基于结构优化和高强度钢应用的重型自卸车轻量化研究

论文摘要

本文主要研究了重型自卸车货厢和主、副车架的轻量化问题,通过对货厢进行结构优化设计以及对货厢与车架进行高强度钢板强度等代设计,取得了很好的轻量化效果；并推导出了高强度钢板强度等代设计中的钢板壁厚替换计算公式,验证了该公式的实用性以及使用方便性。首先,对重型自卸车轻量化的研究背景进行了介绍,阐述了本课题的研究意义；并根据国内外轻量化发展概况以及研究现状,提出了采用有限元技术和应用新型材料的轻量化研究方法。其次,在对重型自卸车货厢和主、副车架的结构特点进行分析后,以企业所提供的图纸为依据来建立货厢和主、副车架组合几何模型。采用板壳单元对货厢和主、副车架主体结构划分网格,采用实体单元对它们的局部结构进行离散。考虑到货厢在举升瞬间即刚刚离开副车架时的受力状况是最恶劣的,因此,在利用ANSYS分析时选取举升瞬间工况来进行计算。该工况下的货厢整体应力分布和货厢的变形情况均可以通过计算分析求得,得出的结果可以为项目委托企业在开发设计产品时提供一个参考。再次,由于货厢的整体应力水平不高,而且应力集中现象比较严重,本文分别对货厢底架、两边侧板结构进行了结构局部改进设计,不仅使应力集中现象在很大程度上有所减弱,甚至消除了某些局部应力集中现象,而且也使得它们的应力分布变得更为合理,最后的优化结果让货厢重量得到大幅度下降,使货厢的质量减小了820.43kg。然后,在货厢结构改进后的基础上,再利用结构尺寸参数优化方法对货厢进行轻量化研究,在保证货厢装载能力不降低的前提下,使货厢整体质量又减少了244kg；通过采用这两种结构优化轻量化方法,货厢重量下降了24.5%。最后,采用结构改进后的货厢模型和建立的主、副车架模型进行高强钢强度等代设计,在过程中利用推导出的高强钢壁厚替换公式对其构件进行壁厚替换,给货厢与主、副车架的高强钢强度等代设计带来很大方便。通过最后圆整后的数据计算,货厢质量减轻了1099.42kg；主副车架重量减少了286.68kg,降幅为15.13%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景和研究意义
• 1.3 轻量化技术发展概况
• 1.3.1 结构轻量化研究
• 1.3.2 新型材料开发
• 1.3.3 新型加工技术应用
• 1.4 汽车轻量化发展面临的问题
• 1.5 课题来源与研究内容
• 第二章 结构优化的基本方法及理论
• 2.1 引言
• 2.2 CAD/CAE技术概述
• 2.3 ANSYS软件简介
• 2.3.1 ANSYS的理论基础和分析思路
• 2.3.2 ANSYS软件的特点和分析过程
• 2.4 板壳单元的研究
• 第三章 专用车高强钢强度等代设计研究
• 3.1 引言
• 3.2 利用高强度钢板等代设计板厚计算公式推导
• 3.2.1 基本理论
• 3.2.2 强度等代设计中板厚计算公式的推导
• 3.3 不同材料的构件壁厚计算
• 3.3.1 A610L高强钢计算举例
• 3.3.2 XAR300高强钢计算举例
• 3.3.3 DOMEX高强钢计算举例
• 3.4 小结
• 第四章 典型重型自卸车结构分析
• 4.1 引言
• 4.2 举升机构结构特点
• 4.3 货厢结构特点
• 4.3.1 货厢底架总成结构特点
• 4.3.2 货厢前板总成结构特点
• 4.3.3 货厢后板总成结构特点
• 4.3.4 货厢侧板总成结构特点
• 4.4 主副车架结构特点
• 第五章 重型自卸车货厢及副车架参数优化模型的建立
• 5.1 有限元几何模型的建立
• 5.1.1 货厢几何模型的建立
• 5.1.2 主副车架几何模型的建立
• 5.2 单元的选择与网格的划分
• 5.3 优化设计工况的选取及边界条件的施加
• 5.3.1 货厢及车架的受力分析
• 5.3.2 货厢边界条件的施加
• 5.3.3 主副车架边界条件的施加
• 第六章 基于货厢结构参数轻量化研究
• 6.1 货厢结构整体应力分布及结构变形
• 6.2 货厢结构交互式轻量化设计
• 6.2.1 货厢底架结构改进设计
• 6.2.2 货厢侧板结构改进设计
• 6.2.3 有限元计算结果对比
• 6.2.3.1 观察区域的确定
• 6.2.3.2 改进前后计算结果对比
• 6.2.4 结果与讨论
• 6.3 货厢结构尺寸参数优化设计
• 6.3.1 货厢结构尺寸参数优化设计数学模型及一般过程
• 6.3.2 货厢结构尺寸参数优化设计变量
• 6.3.3 货厢结构尺寸参数优化设计状态变量和目标函数
• 6.3.4 货厢结构尺寸参数优化设计结果分析及最终方案确定
• 6.3.5 小结
• 第七章 基于高强度钢结构轻量化研究
• 7.1 高强钢等代设计过程
• 7.2 货厢高强钢等代设计
• 7.2.1 货厢各构件壁厚计算
• 7.2.2 货厢等代设计结果分析
• 7.2.3 货厢等代设计圆整结果计算分析
• 7.3 主副车架高强钢等代设计
• 7.3.1 主副车架各构件壁厚计算
• 7.3.2 主副车架等代设计结果分析
• 7.3.3 主副车架等代设计圆整结果计算分析
• 7.4 小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢