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摘要

針對目前自卸車驅(qū)動橋殼概念設(shè)計過程模型繼承特性明顯，參數(shù)不確定程度較高的問題，提出在自卸車驅(qū)動橋殼概念方案設(shè)計過程運(yùn)用空間縮小理論與區(qū)間傳播定理，將橋殼模型主要參數(shù)變化范圍進(jìn)一步縮小，最終找到滿足性能需求的主要參數(shù)的求解范圍，并通過有限元方法對自卸車驅(qū)動橋殼概念設(shè)計模型進(jìn)行應(yīng)力、變形和壽命驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，通過空間縮小理論與區(qū)間傳播定理，概念設(shè)計的自卸車驅(qū)動橋殼模型主要參數(shù)變化區(qū)間得到明顯縮小，消除初始設(shè)計空間的不確定信息，并采用有限元方法對優(yōu)化結(jié)果的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞

驅(qū)動橋殼；空間縮小法；自卸車；概念設(shè)計

自卸車驅(qū)動橋殼作為承接負(fù)載和路面激勵的關(guān)鍵部件，其性能好壞直接影響車輛行駛安全性。目前對于自卸車驅(qū)動橋殼產(chǎn)品開發(fā)多使用兩種形式，第一種為逆向測繪，即將同行業(yè)廠家橋殼進(jìn)行逆向設(shè)計，從而進(jìn)行工程化;第二種為正向設(shè)計，即依據(jù)主機(jī)廠要求進(jìn)行橋殼設(shè)計。但是對于正向設(shè)計中的概念設(shè)計往往是各大設(shè)計單位最為困難的環(huán)節(jié)，基本都是通過經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)確定，技術(shù)規(guī)范性較差，目前國內(nèi)相關(guān)技術(shù)仍處于起步階段。國內(nèi)對驅(qū)動橋殼進(jìn)行了廣泛的研究，鄧先智［1］、米承繼［2］分別以輪式挖掘機(jī)和礦用自卸車驅(qū)動橋殼為研究對象對其疲勞失效與壽命預(yù)測模型進(jìn)行研究;楊彥超［3］、史永偉［4］、唐應(yīng)時［5］分別對不同類型橋殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn);齊東東［6］、朱崢濤［7］分別通過有限元方法對驅(qū)動橋殼模型進(jìn)行靜動力學(xué)分析;李啟元［8］則從虛擬樣機(jī)角度對汽車驅(qū)動橋橋殼CAD/CAE系統(tǒng)的建立進(jìn)行研究。

綜合以上研究成果，本文中我們主要針對自卸車驅(qū)動橋殼設(shè)計過程中出現(xiàn)的橋殼繼承特性明顯，參數(shù)不確定程度較高等問題進(jìn)行研究，具體的不確定程度較高參數(shù)為驅(qū)動車輪輪距、板簧座中心間距離、橋殼危險截面外徑與內(nèi)徑，以上這些參數(shù)對后續(xù)橋殼承載能力及安全性具有重要影響，通過使用空間縮小理論與區(qū)間傳播定理，對概念設(shè)計中自卸車驅(qū)動橋殼主要參數(shù)的求解范圍進(jìn)行確定，并通過有限元方法對模型進(jìn)行驗(yàn)證。本文中我們所提出的方法對于降低企業(yè)針對橋殼概念設(shè)計工作量具有重要意義，具有較高的工程運(yùn)用價值。

1自卸車驅(qū)動橋殼概念設(shè)計

1．1驅(qū)動橋殼概念設(shè)計理論構(gòu)建為方便后續(xù)自卸車驅(qū)動橋殼進(jìn)行概念設(shè)計，這里定義需求函數(shù)與偏好函數(shù)。需求函數(shù)μPj(Pj)具體表征用戶對性能變量Pj的直接偏好，這里的用戶偏好主要是依據(jù)橋殼對應(yīng)配套的主機(jī)廠提供的數(shù)據(jù)及性能指標(biāo)確定，比如額定載荷、安全系數(shù)、每米變形量等。為了縮小設(shè)計空間，首先分解設(shè)計變量，將分解后的區(qū)間采用正交數(shù)組組合的方法設(shè)計子空間，然后通過空間映射方法從設(shè)計空間得到可能的性能空間，當(dāng)可能的性能分布與需求的性能分布存在公共區(qū)域時，通過圖2中的曲線進(jìn)行DPI計算，選取DPI最大值的實(shí)驗(yàn)組合作為選定可行設(shè)計方案，DPI計算等式。

1．2近似模型構(gòu)造及可能性性能變量計算根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計，采用二階響應(yīng)面模型構(gòu)造近似模型，并結(jié)合車橋廠與主機(jī)廠協(xié)商結(jié)果，目前將驅(qū)動車輪輪距、板簧座中心間距離、橋殼危險截面，這里的危險截面是通過結(jié)構(gòu)分析確定的，外徑與內(nèi)徑作為主要的設(shè)計變量。根據(jù)圖2結(jié)合式(9)計算得到圖3所示性能變量y的可能性分布圖。對圖3進(jìn)行分析可以得到，可能的性能分布與需求的性能分布區(qū)間雖然存在公共區(qū)域，但是在需求的性能分布區(qū)間外仍存在可能的性能分布，這里為提高驅(qū)動橋殼概念設(shè)計精確度，必須消除和縮小設(shè)計空間，而驅(qū)動橋殼概念設(shè)計主要的內(nèi)容就是在工程設(shè)計的前期對驅(qū)動橋殼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行初步確定，目前只考慮了驅(qū)動車輪輪距、板簧座中心間距離、橋殼危險截面外徑與內(nèi)徑4個參數(shù)，簡化后續(xù)工程設(shè)計工作量，在概念設(shè)計階段主要考慮的問題就是如何有效地縮小設(shè)計的變量區(qū)間并對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。這里將設(shè)計變量區(qū)間分為相等的兩段，進(jìn)行表1所示正交數(shù)組實(shí)驗(yàn)，表中“1”代表對應(yīng)變量對等分為兩段的前半段區(qū)間，表中“2”代表對應(yīng)變量對等分為兩段的后半段區(qū)間，最終計算得到圖4、圖5所示實(shí)驗(yàn)1～實(shí)驗(yàn)8的性能分布圖。對圖4、圖5分析得到實(shí)驗(yàn)1、4、6、8可能的性能分布與需求的性能分布不存在公共區(qū)域，對應(yīng)DPI=0;而通過DPI計算，實(shí)驗(yàn)7的DPI=0．319為各實(shí)驗(yàn)DPI最大值，最終選用實(shí)驗(yàn)7為子空間組合，最終得到表2所示縮小的設(shè)計空間組合，對應(yīng)為x1=(2150，2300)、x2=(1850，2200)、x3=(130，150)、x4=(90，115)，求解得到變量參數(shù)的變化范圍明顯小于初始變化區(qū)間，基本消除了初始設(shè)計空間的不確定信息。

2設(shè)計空間縮小最優(yōu)方案有限元驗(yàn)證

針對表2所示空間縮小后最優(yōu)設(shè)計組合方案進(jìn)行有限元驗(yàn)證，驗(yàn)證指標(biāo)主要包括橋殼整體應(yīng)力最大值、橋殼整體變形最大值及橋殼安全系數(shù)值。由于表2中只是給出驅(qū)動橋殼概念設(shè)計方案的參數(shù)區(qū)間值，這里進(jìn)行有限元驗(yàn)證時選取參數(shù)區(qū)間內(nèi)極限參數(shù)對應(yīng)的橋殼模型作為分析對象，對應(yīng)選擇的依據(jù)為輪距最大;板簧座中心間距離最小;橋殼危險截面外徑最小;橋殼危險截面內(nèi)徑最大，對應(yīng)模型參數(shù)為驅(qū)動橋輪距2300mm，板簧座中心間距離1850mm，橋殼危險截面外徑150mm，橋殼危險截面內(nèi)徑140mm。自卸車驅(qū)動橋殼材料使用QT600，對應(yīng)彈性模量與泊松比分別為1．69×1011Pa、0．286，此外，對應(yīng)橋殼邊界條件施加示意圖詳見圖6。首先對自卸車驅(qū)動橋殼進(jìn)行應(yīng)力與變形分析，圖7為自卸車驅(qū)動橋殼空間縮小最優(yōu)方案對應(yīng)模型應(yīng)力分布圖。由圖7可知，優(yōu)化設(shè)計的橋殼應(yīng)力值最大為323．75MPa，小于材料屈服應(yīng)力極限370MPa，橋殼材料滿足材料使用要求。圖8為自卸車驅(qū)動橋殼空間縮小最優(yōu)方案對應(yīng)模型變形圖。分析圖8可以得到，自卸車驅(qū)動橋殼空間縮小最優(yōu)方案最大變形量為1．7577mm，小于本型橋殼2．5mm變形量標(biāo)準(zhǔn)值，滿足使用要求。其次對自卸車驅(qū)動橋殼空間縮小最優(yōu)方案安全系數(shù)進(jìn)行分析，具體如圖9所示。圖9為橋殼目標(biāo)循環(huán)次數(shù)為1×109，受力及邊界條件與應(yīng)力應(yīng)變計算一致時對應(yīng)的自卸車驅(qū)動橋殼安全系數(shù)分布圖。由圖9可知，優(yōu)化設(shè)計的橋殼最小安全系數(shù)為1．86，也滿足最小安全系數(shù)1．5的設(shè)計要求值。

3總結(jié)

由于傳統(tǒng)自卸車驅(qū)動橋殼在進(jìn)行設(shè)計時存在結(jié)構(gòu)特征繼承性明顯、參數(shù)不確定程度較高的問題，而具體參數(shù)為驅(qū)動車輪輪距、板簧座中心間距離、橋殼危險截面外徑與內(nèi)徑，本文中我們通過空間縮小理論與區(qū)間傳播定理，將驅(qū)動橋殼模型主要參數(shù)初始變化范圍進(jìn)行優(yōu)化，最后對空間縮小后的設(shè)計模型通過有限元方法進(jìn)行驗(yàn)證。研究表明，通過空間縮小理論與區(qū)間傳播定理的使用，自卸車驅(qū)動橋殼概念設(shè)計模型主要參數(shù)變化區(qū)間得到了明顯縮小，成功消除初始設(shè)計空間的不確定信息，且優(yōu)化設(shè)計后的模型應(yīng)力、變形及安全系數(shù)均滿足要求，大大提高了設(shè)計效率，縮短了從設(shè)計到產(chǎn)業(yè)化的周期。

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作者：李萌 單位：無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院