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装订线安徽工业大学工商学院 毕业设计（论文）说明书摘 要钢包运输台车是炉外精炼中的一种必不可少的运输设备。为了满足安全快速的生产，钢包车的设计要求也越来越高。_本论文采用传统的经验分析方法对车架进行设计和强度校核，确定钢包运输台车基本方案的设计。本论文的主要工作是利用三维机械设计软件solidworks2012，对 120t钢包运输台车进行三维实体建模，并在一定的装配顺序下对实体模型进行计算机虚拟装配。结合钢包运输台车的使用情况，建立了有限元分析模型。根据钢包运输台车的工作状态模拟施加载荷和约束，采用ANSYS软件对台车车架进行有限元分析，最终得出钢包运输台车的应力和应变云图，确定了危险点和危险截面。在保证车架强度，提高材料利用率的前提下，利用ANSYS对车架进行优化设计。最后用实验研究的方法对设计后的车架进行检验。本文的研究不仅为车架的一般设计提供了参考和依据，解决了企业的实际问题，同时对车架的优化设计提供宇新的思路和可行的具体路线.为同类研究提供了良好的借鉴。关键词：钢包台车 有限元分析 优化设计AbstractThe ladle furnace buggy is one kind of essential transport vehicle outside the stove in the fining. In order to satisfy the safe fast production, the design request of ladle furnace buggy more and more is also high. In this paper first the design method of the traditional experience analyze is done, the design project of ladle furnance buggy is decided.The main work of this paper is use solidworks2012 to design three-dimensional entity of the ladle furnace buggy. Meanwhile along certain order assemble these parts. According to actual circumstance of the ladle furnace buggy,has established the finite element analysis model, exert the load and the restraint, uses finite element analysis software ANSYS to carry on the statie analysis to the frame, finally obtains the stress and the strain nephogram of the ladle furnace buggy, has determined the hazard point and the dangerous section.Finally experimental study is used to examinate the designed frame.All the studies in this paper not only offer some references and gists for the design of the frame , solved process actual problem of the factory,but also offer a new idea and some actually method, has provided beneficial trial to being similar to the design of the ladle furnace buggy.keywords ：ladle furnace buggy, finite element analysis,optimizationdesign 共 页 第 页 第一章总论1.1概述我国作为钢铁生产大国，目前正在积极采用工业自动化、薄板坯连铸连轧等先进钢铁生产技术，从而优化生产流程，提高钢材质量，增加经济效益。薄板坯连铸连轧技术是国际上80年代末，90年代初开发成功的生产热轧薄板的技术，因其建设投资少、生产周期短和效率高等优点而成为当今世界钢铁工业具有革命性的前沿技术。它集科学、技术和工程为一体，将热轧板卷的生产在一条短流程的生产线上完成。目前世界上比较成熟且有代表性的薄板坯连铸连轧技术有:MDH公司的ISP（Inline Strip Production）工艺、奥联钢的Conroll工艺以及MDH公司与美国ChaParrd公司共同开发的UTHS工艺。鞍山钢铁集团公司是一个老的国有企业，设备的陈旧与技术的落后长期制约鞍钢的发展。面临资金的不足，立足于企业自身的改造，采取“高起点、少投入、高回报”的方针，在原有连铸和炼钢设备的基础上，新投产了 1780热连轧机生产线生产精品钢来开拓市场。鞍山钢铁集团公司于 1998年投入使用了1780生产线，它的投产主要与第二炼钢厂的两台板坯连铸机相匹配，是以厚度为200250mm的大板坯为原料的连铸连轧短流程生产线。该生产线为了适应国际新技术的发展趋势，结合我国的国情，仿照当代国内外连铸和热轧带钢轧机生产领域中成熟、先进的薄板坯连铸连轧生产工艺来组织生产，取得了较好的效果。其产品的质量、成材率、能耗、劳动生产率、环保等各项技术经济指标达到国内领先水平。生产钢材的品种有汽车冷轧板、军工钢、电工钢、耐侯钢等特殊钢和各种普碳钢种。并且产品宽度和厚度规格也比较多，精度高，在市场上具有较强的竞争力，是一条优质、高产、多品种、低消耗、高效益的短流程生产线。 转炉生产出来的钢水经过后部精炼工序作为缓冲，精炼处理钢水的能力虽然大于转炉的生产能力，但不同的钢种要求的工艺路线不同，各精炼工位使用生产的条件也不相同。随着工业技术的不断进步，炼钢生产也不断发展，当今世界炼钢工艺都实现了100%炉外精炼和全连续化炉外精炼己成为生产优质钢和特殊钢不可缺少的工艺环节，在钢包车上进行LF炉外精炼即是其中之一。1.1.1 炉外精炼简介将转炉、平炉或电炉中初炼过的钢液移到另一个容器中进行精炼的炼钢过程，也叫“二次炼钢”。炼钢过程因此分为初炼和精炼两步进行。初炼：炉料在氧化性气氛的炉内进行熔化、脱磷、脱碳和主合金化。精炼：将初炼的钢液在真空、惰性气体或还原性气氛的容器中进行脱气、脱氧、脱硫，去除夹杂物和进行成分微调等。这样将炼钢分两步进行，可提高钢的质量，缩短冶炼时间，简化工艺过程并降低生产成本。 1933年法国佩兰（R.Perrin）应用专门配制的高碱度合成渣，在出钢的过程中，对钢液进行“渣洗脱硫”，这是炉外精炼技术的萌芽。1950年在联邦德国用钢液真空处理法脱除钢中的氢以防止“白点”。60年代末期以来，炉外精炼技术经过不断地发展，目前已有几十种方法应用于工业生产，逐步形成了炼钢工艺中的一个新分支。中国于1957年开始研究钢液真空处理法。建立了钢液脱气、真空铸锭装置，70年代建立了氩氧炉、钢包精炼炉和钢包喷粉装置等炉外精炼设备。 钢液的炉外精炼是把一般炼钢炉中要完成的精炼任务，如脱硫、脱氧、除气、去除非金属夹杂物、调整钢的成分和钢液温度等，炉外的“钢包”或者专用的容器中进行。这样就把原来的炼钢工艺分成两步进行： 第一，在一般炼钢炉中进行熔化和初炼，称为初炼炉； 第二，在钢包或专用的精炼容器中进行精炼。这些“钢包”或者专用的容器称为精炼炉。1.2 钢包车简介1.2.1 钢包车国内外研究现状随着冶炼工艺的改进与发展，现代炼钢已把炉前冶炼的大部分工作转移到二次精炼来完成。钢水二次精炼方法种类繁多，其中，以LF炉精炼应用最广泛。自1971年日本大同制钢公司成功研制出LF钢包以来，钢包炉在日本得到迅速发展。早先以精炼处理特殊钢为主，是一种以电弧加热、氢气搅拌和渣精炼为核心的钢包精炼炉生产技术。它既能提高电炉生产率，又能在炉外精炼方面显著提高钢水质量，加上设备简单，一次性投资小等优点，己在国外广泛应用。在我国，随着连铸比的大幅度提高，LF炉也迅速地发展起来。LF炉所处理的钢种儿乎涉及从特殊钢到普通钢的所有钢种。钢包运输台车是炉外精炼设备中的一种必不可少的运输工具。为了实现安全快速的生产，对钢包车的设计要求也越来越高。在国外，在科学研究和工业化应用方面，有限元分析方法己达到了较高的水平，许多大型的通用的软件相当成熟，不仅在科学研究中普遍采用，在工程上也达到了实用阶段。我国对于一般车架的设计及强度校核是依靠传统的经验和方法，即依靠经典的材料力学、弹性力学、结构力学的经验公式。传统的经验分析设计方法，具有简单易行的优点，目前在我国的车辆设计计算中仍起一定的作用。同时，该方法也有明显的不足，由于经验设计带有相当的盲目性，每次车架的设计改进都不会有明显的突破;而且设计周期长，使得车架的更新换代的速度比较慢，不能与现代化商品产竞争相适应。该方法也不能对车架结构的应力分布及刚度分布进行定量分析。因此，设计中不可避免的造成车架各部分强度分配不合理的现象。这样使得整个车架的设计成本提高，而且某些部位强度不足，容易引起事故:某些部位强度又过于富余，造成浪费，从而使车架达不到优化设计的目的。由于经验分析设计方法以上的不足，生产厂家迫切需要一种合理降低车架自重又能与市场竞争相适应的新的优化设计方法，来提高公司效益，提升产品档次。其中运用有限元法结合参数化建模，可实现车架结构的整体刚度和应力分析及优化设计。钢包台车新车型的车架结构设计一般是在原有车型车架结构的基础上，通过改进某些结构件的设计和布置而完成的。新车型的车架结构能否满足刚度及强度的基本要求，进行有限元分析是目前广泛采用的方法。有限元分析方法的优点是分析过程中不依赖于实物及样车试验，因此可以从设计初期就开始对设计进行分析、评价和优化。在有限元方法应用于钢包台车车架结构设计初期，由于计算机软、硬件条件的限制和工程技术人员分析经验的不足，计算结果及计算模型需要试验数据进行修正。进入了八十年代，伴随着计算机软、硬件的迅速发展和结构分析工程师们分析经验的积累和提高，车架结构计算机辅助分析的方法已不仅用于车架结构早期框架设计的各种约束条件下的拓扑和参数优化，还用于指导车架具体结构的确定及整车性能的模拟试验。计算机辅助分析已成为一种面向车架结构设计全过程的有力工具。1.2.2 钢包台车车架结构设计的基本方法近二十年来，随着大容量、高速度计算机的出现以及计算机辅助分析(CAD)技术在车架结构设计中开始广泛应用，使并行设计的方法在车架结构设计中得到充分体现和迅速发展，下面的流程图以结构分析为对象说明了整个钢包台车车架并行设计过程（图1）。图1 钢包台车车架结构设计流程1.2.3 钢包台车车架结构设计的新特点现代冶金工业的发展对钢包台车产品开发水平的要求愈来愈高，它要求整个车架具有足够的强度和刚度;同时要求缩短产品开发周期，降低费用，使开发的产品更具有竞争力。传统的钢包台车设计走的大多是经验设计的路子，即产品设计以生产技术中的经验数据为依据，运用一些附有经验常数的计算公式为主要方法，这样的设计由于缺乏准确的设计数据和科学的计算方法，使产品的结构安全系数取的偏大，所设计的零件过于笨重。随着计算机技术的发展，以CAD/CAE技术在提高产品质量和建立自主开发能力方面，对企业提供了极大的帮助随着计算机技术的飞速发展，CAE技术中一种新的结构数值模拟方法有限元分析正越来越广泛的应用于冶金车辆产品开发中。这种方法与传统的钢包台车车架结构设计方法相比较具有以下新特点:l)设计与分析并行;2)优化的思想在设计的各个阶段被引入;3)大量的虚拟试验代替实物实验。1.2.4工程分析(CAE)在车架结构设计中的应用计算机辅助工程(CAE)是一个很广的概念，从字面上讲它包括工程和制造业信息化的所有方面，但传统的以E主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性与可靠性。计算机辅助工程(CAE)在冶金车辆产品开发中的应用范围非常广泛，从早期的车架结构简单的静刚度、强度分析，发展到现在为了减轻车架重量在结构设计中大量应用计算机优化方法，已经形成了一套较为完整的设计方法与试验程序。如今，并行技术与计算机技术的结合则使CAE技术的前景变得更广阔。现代的车架结构设计中CAE方法已得到广泛的应用，CAE技术中的有限元分析方法在机械结构强度和刚度分析方面因具有较高的计算精度而得到普遍采用，特别是在材料应力应变的线性范围内更是如此。在结构设计中，车架是钢包台车中结构和受力都较复杂的部件，车架有限元分析的目的在于提高其承载能力和抗变形能力、减轻其自身重量并节省材料。另外，就整个钢包台车而言，当车架重量减轻后，整车重量也随之降低，从而改善整车的动力特性和经济性等性能。1.3 有限元的国内外技术概况和发展概况1.3.1 有限元的基本概念所谓有限元法 (Finite Elelnent Methed)就是关于连续体(连续结构)的一种离散化的数值计算方法，亦即在力学模型上近似的数值方法，它的基本思路是:假想地将连续体(连续结构)划分为有限个单元。这些单元都由具有一定自由度的节点相互连接而成矿这样，原来的连续体(连续结构)就变成为由有限个单元装配而成的离散结构，原有连续体的无限个自由度的问题就变为离散结构的有限个自由度的问题。结构有限元法一般选择简单的函数近似地表达单元内位移变化规律，利用力学推导建立单元的平衡方程式，再把所有单元的方程组集合成表示整个结构的力学特性的代数方程组，最后引入边界条件求解代数方程组而得到数值解。由此可见，有限元法是从力学模型上采用分块近似，这在数学上只须求解一系列线性代数方程组，从而避免了求解力学微分方程这一繁难的环节，宜于用计算机进行求解。有限元法的主要优点是物理概念清晰，容易理解和掌握，适用性强，应用范围广泛，许多复杂的工况和边界条件都可灵活地加以考虑。1.3.2 有限元的提出与发展从应用数学角度来看，有限元法基本思想的提出，可以追溯到四十年代的库朗(Courant)。在1943年，他第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合，来求解ST.Venant扭转问题。一些应用数学家、物理学家和工程师由于各种原因都涉足过有限单元的概念。但只是到1960年以后，随着计算机的广泛应用和发展，有限单元法的发展速度才显著加快。现代有限元法第一个成功的尝试，是将刚架位移法推广应用于弹性力学平面问题.这是Turner、Clough等人在分析飞机结构时于1956年得到的成果。他们第一次给出了用三角形单元求得平面应力问题的正确解答。三角形单元的单元特性是由弹性理论方程来确定的，采用的是直接刚度法。他们的研究工作打开了利用计算机求解复杂平面弹性问题的新局面。 1960年clough进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了“有限单元法”的名称，使人们开始认识了有限单元法的功效。二十多年来，、有限单元法的理论和应用都得到持续不断的发展。从确定单元特性和建立求解方程的理论基础和途径来说，正如上面提到的，Turner、Clough等人开始提出有限单元法是利用直接刚度法。它来源于结构分析的刚度法，这对我们明确有限单元法的一些物理概念是很有帮助的，但是它只能处理一些比较简单的实际问题。 1963一1964年，Besseling、Mloesh和Jones等人证明了有限单元法是基于变分原理的里兹 (Ritz)法的另一种形式，从而使里兹法分析的所有理论基础都使用于有限单元法，确认了有限单元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。利用变分原理建立有限元方程和经典里兹法的主要区别是有限单元法假设的近似函数不是在全求解域而是在单元上规定的，而且事先不要求满足任何边界条件，因此它可以用来处理很复杂的连续介质问题。从六十年代后期开始，进一步利用加权余量法来确定单元特性和建立有限元求解方程。有限单元法中所利用的主要是伽辽金 (Galerkin)法。它可以用于已经知道问题的微分方程和边界条件、但是变分的泛函尚未找到或者根本不存在的情况，因而进一步扩大了有限单元法的应用领域。 最近十几年，有限单元法的应用己由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学领域。在工程分析中的作用己从分析和校核扩展到优化设计并和计算机辅助设计技术相结合。可以预计，随着计算机技术的发展，有限单元法作为一个具有巩固理论基础和广泛应用效力的数值分析工具，必将在经济建设中发挥更大作用，其自身亦将得到进一步的发展和完善。1.4 静力学相关原理本文主要所运用到的主要是材料力学及理论力学中的相关内容。由于直接计算整个车架较为复杂，所以先要将其简化，由图2可以看出，钢包就是加在中间两根主梁上，所以可以简化成一根梁的静力分析。这样，不仅满足实际需要，而且计算也不会产生很大偏差，较为简便。图2 车架简易俯视图由受力分析可得车架梁受力时主要发生弯曲变形，故校核它的弯曲强度及刚度即可。由理论力学知识先算出梁两端的支撑反力，再由梁的截面形状计算其惯性矩，从而可得出抗弯界面模量。算出其各部分的剪力，作剪力图和弯矩图，便可找出危险截面，求出最大弯矩，代入公式计算强度。对于梁的强度校核，先要求出中性轴以下半个截面对中性轴的静矩s,代入公式根据第四强度理论便可对危险点进行强度校核。钢包运输台车的主梁承载处可以近似认为是集中作用于钢包座的中心处。根据公式可计算出扰度，求出其扰曲线方程，再计算最大扰度和跨度，与许用扰度作比较，看其是否在材料的许用扰度范围内。1.5 本课题研究的内容和意义1.5.1 本课题研究的内容本课题以120t钢包台车为例，运用有限元分析技术对钢包台车车架设计中的刚度、强度及结构优化进行了研究和探讨，内容包括以下几个方面:1.介绍了钢包台车车架结构设计的特点及趋势，将有限元分析技术应用于钢包台车车架结构的设计中，形成了以计算分析方法为主、试验方法为辅的设计思路。2.简要介绍了有限元的概念、原理及分析的基本思路，详细说明了有限元方法在车架设计中的步骤，并对分析软件中涉及到的单元作了详细的介绍。3.以钢包台车为具体分析对象，在钢包台车设计中，对车架结构载荷和约束进行模拟，对车架的刚度、强度进行了有限元分析，同时根据国标的有关规定，对钢包台车车架工况进行了实车试验，对计算结果和试验结果进行了对比分析，验证了有限元分析模型和分析方法。4.探讨了钢包台车车架设计中的优化方法，利用有限元分析技术对钢包台车车架进行了优化设计。优化设计的基本思路为:首先有针对性的选取车架结构件，进行车架性能分析，根据分析结果确定需要优化的结构件:然后选定目标函数和约束条件，对选取的结构件的参数进行优化设计。1.5.2 研究本课题的意义本课题来源于实际的工程项目。这在客观上说明了本课题研究的内容具有极高的实用价值及可行性。本课题研究的内容具有以下意义:1.本文研究的钢包台车车架设计中的有限元分析方法，对钢包台车车架的设计具有一定的参考和借鉴价值。2.本文运用了计算与试验相结合的方法，对钢包台车车架的刚度、强度进行了有限元分析，为以后钢包台车车架有限元分析积累了经验和数据，对以后相关的工作具有一定的参考价值。3.本文探讨了钢包台车车架设计中的优化方法和思路，对钢包台车车架结构优化提供了一种新的途径，对进一步的研究工作具有一定的指导意义。4.本课题的实施不仅能提高作者的设计技术和独立解决问题的能力，也能为结构设计人员积累现代设计方法的经验，提高建立钢包台车模型的水平。为减少产品开发时间、节省成本、提高设计水平作出有意义的尝试。装订线安徽工业大学工商学院 毕业设计（论文）说明书第2章 包车实体建模2.1 钢包车结构简介2.1.1 钢包台车的结构特点120t钢包运输台车是马钢炼钢厂的冶金专用车辆之一，该车的动力源为电机，电机将动力通过减速器、离合器和传动轴传送至车轮。其特点一是承载量大，总载质量为120t，自重超过20t;二是速度低，以30m/min的速度行走在平直的轨道上。钢包台车是LF炉的主要设备之一，它的作用是在两个工位之间运输钢包，LF炉钢包台车运输钢包从1#工位到2#工位进行加热、喂丝、炉底吹氢的操作。完毕之后再把钢包从2#工位运回到1#工位，用起重机吊走进行连铸操作。钢包台车在指定的轨道区域内作往复运动。钢包台车可以看作是LF炉的移动工作台，所以钢包台车的工作状态直接影响到LF炉的生产是否正常运行。2.1.2 钢包台车的组成 该120t钢包车主要由车架，驱动装置，钢包底座，润滑管路，电极调整平台和供电托架及部分构成。图2.1 钢包台车实物图2.1.3 钢包台车的主要技术参数钢包台车的主要技术参数如下:1.走行方式: 电动自行方式2.承载能力: 120t(包括耐火材料)3.台车自重: 20t4.走行速度: 30m/min5.外形尺寸：7180520022756.轨距：3400mm7.车轮组车轮直径：850mm车轮组车轮数量：4个8. 电动机功率：18.5kw型号：YZR225M8转速：721r/min9. 制动形式：电机反转制动10. 减速器型式：卧式中心距：750mm总速比：63.811. 荐用钢轨：50kg/m2.1.4 钢包台车车架的结构特点钢包台车的车架有两个左右对称的侧梁和主辅端梁组焊而成。两个侧梁是箱形焊接结构，是主要的承载部件。前后两个端梁起到连接作用。主动端梁侧设有电机座和减速机座，用来安装电机、减速机和制动器等制动装置。钢包台车的车架采用全钢焊接结构，钢板的材质为Q235。Q235钢，主要的力学性能如表2.1所示。表2.1 钢的部分物理性能和力学性能材料弹性模量E（Gpa）切变模量G（Gpa）泊松比屈服点s(Mpa)抗拉强度b（Mpa）Q235210800.3235375焊接方法为二氧化碳气体保护焊，焊丝为H08MnSiA。焊缝的强度稍高于母材的强度。这样车架采用连续焊缝焊接完毕以后可以近似认为整个车架是一个整体。2.2 钢包台车车架的静强度计算本文所研究的120t钢包运输台车车架主要由两个互相对称的侧梁和主辅端梁组成。由于钢包车两个钢包支座位于两个主梁的中部，所以两个主梁是最主要承载部件，也是本文所研究的主要对象。采用材料力学的方法，利用理论公式对侧梁的力学性质进行研究。2.2.1 梁截面承载能力的计算车辆承载120吨，自重20吨。如果计算梁的承载能力需减去两端支撑纵向梁的走行装配部分和接近开关等其它零件重量。车架的实际重量为：20-0.3487-0.24=19.4t 现在把自重及载重全部集中于车架纵向梁中间部分(钢包底座处)则每根纵向梁在钢包底座处载荷为：(120+19.4)/2=69.7t根据图2.1所示的钢包运输台车结构组成图中车架的主梁承载情况，对其进行简化，然后作剪力图和弯矩图。因为车架的两个主梁互相对称，所以只研究其中一个即可。其承受载荷如图2.2图2.2 车架简化成梁的受力图2.2.2 梁截面形状及几何特性的计算 梁截面形状如图2.3。图 2.3 梁的截面形状主梁截面的惯矩为 （式2-1）抗弯截面模量 （式2-2）2.2.3 主梁内力计算及剪力图和弯矩图按照图 2.1所示，以车架两端支撑轴为支点，距左端2600m处为钢包支座中心线位置。钢包支座在纵向尺寸为1440m的范围内均布载荷。如果考虑梁的载荷系数 1.1，则进行如下计算：1. 求支反力Ra、Rb （式2-3）由得 （式2-4）根据外力的分布，将梁分成三段来绘制QM图 (1) AB段： Q(X1)=Ra=375696（式2-5） M(X1)=Ra*X1=375696*X1(2)BC段：（式2-6）由（式2-7）当Q（）=0时，=2600mm 弯矩极值位于距A端2600mm的截面上，其值为(3) CD段 （式2-8）主梁的剪力图、弯矩图见图2.4图2.4 主梁的剪力图和弯矩图2.2.4 主梁的强度校核1. 正应力强度校核 （式2-9）中性轴以下半个截面对中性轴的静矩为 （式2-10）2. 剪应力强度校核 当mm时，即在c点处 （式2-11）根据第四强度理论对c点进行强度校核 (式2-12）所以通过理论计算得出结论，车架主梁的强度满足材料的许用强度。2.2.5 侧梁的刚度校核1.选取坐标轴以固定端的截面形心为坐标原点，选坐标系Axy如图2.5所示，钢包运输台车的侧梁承载处可以近似认为是集中力作用于钢包座的中心处。其中a=2600 b=2600 l=6500校核梁的刚度 2.根据公式计算扰度由材料力学可知支点A、B处的转角 （式2-13）扰曲线方程 （式2-14)计算最大扰度和跨度l=5200mm p=751392N 由公式得当x=l/2时 (式2-15）由设定所以梁的许用扰度为5.2mm，由上面的计算结果可得所以车架侧梁的最大工作扰度在材料的许用扰度范围内2.3 钢包车传动系统中轴的校核2.3.1 图2.5钢包车的传动系统2.3.1 轴的承受载荷根据轴的具体受载荷的情况，轴可以受弯矩时可以看成简支梁，在受扭矩时可以看成是悬臂梁。 图2.6轴受弯矩的受力简化图 图2.7轴受扭矩的简化图 电动机的型号为:YZR225M-8故功率为18.5KW，由于减速机和联轴器的连接传输使得最后输出轴的功率减小，其效率约为0.95.故输出扭矩 每个轮子承受的压力为4.753104N 水平方向的弯矩MH= 图2.8轴的扭矩图和弯矩图 由第三强度理论: （d=110mm）故此轴为安全。 轴的刚度校核计算轴的弯曲刚度以挠度或偏转角来度量；扭转刚度以扭转角来度量。轴的刚度校核计算通常是计算出轴在受载时变形量，并控制其不大于允许值。 2.根据公式计算扰度由材料力学可知支点A、B处的转角 （式2-16） 扰曲线方程 （0XL2） （式2-17)计算最大扰度和跨度l=328mm F=47530N 由公式得当x=l/2时 (式2-18）由设定 所以梁的许用扰度为0.656mm，由上面的计算结果可得 所以车架侧梁的最大工作扰度在材料的许用扰度范围内第三章车架及钢包的三维实体建模3.1 本课题使用的软件solidworks 2012本课题主要通过运用solidworks三维机械设计软件和ANSYS有限元分析软件实现课题的分析研究。3.1.1 solidworks三维设计软件简介3.1.1.1 概述SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起，总部位于马萨诸塞州的康克尔郡（Concord,Massachusetts）内，当初的目标是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统。从1995年推出第一套SolidWorks三维机械设计软件至今，至2010年已经拥有位于全球的办事处，并经由300家经销商在全球140个国家进行销售与分销该产品。1997年，Solidworks被法国达索（Dassault Systemes）公司收购，作为达索中端主流市场的主打品牌。SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。良好的财务状况和用户支持使得SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名；从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖，其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SolidWorks最佳编辑奖，以表彰SolidWorks的创新、活力和简明。至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场由于SolidWorks出色的技术和市场表现，不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象。终于在1997年由法国达索公司以三亿一千万美元的高额市值将SolidWorks全资并购。公司原来的风险投资商和股东，以一千三百万美元的风险投资，获得了高额的回报，创造了CAD行业的世界纪录。并购后的SolidWorks以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为CAD行业一家高素质的专业化公司，SolidWorks三维机械设计软件也成为达索企业中最具竞争力的CAD产品。由于使用了Windows OLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术，SolidWorks成为全球装机量最大、最好用的软件。资料显示，目前全球发放的SolidWorks软件使用许可约28万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。在教育市场上，每年来自全球4，300所教育机构的近145，000名学生通过SolidWorks的培训课程。据世界上著名的人才网站检索，与其它3D CAD系统相比，与SolidWorks相关的招聘广告比其它软件的总合还要多，这比较客观地说明了越来越多的工程师使用SolidWorks，越来越多的企业雇佣SolidWorks人才。据统计，全世界用户每年使用SolidWorks的时间已达5500万小时。在美国，包括麻省理工学院（MIT）、斯坦福大学等在内的著名大学已经把SolidWorks列为制造专业的必修课，国内的一些大学（教育机构）如清华大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、大连理工大学、北京理工大学、上海教育局等也在应用SolidWorks进行教学。3.1.1. 2 Solidworks软件特点Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点，使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。对于熟悉微软的Windows系统的用户，基本上就可以用SolidWorks 来搞设计了。SolidWorks独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。SolidWorks资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks ，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司Daratech所评论：“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。” 在强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。3.1.1.3SolidWorks的主要模块1.零件建模SolidWorks 提供了无与伦比的、基于特征的实体建模功能。通过拉伸、旋转、薄壁特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等操作来实现产品的设计。通过对特征和草图的动态修改，用拖拽的方式实现实时的设计修改。三维草图功能为扫描、放样生成三维草图路径，或为管道、电缆、线和管线生成路径。2.曲面建模通过带控制线的扫描、放样、填充以及拖动可控制的相切操作产生复杂的曲面。可以直观地对曲面进行修剪、延伸、倒角和缝合等曲面的操作。3.钣金设计SolidWorks 提供了顶尖的、全相关的钣金设计能力。可以直接使用各种类型的法兰、薄片等特征，正交切除、角处理以及边线切口等钣金操作变得非常容易。用户化SolidWorks 的API为用户提供了自由的、开放的、功能完整的开发工具。开发工具包括Microsoft Visual Basic for Applications (VBA)、Visual C+，以及其他支持OLE的开发程序。配置管理配置管理是SolidWorks软件体系结构中非常独特的一部分，它涉及到零件设计、装配设计和工程图。配置管理使得你能够在一个CAD文档中，通过对不同参数的变换和组合，派生出不同的零件或装配体。协同工作SolidWorks 提供了技术先进的工具，使得你通过互联网进行协同工作。通过eDrawings方便地共享CAD文件。eDrawings是一种极度压缩的、可通过电子邮件发送的、自行解压和浏览的特殊文件。通过三维托管网站展示生动的实体模型。三维托管网站是SolidWorks提供的一种服务，你可以在任何时间、任何地点，快速地查看产品结构。SolidWorks 支持Web目录，使得你将设计数据存放在互联网的文件夹中，就象存本地硬盘一样方便。用3D Meeting通过互联网实时地协同工作。3D Meeting是基于微软 NetMeeting的技术而开发的专门为SolidWorks设计人员提供的协同工作环境。装配设计在SolidWorks 中，当生成新零件时，你可以直接参考其他零件并保持这种参考关系。在装配的环境里，可以方便地设计和修改零部件。对于超过一万个零部件的大型装配体，SolidWorks 的性能得到极大的提高。SolidWorks 可以动态地查看装配体的所有运动，并且可以对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测。用智能零件技术自动完成重复设计。智能零件技术是一种崭新的技术，用来完成诸如将一个标准的螺栓装入螺孔中，而同时按照正确的顺序完成垫片和螺母的装配。镜像部件是SolidWorks 技术的巨大突破。镜像部件能产生基于已有零部件（包括具有派生关系或与其他零件具有关联关系的零件）的新的零部件。SolidWorks 用捕捉配合的智能化装配技术，来加快装配体的总体装配。智能化装配技术能够自动地捕捉并定义装配关系。工程图SolidWorks 提供了生成完整的、车间认可的详细工程图的工具。工程图是全相关的，当你修改图纸时，三维模型、各个视图、装配体都会自动更新。从三维模型中自动产生工程图，包括视图、尺寸和标注。增强了的详图操作和剖视图，包括生成剖中剖视图、部件的图层支持、熟悉的二维草图功能、以及详图中的属性管理员。使用RapidDraft技术，可以将工程图与三维零件和装配体脱离，进行单独操作，以加快工程图的操作，但保持与三维零件和装配体的全相关。用交替位置显示视图能够方便地显示零部件的不同的位置，以便了解运动的顺序。交替位置显示视图是专门为具有运动关系的装配体而设计的独特的工程图功能。3.2 钢包的三维实体建模本课题只对钢水对钢包底面和侧壁的液压力进行静力分析，故为了做有限元分析更加简洁方便，对钢包外壁形状如吊环处进行了简化。将其模拟成为一个桶盛水时的物理模型进行分析。具体的操作简介如下：1. 确定钢包的尺寸情况。其高为h=3113mm，孔直径为2000mm。外壁的拔模角为2.833度。2. 首先建立一个圆柱，选择成形特征为圆柱，选择其直径为3010mm，高度为503mm。再在其基础上选择圆台命令，依次构建剩余圆柱，一个桶形状大致成形。选择成形特征为孔，选择上顶面为放置面，输入尺寸值为直径2000mm，深度3113mm。3. 选择最底面处为基准面，进行草绘命令，画出呈半抛物线形状的封闭曲线，完成后进行旋转命令，至此钢包的底部建模完成。4. 移动动态wcs至侧面适当位置，绘制吊耳处形状，局部细节进行简化。5. 绘图完成后，由于可能存在人为误差或尺寸偏差引起的多个实体的情况，故需采取适当步骤查看。打开装配导航器，选侧模型选项，在下拉列表中可以查看所绘各个部分。如图3.1变为钢包的三维实体模型。图3.1 钢包的三维实体模型3.3 车架的三维实体建模为了保证全面准确地反映钢包运输台车车架的应力应变情况，同时使有限元模型得到简化，确定了下面建模原则:1) 对于明显不会影响车架本身整体强度、刚度的部位，如牵引钩、销孔、圆角等予以简化；2) 不考虑钢板焊接应力及焊缝型式的影响；本次分析的钢包车车架为钢架箱式结构，其侧梁和端梁焊成一体，成为一个整体结构。由于本次分析主要为车架结构分析，在满足分析要求的前提下，尽量使模型简化，以节省计算时间，所以在建立车架有限元模型时，忽略了一些小零件的作用，认为全部载荷由车架承受。此外，由于整车的结构复杂，对一些附属结构和工艺结构根据具体情况进行了以下简化:（1）略去承受载荷比较小，对结构变形影响也比较小的部件，如频敏变阻器，上盖板角钢，钢包座限制钢包支承轴左右移动的部分板结构，缓冲座等;（2）对部分部件进行简化，如纵梁与横梁连接处板结构的简化，部分减速器支板等。建模过程简介如下：（1） 选择成形特征为长方体，由cad图中尺寸可知尺寸为长为7180mm，宽为5200mm，高为505mm。后续建模将在这一成形基础上添加。（2） 选择草绘命令，选择长方体侧面为基准面，作出车架底部分侧面形状的曲线，完成后选择拉伸命令，选择布尔运算为求和，车架主体基本完成。（3） 选择成形特征为腔体，在车架左右对称处各挖一个长为2660mm，宽为1280mm的深孔。（4） 选择草绘命令，选择上顶面为基准面，绘制放置钢包位置处的图形曲线，完成后执行拉伸求差运算，即在中间处成一圆弧形孔。（5） 由于车架内部为空心额，所以对整个实体选择特征操作抽壳，选择厚度为18mm。（6） 通过镜像特征等操作，给实体各面间添加肋板，建模完成后，同样，打开装配导航器，点击模型，查看是否为一个完整