矿用自卸车转向器支架有限元分析与优化设计.pdfVIP

矿用自卸车转向器支架有限元分析与优化设计

吴豪;成建联;张壮

【摘要】利用三维软件对某矿用自卸车转向器支架的结构进行改进、统型,然后将

统一模型导入Workbench软件中进行有限元分析,根据分析计算结果对转向器支

架进行结构优化,结果表明优化后的支架可以替代原支架.经过为期半年的试验验证,

并无出现断裂或产生裂纹,因此可以投入批量生产.

【期刊名称】《建筑机械（上半月）》

【年(卷),期】2017(000)006

【总页数】3页(P66-68)

【关键词】转向器支架;workbench;有限元分析;优化

【作者】吴豪;成建联;张壮

【作者单位】长安大学工程机械学院,陕西西安710064;长安大学工程机械学院,

陕西西安710064;长安大学工程机械学院,陕西西安710064

【正文语种】中文

【中图分类】TD57

汽车转向器能使车辆按照驾驶员的意图改变行驶方向，而转向器支架在车辆转向传

动系统中起到固定转向器的作用，其力学性能的好坏对转向性能有着极其重要的作

用。矿用自卸车作业环境恶劣，且经常需要重载转向，在左转右转过程中，转向器

支架要承受转向器的重力，还要承受转向机转动时的转矩，其结构强度及疲劳寿命

直接影响整个转向机构的稳定性和使用寿命。因此，转向器支架的合理设计，在满

足所需强度、刚度条件下，才能保证在设计寿命内安全使用，也将有利于提高转向

系统的稳定性和实现整车的轻量化。

某矿用车转向器支架是由2种模具做出来的4种不同结构的转向器支架，为了减

少结构种类、方便管理、减低成本而进行统型，即在满足强度、刚度条件下，将4

种转向器支架统型为1种。统型后，品种的减少使得模具种类减少，进而方便生

产。

根据实际使用情况及尺寸参数要求，对几种转向器支架结构进行模型统一，得到如

图1所示的三维模型。为了便于网格划分以及模型处理，在建模过程中忽略了转

向器支架一些对结构影响不大的结构，如倒角、圆角等。

将转向器支架几何模型导入AnsysWorkbench结构分析软件中，然后进行前处

理工作。选择相应的单元类型，由于板较厚选择三维实体单元solid187。转向器

支架材料为球墨铸铁QT450-10，其弹性模量为1.73×105MPa，泊松比为0.3，

密度为7.0×103kg/m3，屈服极限为310MPa［1］。然后进行单元网格划分，

此处网格单元尺寸设置为8mm，得到如图2所示的有限元网格模型。根据转向器

所能提供的最大转矩M=7990N.m并且考虑螺栓加预紧力的方法考察螺栓孔处的

应力，分析支架的应力状况。将转向器支架下方与车架相连接的5个螺栓孔处添

加固定约束，在转向器支架固定转向机的4个螺栓孔处设置为刚性单元并添加扭

矩载荷，然后分析求解。当转向机输出最大转矩时，转向器支架的应力分布如图3

所示。从图3中可以看出，转向机输出最大转矩时，转向器支架侧板与底面连接

处的应力最大，其值为311MPa，而材料的许用应力为310MPa，安全因子为

0.99。可以看出安全因子较低，此处极易发生断裂。根据上述分析，在满足强度和

寿命前提下，需要对转向器支架的结构优化再改进，使其安全系数提高［2］。

根据转向器实际工作状况和有限元分析，在保证安装尺寸和使用要求的前提下，将

形状优化和拓扑优化技术相结合，对支架结构进行优化改进，以改善支架受力情况，

同时达到轻量化的优化目标［3］。

拓扑优化的基本思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域寻求最

优材料分布的问题［4］。按照拓扑优化将结构改进，将应力较小处的材料去除以

减轻整体重量，在其处开几个圆孔；根据应力分布图，将上下面的矩形连接板改为

上窄下宽的弧形锥状，以增加薄弱环节处强度，提升整体结构受力能力，其优化后

的模型如图4所示。

对优化后的转向器支架模型进行分析简化，边界条件同前，得到应力云图如图5

所示。支架模型上最大应力位置没有改变，最大应力减小为234MPa，比原来最

大应力降低77MPa，减小了将近25%，安全系数为1.33，安全性能比原来有所

增加，符合要求。而且，原4种支架平均重量为45kg，优化改进后的支架重量为

32kg，重量减少了28.9%，按每公斤12.25元计算单台成本减少318.5元。由图

6和图7的变形图可得优化前后最大变