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摘要

針對目前自卸車驅動橋殼概念設計過程模型繼承特性明顯，參數不確定程度較高的問題，提出在自卸車驅動橋殼概念方案設計過程運用空間縮小理論與區間傳播定理，將橋殼模型主要參數變化范圍進一步縮小，最終找到滿足性能需求的主要參數的求解范圍，并通過有限元方法對自卸車驅動橋殼概念設計模型進行應力、變形和壽命驗證。研究結果表明，通過空間縮小理論與區間傳播定理，概念設計的自卸車驅動橋殼模型主要參數變化區間得到明顯縮小，消除初始設計空間的不確定信息，并采用有限元方法對優化結果的合理性進行驗證。

關鍵詞

驅動橋殼；空間縮小法；自卸車；概念設計

自卸車驅動橋殼作為承接負載和路面激勵的關鍵部件，其性能好壞直接影響車輛行駛安全性。目前對于自卸車驅動橋殼產品開發多使用兩種形式，第一種為逆向測繪，即將同行業廠家橋殼進行逆向設計，從而進行工程化;第二種為正向設計，即依據主機廠要求進行橋殼設計。但是對于正向設計中的概念設計往往是各大設計單位最為困難的環節，基本都是通過經驗進行參數確定，技術規范性較差，目前國內相關技術仍處于起步階段。國內對驅動橋殼進行了廣泛的研究，鄧先智［1］、米承繼［2］分別以輪式挖掘機和礦用自卸車驅動橋殼為研究對象對其疲勞失效與壽命預測模型進行研究;楊彥超［3］、史永偉［4］、唐應時［5］分別對不同類型橋殼進行結構優化和改進;齊東東［6］、朱崢濤［7］分別通過有限元方法對驅動橋殼模型進行靜動力學分析;李啟元［8］則從虛擬樣機角度對汽車驅動橋橋殼CAD/CAE系統的建立進行研究。

綜合以上研究成果，本文中我們主要針對自卸車驅動橋殼設計過程中出現的橋殼繼承特性明顯，參數不確定程度較高等問題進行研究，具體的不確定程度較高參數為驅動車輪輪距、板簧座中心間距離、橋殼危險截面外徑與內徑，以上這些參數對后續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間傳播定理，對概念設計中自卸車驅動橋殼主要參數的求解范圍進行確定，并通過有限元方法對模型進行驗證。本文中我們所提出的方法對于降低企業針對橋殼概念設計工作量具有重要意義，具有較高的工程運用價值。

1自卸車驅動橋殼概念設計

1．1驅動橋殼概念設計理論構建為方便后續自卸車驅動橋殼進行概念設計，這里定義需求函數與偏好函數。需求函數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橋殼對應配套的主機廠提供的數據及性能指標確定，比如額定載荷、安全系數、每米變形量等。為了縮小設計空間，首先分解設計變量，將分解后的區間采用正交數組組合的方法設計子空間，然后通過空間映射方法從設計空間得到可能的性能空間，當可能的性能分布與需求的性能分布存在公共區域時，通過圖2中的曲線進行DPI計算，選取DPI最大值的實驗組合作為選定可行設計方案，DPI計算等式。

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

2設計空間縮小最優方案有限元驗證

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

3總結

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

參考文獻

［1］鄧先智．輪式裝載機驅動橋殼疲勞失效預測模型研究［J］．機械傳動，2014，38(7):145－148．

［2］米承繼，谷正氣，伍文廣，等．隨機載荷下礦用自卸車后橋殼疲勞壽命分析［J］．機械工程學報，2012，48(12):103－109．

［3］楊彥超，王鐵，張瑞亮．基于變截面的驅動橋殼結構優化［J］．機械傳動，2013，37(10):94－97．

［4］史永偉，李劍敏，項生田，等．輪式裝載機濕式驅動橋殼有限元分析及結構改進［J］．浙江理工大學學報，2010，27(3):431－435．

［5］唐應時，李立斌，何友朗，等．基于動力學仿真的后橋殼改進設計計算［J］．湖南大學學報:自然科學版，2006，33(4):42－45．

［6］齊東東，孫桓五，齊麗麗，等．基于ANSYS的載重貨車驅動橋殼的結構強度與模態分析［J］．機械傳動，2012，36(8):105－107．

［7］朱崢濤，丁成輝，吳浪，等．江鈴汽車驅動橋橋殼有限元分析［J］．汽車工程，2007，29(10):896－899．

［8］李啟元，殷國富，楊洋，等．基于虛擬樣機技術的汽車驅動橋橋殼CAD/CAE系統的建立與研究［J］．制造業自動化，2007，29(10):22－25．

作者：李萌 單位：無錫職業技術學院