装载机前车架的三维建模及有限元分析开题报告

1. 研究目的与意义

轮式装载机是一种用途较广的工程机械，主要对散料进行铲装，通常是在露天矿山或工程建设工地作业，工作环境恶劣、复杂，在作业过程中结构件容易发生破坏失效。如果安装其它工作装置，还能满足推土、起重、装卸其他物料等作业要求。广泛应用于建筑、矿山、农业水利工程、公共交通基础设施建设、水电基础建设及国防等工程中，对于提高工程建设效率和质量、降低工程成本、减轻施工人员劳动强度等方面发挥着重要作用。近年来，装载机的产量和品种发展较快，根据26家主要企业按实际地区销售装载机统计，我国2010年装载机的销量达到20万台以上，其中出口1.5万台左右，成为世界上制造和应用装载机最多的国家。前车架是铰接式轮式装载机工作装置的基础件，是连接后车架、前车桥和工作装置的机构，是装载机的关键部件之一。前车架上有与动臂、动臂液压缸和转斗油缸等工作装置构件相连接的铰接孔，各构件与前车架通过销柱连接。若铰接孔的位置设计不合理，会引起工作装置的装配困难，导致工作装置与前车架之间发生干涉现象，还有可能会拉伤、卡死液压缸、使活塞杆发生变形，导致前车架产生破坏，最终导致装载机出现故障，无法正常作业。前车架在作业和行走过程中要承受来自工作装置传递过来的载荷，还要承受各组成系统传来的力和力矩；在崎岖不平的现场、路面作业或行驶时，还要受到剧烈的冲击载荷。前车架的结构设计要求布局合理而且必须有足够的强度和刚度，其设计是否满足要求将对前车架性能产生直接影响，进而对装载机整机是否能正常使用产生影响，因此对工作装置及前车架的装配体进行虚拟仿真和对前车架进行强度分析是装载机设计和开发过程中相当重要的一个环节。试验以及理论分析结果证明，无论在正载还是偏载最大铲掘力起掘工况下，前车架都是整体结构中的薄弱环节。对装载机前车架进行有限元分析，研究前车架在各种工况下的变形和应力情况，继而对其进行优化设计，可以使得产品的结构和性能更趋完善。

2. 国内外研究现状分析

在国际市场，引领装载机技术潮流的是欧、美传统工业强国。国外轮式装载机比我国起步早且发展较快。上世纪90年代其研发及制造技术已达到比较高的水平。大规模集成电路及计算机科学的迅猛发展也使其设计及制造技术水平的发展如虎添翼，人性化的辅助驾驶操作系统、计算机控制的发动机管理系统、电脑管理及故障诊断、监控系统、负载感应变速控制系统、转向变速集成控制系统和命令控制系统以及网络化的智能系统已大量应用于产品的设计、生产、操控和故障诊断及维修等方面，使得国外装载机在有了更加长足的进步。装载机产品制造技术更加精细，在自动化程度、驾驶室环境及控制操作、隔噪、减振等方面都有了很好的改善，同时在性能、使用寿命和人性化操作方面也有较大幅度的提高(张智铁1992;孙瑜2005;mike cobo 1998)。目前我国中型装载机产品的性能接近国际一流水平，而且已开始进入欧盟、北美等发达国家市场。在制造技术方面正在向精细化方向发展，发动机向混合动力驱动迈进。各大型工程机械制造企业及相关基础件生产商都致力于发展更先进的传动系统、液压设备、电气元件等主要基础件。在大型和小型装载机生产技术上与国外先进水平相比，差距还很大，主要还是基于引进或对国外产品的测绘，显然这种设计方法不利于我国装载机行业的发展。因此改进设计方法和采用新的技术是提高设计水平的一项重要工作。我国轮式装载机研制始于20世纪60年代，最早制造的装载机属于整体式车架，后桥转向。后来经过几年研究、借鉴，开发出了50型铰接式装载机。当时对于工作置、车架的设计及强度校核是依靠传统的力学计算方法，往往需要对结构作适当的简化，设计的结果通过制造出物理样机来试验验证。这种方法有简单易行的优点，但也有明显的不足，主要表现在：设计及验证周期长、成本高，而且前车架的结构改进难以达到明显的效果，不能合理的解决其整体结构强度，刚度问题，造成车架各部分强度分配不合理，因而制造出的产品造价高、性能差而缺乏市场竞争力（王克军2008：3）。

随着计算机技术的发展及大型结构强度分析和优化软件的问世及应用，使得对机械结构设计、强度及刚度分析的速度大大提高。有限元法就是其中的一种，适用于解决工程问题中不规则形状和载荷情况复杂的结构及零部件的应力、应变问题（jin woo park and jae woong hwang 2003；wang guangchun and zhao guo qun 2002）。20世纪70年代中期以来，国外一些大型工程机械制造公司已将有限元法、多体动力学理论、机械优化设计、计算机辅助设计及计算机辅助分析技术等现代设计理论与方法应用于装载机的工作装置及车架的开发设计中(zheng yongqiang 1986)，如美国的卡特彼勒(caterpillar)公司、日本的小松公司、瑞典的 volvo 等（曹超群2004;胡桃华2009），并且取得了较好的经济效益。国内

80年代开始运用有限元法对车架结构进行分析，主要针对摩托车车架、汽车车架方面研究居多(hiral i et al. 1984)，对于装载机车架的分析较少。直到近年来才开始对前车架进行这方面的研究。孙瑜（2005）对吉林大学自行设计的zl50

3. 研究的基本内容与计划

1~2周（2月20日~3月5日）查阅相关资料。完成开题报告和文献综述。安装并开始学习ug，cad，ansys等软件，仔细阅读相关资料并吸收消化，开始尝试用ug软件对装载机前车架开始建模。

4~7周（3月6日~4月9日）分析装载机作业过程中承受载荷情况，熟悉并能熟练运用ansys软件，利用ansys初步导入前车架模型，对其进行有限元分析。分析装载机作业过程中承受载荷情况，对其进行仿真，为关键零部件分析计算提供依据。

8~13周（4月10日~5月21日）建立将装载机前车架有限元分析模型，针对几种典型工况对前车架进行静力学分析和模态分析，观察前车架在承受载荷的作用下的应力和位移变化。开始撰写论文。

4. 研究创新点

利用ANSYS建立装载机前车架的实体有限元模型，综合运用现代机械设计方法来对轮式装载机前车架及工作装置进行力学分析，找到前车架上的危险点，在使用接触分析研究前车架铰接点受力以及对前车架的结构改进方面有一定新意。