开题报告

1论文开题的目的、意义

轮式装载机是一种广泛应用于公路、铁路、港口、码头、煤炭、矿山、水利、国防等工程和城市建设等场所的铲土运输机械。其主要功能是对松散物料进行铲装及短距离运输作业，对加快工程建设速度、减轻劳动强度、提高工程质量、降低工程成本都发挥着重要的作用,是现代机械化施工中不可缺少的装备之一。它从一种简单的装料附属设备发展成为高效能多用途的工程机械，已经走过了漫长的半个多世纪。在此期间，装载机的技术不断地进步，工作性能不断地提高，应用范围也越来越宽广。因此，近几年来，无论在国内还是国外，装载机品种和产量都得到了迅猛发展，已成为工程车辆的主导产品之一。随着建筑、水利、采矿等大型工程发展的需要，在国外出现了不断设计制造新型的大功率、大斗容量轮式装载机的趋向。随着装载机的大型化，其在动力、传动系统、制动系统、行走系统和工作装置等方面，也有了相应的发展[1]。

装载机按转向方式不同可分为整体式和铰接式。前者利用偏转后轮或前轮转向，或者同时偏转前后轮，后者采用铰接车架，利用前后车架之间的相对偏转进行转向[2]。本论文的选题来自浙江省可靠性重点实验室，受浙江省可靠性创新团队资助。

本研究对象为可靠性重点实验室合作单位杭州前进齿轮箱集团股份有限公司新研制的ZL60装载机转向驱动桥。该装载机采用四轮驱动，后桥转向的驱动方式。后桥受转向阀所输出的液力作用，发生偏转，完成装载机的转向。与此同时，转向后桥与前桥一起行使驱动功能，是装载机传动系统中最后一大总成，将传动轴的输出转矩传递给两边的车轮，使装载机能够起步，行驶以及工作。

为了保证工程质量和工期、降低工程成本, 生产企业对驱动桥的设计提出了新的要求，需要在较短的时间内，完成设计、分析、原型验证等工作，势必更深入地引用以CAE、CAD为代表的现代设计方法。本课题对ZL60装载机转向桥的研究，按照轻工业对工程机械的标准，进行结构静力学额定校核分析；建立转向桥的虚拟样机模型，通过ADAMS的动力学仿真，得到装载机行驶的仿真载荷谱，以及其动力学响应。本课题研究对合作单位ZL60装载机转向桥的设计定型具有重要意义，设计的经验与方法也可以应用到其他工程机械领域内[3]。

2目前国内外的研究现状

目前对转向桥的研究大多是针对汽车转向桥开展的。由于疲劳问题的复杂性[4-7]，早期的研究主要是通过试验的方法来研究桥的疲劳强度。清华大学的王秋景、管迪华（1996）以某型汽车后桥壳为例，探讨了汽车前后轴台架疲劳试验方法与试验疲劳寿命当量之间的关系，使人们可以根据台架疲劳试验结果来推断零件在实际载荷下的疲劳寿命[8]。随着计算机硬件和数值算法的成熟，尤其是有限单元的发展，使得人们更多的趋向应用有限元软件进行结构的疲劳寿命分析，从而摆脱了依赖实际物理结构进行疲劳分析，开始了可以在图纸设计时就对目标进行疲劳寿命的“虚拟疲劳分析”阶段[9-12]。近年来，国内外不少学者对汽车驱动桥进行了疲劳寿命预测研究。2001年，重庆大学的褚志刚等做了汽车驱动桥结构破坏机理分析研究，利用有限元法对其做了静力分析、模态分析、强迫振动响应分析等[13],2002年，湖北汽车工业学院的肖生发等以雨留法得到的载荷谱为基础，建立了轻型汽车后桥的二维载荷谱，并编制了二维载荷谱的计算机程序，分别利用一维和二维载荷谱对EQ1030T型轻型车后桥进行了疲劳寿命预测[14]。2006年，清华大学的文凌波等对驱动桥壳进行了疲劳寿命分析，通过与台架试验进行对比分析，提出了改进方案[15]。2007年清华大学的高晶等进行了基于MSC.Fatigue的汽车驱动桥壳疲劳寿命预估，得到了桥壳整体的疲劳寿命分布和危险点的寿命值，通过桥壳的台架疲劳试验两者吻合的较好[16]。2008年以后，很多学者对驱动桥壳进行了更深入的研究。如清华大学的高晶等做了随机载荷作用下汽车驱动桥壳疲劳寿命预估，通过整车系统多体动力学分析得到了桥壳上的随机载荷分布谱，利用MSC.Fatigue得到了桥壳的疲劳寿命，并通过桥壳台架疲劳试验验证了有限元分析疲劳寿命预测的准确性[17]。江苏大学的朱茂桃等分析了钢板冲焊整体式驱动桥壳的疲劳寿命。清华大学的李亮等（2008）做了类似的研究[18]。重庆交大的杜子学等利用实测载荷谱对货车后桥进行了有限元静力分析和疲劳强度分析[19]。同年，吉林大学的李丽做了后桥壳的有限元疲劳寿命和模态分析[20]，南京理工大学的甄慧琳做了微型车驱动桥壳的结构和考虑焊缝影响的疲劳寿命分析[21]。合肥工业大学的林正祥（2009）作了紧急制动下桥壳动力响应和谐响应分析以及考虑过盈装配非线性的疲劳强度分析[22]。在国外，土耳其的M.M.Topac（2009）分析了桥壳静强度和疲劳强度，并做了台架疲劳试验验证[23]。土耳其的Osman(2006)对驱动桥半轴进行了经典的断裂疲劳分析[24]。美国福特汽车的F.A.Clone对复杂汽车构件的局部应力-应变关系进行了研究，采用有限元方法对汽车车身这样复杂庞大的结构进行了疲劳分析[25]。

相对汽车驱动桥，对装载机驱动桥的研究，尤其是疲劳可靠性方面的研究还很少。

一些研究者对装载机驱动桥进行了有限元静力分析、模态分析，如高梦雄对地下装载机驱动桥进行了强度计算[26]；唐六丁等对装载机的典型工况下驱动桥进行了有限元分析[27]；羊玢等也对装载机驱动桥壳进行有限元分析[28]；石光林等对ZL50型装载机的焊接驱动桥壳进行了动力学模态分析[29]。我们的项目团队也对装载机驱动桥进行了一些研究：李剑敏[30]老师等对ZL50驱动桥轮边减速器的疲劳寿命进行了分析，对结构进行了改进，提高了疲劳寿命；吴越成[31、32]老师等对装载机驱动桥的行星轮架和差速器进行了研究，作了结构改型，申请了专利；李剑敏[33、34]老师等对装载机湿式驱动桥进行了有限元分析，讨论了其在典型工况下的动力学响应。

3学位论文的主要研究内容

3.1建立装载机转向桥的有限元模型

首先，按委托单位给的二维图纸，运用CAD软件pro/e4.0对转向桥各部件进行建模。再按实际装配关系进行组装，建立转向桥总成的几何模型。为后期的有限元分析做准备，

然后，将几何模型导入ANSYS软件中，选择合适单元和材料属性划分网格得到桥壳有限元模型[35-37]。网格的质量直接关系到求解的精度和规模，尤其是对于桥壳这样的复杂部件，高质量的网格能极大的提高求解效率。划分网格基本规则如下[37]：(1)网格数量。一般静力分析所需网格较动力分析少；仅计算结构位移所需网格较计算结构应力时少；网格数量应综合考虑求解精度和求解规模。(2)网格疏密。计算数据梯度较大的部位采用较密的网格，数据梯度较小的则采用较疏的网格；计算固有特性则趋于采用均匀网格。(3)单元阶次。同网格数量一样，应综合考虑求解精度和规模来选择单元阶次。(4)网格质量。划分的网格应有较好的细长比、锥度比、内角、翘曲量、边节点位置偏差等。(5)较好的位移协调性与网格布局等。由于转向桥是个很复杂的系统，因此划分网格之前需按求解目的进行必要的简化。选择合适的单元，按如上的原则划分好网格。由于转向桥的有限元分析涉及轴承及齿轮的接触，且接触为高度非线性问题需较多的计算资源，因此设置合理的接触关系才可能得到准确的计算结果[38]。