的确定，一定要以被分析对象的实际工作环境和受力情况为依据，使载荷和边界条件尽量与实际相一致.

对于一些规模较大的分析，在求解前可以使用软件中的运行时间计算器大致估计求解的运行时间；在求解过程中需注意一些软件提示的问题，一般大部分提示可以忽略，但也有可能提示一些大的错误，需中止求解过程，对模型进行修改后再进行求解.对于一些非线性问题，在求解过程中一定要及时关注求解过程中的收敛情况，如果发现不收敛，应中止求解过程，对网格精度和求解设置进行调整后再次求解.驾驶室大变形分析的收敛速度见图3,可知，求解时的收敛速度很快.

5.1结果处理

有限元软件具有很强的后处理功能，可为工程师提供各种形式的结果，如各类应力或变形云图、等高线、等高面、数据表和结果查询等.在ANSYS的经典界面中还可对数据进行二次运算，如加、减以及积分等.

5.2具体分析案例

5.2.1ROPS试验过程模拟

在ROPS试验中，对驾驶室施加载荷后的变形云图见图4,这是依据ROPS试验相关要求对驾驶室顶部进行加载后的变形情况.［10］该分析采用结构静力中的非线性分析模块，采用的单元有SHELL 181，CONTA 170，TARGE 170和SOLID 45等,各类单元共计28 743个，节点数14 692个.载荷依据ROPS标准中的相关要求经计算后施加在驾驶室顶部，约束驾驶室底部的4个底座.由图4可知，驾驶室的最大变形量为4.45 mm.

5.2.2后桥总成强度分析

后桥总成在整车满载时的应力分布见图5,依据整车的结构参数和质量参数对后桥总成进行强度分析.由于该部件形状复杂，在分析时采用多种实体单元（SOLID 45，SOLID 95和SOLID 187等）进行网格划分，并对一些结构较复杂和关键区域的网格进行加密，同时根据后桥总成各部件的连接方式定义相应的接触.［11］各类单元共计 1 116 285个，节点数1 739 701个.由图5可知，后桥总成的最大应力为257 MPa.

6结束语

计算机技术的迅速发展为有限元技术的推广和应用提供很好的平台.采用有限元法对矿用自卸车各方面的性能、寿命和可靠性等进行分析研究，可以克服物理试验费用高、周期长的缺点.

一般，一个企业或一个产品系列之间的产品区别不会很大，有很多共性，企业可以根据自身产品的特性，规范分析流程和分析过程中需要注意的重点，制定出相应的标准或规范，这样可以大大缩短产品设计和分析周期；也可结合自身产品特性，对大型通用有限元分析软件进行二次开发，使分析流程更符合企业发展的需要.参考文献：

［1］王勖成, 邵敏. 有限元法基本原理和数值方法［M］. 北京: 清华大学出版社, 1997: 123-125.

［2］王军, 马若丁, 王继新, 等. 矿用自卸车车架强度有限元分析［J］. 工程机械, 2008, 39(11): 29-32.

WANG Jun, MA Ruoding, WANG Jixin, et al. Finite element analysis for frame strength of mining haulers［J］. Construction Machinery & Equipment, 2008, 39(11): 29-32.

［3］于蓬, 张为春, 戴成. 某矿用自卸车车架的有限元模态分析研究［J］. 矿山机械, 2010, 38(9): 49-51.

YU Peng, ZHANG Weichun, DAI Cheng. Finite element modal analysis of a mine dump truck frame［J］. Mining & Processing Equipment, 2010, 38(9): 49-51.

［4］梁小波, 唐春喜, 郝长千, 等. 220 t矿用自卸车强度有限元分析［J］. 中原工学院学报, 2010, 21(1): 8-10.

LIANG Xiaobo, TANG Chunxi, HAO Changqian, et al. Finite element analysis for strength of 220 t mine dump truck［J］. J Zhongyuan Univ Technol, 2010, 21(1): 8-10.

［5］刘惟信. 汽车设计［M］. 北京: 清华大学出版社, 2001: 421-423.

［6］董志明, 潘艳君. 混凝土搅拌运输车副车架的受力分析及结构优化［J］. 专用汽车, 2008(5): 47-49.

DONG Zhiming, PAN Yanjun. Stress analysis and structure optimization of concrete mixer subframe［J］. Spec Purpose Vehicle, 2008(5): 47-49.

［7］钟兵. 基于HyperMesh的矿用车架优化设计［J］. 煤矿机械, 2010, 31(6): 26-27.

ZHONG Bing. Optimal design of certain mineral frame based on HyperMesh［J］. Coal Mine Machinery, 2010, 31(6): 26-27.

［8］杨春晖, 罗维东. 85 t矿用自卸车车架有限元分析及结构改进［J］. 冶金设备, 2008(S2): 5-7.

YANG Chunhui, LUO Weidong. Finite element analysis and framework improvement of the frame of the 85 t mining dump truck［J］. Metallurgical Equipment, 2008(S2): 5-7.

［9］王涛. 矿用自卸车车架静动态性能分析［J］. 专用汽车, 2010(03): 54-56.

WANG Tao. Static and dynamic analysis for frame of mining dump truck［J］. Spec Purpose Vehicle, 2010(3): 54-56.

［10］郭玉前. 矿用自卸车翻车和落物保护装置性能研究［D］. 长春: 吉林大学, 2005.

［11］王翠凤. 矿用自卸车后桥强度有限元分析［D］. 长春: 吉林大学, 2005.

(编辑于杰)