硕士论文--对自卸车的后桥壳有限性分析及优化.doc

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 第一章 绪论 6 1.1课题研究的意义和方法 6 1.2 理论研究现状 7 1.2.1非线性接触问题研究现状 7 1.2.2过盈联结问题研究现状 9 1.2.3有限元优化研究现状 10 1.3 本论文研究目的及主要内容 17 1.3.1 本论文研究目的 17 1.3.2 本论文研究的主要内容 17 第二章 桥壳的有限元分析 19 2.1 非线性接触理论及算法 19 2.2有限元模型的建立和试分析 20 2.3 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 24 2.4 各种不同工况下的接触分析 32 2.4.1 分析试验分组 32 2.4.2 第一组分析试验 32 2.4.3 第二组分析试验 35 2.4.4 第三组分析试验 38 2.4.5 优化公差配合 （继续讨论） 40 2.5小结 41 第三章 桥壳过盈配合可靠度的计算 42 3.1 原来公差和改进公差过盈量分布的计算 42 3.1.1加工尺寸的分布 42 3.1.2过盈量的分布 44 3.2 可靠度的计算及分析 45 3.3小结 46 第四章 桥壳的形状优化 47 4.1优化问题的提出 47 4.2解决方案 47 4.3网格随移技术的介绍 50 4.4优化的过程 50 4.4.1自由形状优化 50 4.4.2 端盖法兰厚度优化 51 4.5优化的效果分析 52 4.6 由网格导出的几何形状 53 4.7小结 54 第五章 桥壳的疲劳寿命分析 55 5.1疲劳分析概述 55 5.2 车桥桥壳疲劳强度的数值模拟 56 5.2.1 S-N曲线的近似估计 56 5.2.2载荷 57 5.2.3平均应力影响 58 5.2.4寿命分析结果 59 5.3小结 60 第六章 总结及展望 61 6.1总结 61 6.2 展望 62 参考文献 63 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, d1d2 ,由于配合直径间隙有d2-d1的过盈量，在装配后的配合面上产生一定的径向应力，达到联接的目的。其配合形式具有结构简单、对中性好、承载能力强、受冲击性能好、对轴削弱少等优点，是工程界中常用的联接方式[1]。传统方法计算过盈联接基于等轴长配合，不考虑接触问题，只是将其简化为厚壁圆筒均匀受内压或外压