一种自卸车后桥壳的设计方法与流程

本发明涉及一种自卸车后桥壳的设计方法。

背景技术：

自卸车后桥壳系采用优质低合金、高强度合金钢板焊接而成。后桥壳由后桥壳前板、侧板、三角架顶板、三角架侧板、横拉杆座、后悬挂缸座、筋板等几部分焊接组成。后桥壳前板前端有12个螺纹孔连接三角架总成，通过牵引销将牵引力传递给车架。前板通过三角架顶板和侧板与后桥壳圆筒焊接。三角架分为4块平板，围成封闭箱形梁结构，结构设计抗扭性好，能承受非常复杂的载荷。后桥壳两端侧板用高强度螺栓与电动轮机座相连，侧板与后桥壳通过v形坡口焊接在一起，传递电动轮扭矩和牵引力。后桥壳后部有孔供检修人员进出检修减速齿轮等作用，检修口根据jb/t9723-1999《工程机械最小入口尺寸》设计检修口直径。后桥壳上端横拉杆座用于连接车架横拉杆座，车辆运行时用于传递侧向力，侧向力再通过后桥壳传递到两侧的轮胎。后桥壳后部的悬挂缸座用于传递车架的垂向力。后桥壳含一圈均布的筋板，增加后桥壳的强度。后桥壳整个设计自重为2.3t，通过结构的优化，细节的处理，后桥壳最终承受约450t的垂向载荷和35t的侧向载荷以及430kn的牵引力。设计满足要求。后桥壳在整车中的主要的功用为：1、承担整车部分荷重。2、联接车架与后桥。3、将驱动力传给车架。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种可以能够通过模拟各种工况的方式来对后桥壳的设计要求进行验证的自卸车后桥壳的设计方法。

为了解决上述技术问题，本发明包括以下步骤：

a、通过软件对后桥壳建立有限元模型：后桥壳包括了后桥壳壳体、后桥壳侧板、条形筋板、环形筋板、三角架、后桥壳前板、后悬挂缸座和横拉杆座，综合后桥壳结构的几何形状、受力特点及对计算精度的要求等因素，选择用壳单元对后桥壳结构进行离散化处理；后桥壳上安装的大型设备和重要的设备以集中力的形式施加在各自的质心位置，其他载荷以其形态特点的形式加在各自相应的位置上，焊缝以焊缝处节点重合的形式模拟；

b、在结构的离散化完成以后,为了能用节点位移表示单元假设位移是坐标的函数，根据所选定的单元位移模式导出用节点位移表示单元内任一点位移的关系式,其矩阵形式：

{f}^e＝[n]{δ}^e(1)

(1)式中{f}^e为单元内任一点的位移列阵；{δ}^e为单元的节点位移列阵；[n]称为为形函数矩阵，它的元素是位移的函数；

c、进行单元力学特性的分析：

c1、用几何方程,由表达式(1)导出用节点位移表示单元内任意一点应变的关系式：

{ε}＝[b]{δ}^e(2)

(2)式中{ε}是单元内任一点的应变列阵；[b]称为单元应变矩阵；

c2、利用物理方程,由应变的表达式(2)导出用节点位移表示单元应力的关系式：

{σ}＝[d][b]{δ}^e＝[s]{δ}^e(3)

(3)式中{σ}是单元内任一点的应力矩；[d]是与单元材料相关的弹性矩；[s]称为应力矩阵；

c3、利用虚功原理建立各单元的刚度矩阵,即单元节点力与节点位移之间的关系，其中刚度方程为：

{r}^e＝[k]{δ}^e(4)

(4)式中：{r}^e是单元的等效节点力矩阵；[k]是单元刚度矩阵；

由以上公式得出：[k]＝∫∫∫[b]^t[d][b]dxdydz(5)；

d、设定后桥壳的基本参数：整备质量mb，、后桥壳质量mh、、额定货物质量mr、超载货物质量mo、车轮半径r、启动牵引力fxq、额载持续牵引力fxc′、超载持续牵引力fxc、重力加速度g、弹性模量e、泊松比γ；

e、对后桥壳在超常载荷状况下进行强度计算：

在垂向载荷下：超载时后桥壳承载的质量为mhc，根据不同工况需要考虑1g、1.5g、3g的垂向振动力分别为：

fy1g＝mhc×g；

fy1.5g＝mhc×1.5g；

fy3g＝mhc×3g；

在横向载荷需要考虑1g的横向振动力为：fz1g＝mh×g；

在极限工况与过曲线工况下的纵向载荷为：mxc＝fxc×r；

自卸车启动时纵向载荷为：mxq＝fxq×r；

自卸车制动时的纵向载荷为：mxzd＝fxzd×r；

f、对后桥壳在运营载荷状况下进行强度计算：

在垂向载荷下：额载时后桥壳承载的质量为mhc′，据不同工况需要考虑1g、1.5g、0.5g的垂向振动力分别为：

fy1g′＝mhc′×g；

fy1.5g′＝mhc′×1.5g；

fy0.5g′＝mhc′×0.5g；

在横向载荷需要考虑0.7g的横向振动力为：fz0.7g′＝mh×0.7g；

在纵向载荷的纵向载荷为持续牵引力：mxc′＝fxc′×r；

g、将后桥壳在超常载荷和运营载荷下的工况进行组合，确定强度评定准测：对于所有工况计算结果的等效应力均不得大于材料的屈服强度极限，其中等效应力的公式为：

其中，σeq为各节点处等效应力，σi(i＝1,2,3)为各节点主应力；

f、在ansys软件中对建立的有限元模型在典型工况下进行应力计算分析。

作为本发明的进一步改进，在步骤g中，后桥壳的工况分为：第一工况：垂向载荷为fy1g′；第二工况：垂向载荷为fy1.5g′，横向载荷为fz0.7g′，纵向载荷为fxc′、mxc′；第三工况：垂向载荷为fy1.5g′，横向载荷为-fz0.7g′；第四工况：垂向载荷为fy0.5g′，横向载荷为fz0.7g′，纵向载荷为fxc′、mxc′；第五工况：垂向载荷为fy0.5g′，横向载荷为-fz0.7g′；第六工况：垂向载荷为fy3g，横向载荷为fz1g，纵向载荷为fxc、mxc；第七工况：垂向载荷为fy1g，纵向载荷为fxq、mxq；第八工况：垂向载荷为fy3g，横向载荷为fz1g，纵向载荷为fxzd、mxzd；第九工况：垂向载荷为fy1.5g，横向载荷为fz1g，纵向载荷为fxc、mxc。

作为本发明的进一步改进，在步骤f中：对有限元模型坐标进行定位，x轴为后桥壳纵向，y轴为后桥壳垂向，z轴为后桥壳横向，坐标系符合右手法则，坐标原点为壳体总成中心。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

图1为本发明的后桥壳的结构示意图。

图2为本发明的后桥壳的另一视角的结构示意图。

具体实施方式

本发明包括以下步骤：

a、通过软件对后桥壳建立有限元模型：由图1和图2所示，后桥壳包括了后桥壳壳体1、后桥壳侧板2、条形筋板、环形筋板4、三角架5、后桥壳前板6、后悬挂缸座7和横拉杆座8，综合后桥壳结构的几何形状、受力特点及对计算精度的要求等因素，选择用壳单元对后桥壳结构进行离散化处理；后桥壳上安装的大型设备和重要的设备以集中力的形式施加在各自的质心位置，其他载荷以其形态特点的形式加在各自相应的位置上，焊缝以焊缝处节点重合的形式模拟；

b、在结构的离散化完成以后,为了能用节点位移表示单元假设位移是坐标的函数，根据所选定的单元位移模式导出用节点位移表示单元内任一点位移的关系式,其矩阵形式：

{f}^e＝[n]{δ}^e(1)

(1)式中{f}^e为单元内任一点的位移列阵；{δ}^e为单元的节点位移列阵；[n]称为为形函数矩阵，它的元素是位移的函数；

c、进行单元力学特性的分析：

c1、用几何方程,由表达式(1)导出用节点位移表示单元内任意一点应变的关系式：

{ε}＝[b]{δ}^e(2)

(2)式中{ε}是单元内任一点的应变列阵；[b]称为单元应变矩阵；

c2、利用物理方程,由应变的表达式(2)导出用节点位移表示单元应力的关系式：

{σ}＝[d][b]{δ}^e＝[s]{δ}^e(3)

(3)式中{σ}是单元内任一点的应力矩；[d]是与单元材料相关的弹性矩；[s]称为应力矩阵；

c3、利用虚功原理建立各单元的刚度矩阵,即单元节点力与节点位移之间的关系，其中刚度方程为：

{r}^e＝[k]{δ}^e(4)

(4)式中：{r}^e是单元的等效节点力矩阵；[k]是单元刚度矩阵；

由以上公式得出：[k]＝∫∫∫[b]^t[d][b]dxdydz(5)；

d、设定后桥壳的基本参数：整备质量mb，、后桥壳质量mh、、额定货物质量mr、超载货物质量mo、车轮半径r、启动牵引力fxq、额载持续牵引力fxc′、超载持续牵引力fxc、重力加速度g、弹性模量e、泊松比γ；

e、对后桥壳在超常载荷状况下进行强度计算：

在垂向载荷下：超载时后桥壳承载的质量为mhc，根据不同工况需要考虑1g、1.5g、3g的垂向振动力分别为：

fy1g＝mhc×g；

fy1.5g＝mhc×1.5g；

fy3g＝mhc×3g；

在横向载荷需要考虑1g的横向振动力为：fz1g＝mh×g；

在极限工况与过曲线工况下的纵向载荷为：mxc＝fxc×r；

自卸车启动时纵向载荷为：mxq＝fxq×r；

自卸车制动时的纵向载荷为：mxzd＝fxzd×r；

f、对后桥壳在运营载荷状况下进行强度计算：

在垂向载荷下：额载时后桥壳承载的质量为mhc′，据不同工况需要考虑1g、1.5g、0.5g的垂向振动力分别为：

fy1g′＝mhc′×g；

fy1.5g′＝mhc′×1.5g；

fy0.5g′＝mhc′×0.5g；

在横向载荷需要考虑0.7g的横向振动力为：fz0.7g′＝mh×0.7g；

在纵向载荷的纵向载荷为持续牵引力：mxc′＝fxc′×r；

g、将后桥壳在超常载荷和运营载荷下的工况进行组合，后桥壳的工况分为：第一工况：垂向载荷为fy1g′；第二工况：垂向载荷为fy1.5g′，横向载荷为fz0.7g′，纵向载荷为fxc′、mxc′；第三工况：垂向载荷为fy1.5g′，横向载荷为-fz0.7g′；第四工况：垂向载荷为fy0.5g′，横向载荷为fz0.7g′，纵向载荷为fxc′、mxc′；第五工况：垂向载荷为fy0.5g′，横向载荷为-fz0.7g′；第六工况：垂向载荷为fy3g，横向载荷为fz1g，纵向载荷为fxc、mxc；第七工况：垂向载荷为fy1g，纵向载荷为fxq、mxq；第八工况：垂向载荷为fy3g，横向载荷为fz1g，纵向载荷为fxzd、mxzd；第九工况：垂向载荷为fy1.5g，横向载荷为fz1g，纵向载荷为fxc、mxc，确定强度评定准测：对于所有工况计算结果的等效应力均不得大于材料的屈服强度极限，其中等效应力的公式为：

其中，σeq为各节点处等效应力，σi(i＝1,2,3)为各节点主应力；

f、在ansys软件中对建立的有限元模型在典型工况下进行应力计算分析，其中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；对有限元模型坐标进行定位，x轴为后桥壳纵向，y轴为后桥壳垂向，z轴为后桥壳横向，坐标系符合右手法则，坐标原点为壳体总成中心；超常各载荷工况作用下，后桥壳任何点的应力均不能超过对应材料的屈服极限，即对于工况6～9，后桥壳其他结构各点vonmises应力小于材料hg70e的屈服强度。