矿用顺槽无轨胶轮车的车架设计

目录第1章绪论311国内无轨胶轮车的技术现状与提高312国外无轨胶轮车的应用情况1013无轨胶轮车的应用前景11第2章无轨胶轮车介绍1221无轨运输在我国煤矿的应用1222无轨胶轮车的制动系统及其蓄能器1323无轨胶轮车的柴油机与变矩器匹配17第3章无轨胶轮车的车架结构1831总体方案设计1832现有无轨胶轮车车架的结构形式19第4章车架各零部件的三维建模2041UG三维设计软件简介2042焊接件1各零部件的三维建模22421侧板的三维建模过程22422垫片的三维建模过程23423上板的三维建模过程24424HAN11的三维建模过程26425HAN12三维建模过程27426HAN13三维建模过程2943焊接件2各零部件的三维建模31431HAN21三维建模过程31432HAN22三维建模过程3344焊接件3各零部件的三维建模36441HAN32三维建模过程36442HAN33三维建模过程37443HAN34三维建模过程39444HAN35三维建模过程4145焊接件4各零部件的三维建模42451HAN43三维建模过程42452HAN44三维建模过程43453HAN45三维建模过程45454HAN46三维建模过程4846焊接件6各零部件的三维建模51461HAN63的三维建模过程51462HAN64的三维建模过程53第5章车架总成的装配5551装配说明5552焊接件1的装配5653焊接件2的装配5954焊接件3的装配6155焊接件4的装配6456焊接件6的装配6757车架总成的装配68第6章车架结构的优化与分析6961现有车架的结构优化6962汽车车架支座及焊接接头的有限元分析71总结79致谢80参考文献81第1章绪论11国内无轨胶轮车的技术现状与提高从上世纪90年代，国内煤矿开始采用井下无轨胶轮车辅助运输，以神华冲东矿区为代表，从英国、美国、澳大利亚等国引进了防爆无轨胶轮车，成功地用无轨胶轮车辅助运输替代了传统的轨道运输系统和作业方式，这是煤矿井下辅助运输的一次革命。煤矿井下采用无轨胶轮车辅助运输，越来越显现出其方便快捷、安全高效的优势。近几年，随着我国煤炭事业的快速发展，防爆无轨胶轮车的研发制造也发展迅速。国产无轨胶轮车的发展，为我国煤矿的安全生产做出了贡献。一、我国防爆无轨胶轮车的现状近几年防爆无轨胶轮车势头迅猛，一批专业的和非专业的制造厂都在上马制造防爆无轨胶轮车。我国防爆无轨胶轮车的研发制造，学习和借鉴了一些国外的技术和经验，通过几年的使用实践，技术性能有所进步，但由于发展晚，缺乏科研技术力量，缺乏系统研发，缺乏配套部件、器件的生产使我国的无轨胶轮车的设计制造技术，仍处于发展阶段。目前我国防爆无孰车主要有3种类型。1改装型利用现有的地面民用运输车辆，进行防爆改装，用于煤矿井下。代表车型有WQC2J、WQC3J图12WR202J图11、WC3ZFB、WC3FB、WC20FB等材料车和FBZL16等装载车。丰要作为矿井运送材料、人受和铲装。人原材料车整体结构，两轮驱动，承载能力23T，载员1220人，发动机功率4565KW。图11WR202J人员运输车图12WQC3J材料车2开发型借鉴国外防爆胶轮车车型机构，根据中国国情，自行开发设计制造。代表车型有WCQ一3B等。WCQ3B车型具有自卸功能，两段中央铰接结构，4轮驱动，工程车辆车设计，承载能力3T，载员20人，发动机功率50KW图13。图13WCQ3B工程自卸车3仿制型仿照国外防爆胶轮车基本原型，消化、吸收、制造，并有所改变。代表车型有WC一40Y支架搬运车及WC型材料车等。WC一40Y支架搬承载能力40T图14。WC材料车具有自卸功能，两段中央铰接结构，发动机功率6585KW。图14WC40Y支架搬运车二、我国防爆无轨胶轮车与国外同类型防爆胶轮车技术性能比较下面，就国产防爆腔轮车与国外同类型的技术参数做以对照比较人员材料车技术参数比较见表11。从表11中我们可以看到，国外产品的主要特点有1总功率配臀较大；2变速方式普遍采液力变矩器，液力变速；3采用四轮驱动方式，并采用手动载入自动脱离技术；4紧急制动作用于驱动轮；5驱动桥采用行星轮边减速；6采用重型特制底盘。见图15、图16；7减震性能优越。图15整体刚性纵向底盘图16特制无缝冷轧方钢底盘表11人员材料车主要技术参数比较表表12支架搬运车主要技术参数比较表从表12我们可以看出，国产的框架式支架搬运车的功率配置、行走系统液压泵配置、行走马达的配置都高于国外设备，特别是行走选用了高速变量达，并采用了DA技术，使功率更加匹配，调速性能更加优越。但是，还要进一步提高和改进，不断完善车辆性能。三、我国防爆无轨胶轮车的技术提高我国无轨胶轮车的研发制造技术，近几年有了很大的提高和进步，总体来看，还需要大幅度的提高和改进。1下大气力，深入系统研究防爆无轨胶轮车是用于煤矿井下的一种特殊的专用运输车辆，胶轮车的技术是一个系统工程，需要全方位进行专业研究。动力系统，防爆系统，进、排气系统，传动系统，驱动方式，制动系统，启动系统，保护系统，照明系统等，作到相互匹配合理，设计制造出适应煤矿井下的、性能优良的车辆。2提高关键部件的可靠性部件的可靠性，是整车可靠性的基础，没有部件的可靠性，整车的可靠性只能是一句空话。提高柴油发动机、变速箱、车桥、底盘等关键部件的可靠性，改变目前故障率高，服务寿命短的现状，使其服务寿命提高35年，从而提高整车的服务寿命。3提高主要部件的性能发电机、起动机、监测监控装置、灯光、信号装置、蓄电池等部件的性能要进一步提高，要研发技术特性优良，运行可靠，服务寿命长的产品，减少车辆的日常维护量，降低运行费用，降低用户生产成本。4研究进排气系统和尾气处理要深入研究进排气系统，降低防爆功率损耗，降低油耗，提高发动机的出力。探索尾气处理的新方法，降低尾气有害成分的排放量，消除尾气处理容易造成防爆栅堵塞和清洗困难的现状。5推广使用先进技术，提高车辆性能要学习借鉴国内外运输车辆的成熟经验和先进技术，提高防爆胶轮车的整车性能。1提高发动机的输出功率，降低尾气污染。采用增压发动机，研究防爆电喷发动机。增压进气系统是用不同的方法去增大发动机进气歧管的空气压力，使单位时间内用更多的空气进入气缸，加大单位时间、单位容积内的氧气含量，使燃油充分燃烧，从而提高发动机输出功率，并同时起到节能和减少废气排放污染的作用。现在流行的增压装置有涡轮增压器和机械增压器。近几年研究的机械增压器，利用发动机的输出轴带动增压泵，整体结构简单、高效，从而改善了涡轮增压器固有的缺陷。2采用液力变矩、液力变速，提高传动系统的稳定可靠性，提高车辆重载工况的适应能力。3采用液压系统负载传感式液压动力载人系统，降低驱动功率的无效功耗。4工作制动、驻车制动、紧急制动采用三合一液压湿压制动系统，制动作用于车轮，确保制动系统安全可靠。5采用四轮驱动，充分发挥发动机功率，提高车辆爬坡能力和道路的适应能力。6生产标准化，产品系统化，功能多样化，部件模块化。12国外无轨胶轮车的应用情况早在20世纪50年代初，北美的金矿开始使用无轨胶轮车。1959年英国率先在煤矿井下使用防爆柴油机无轨胶轮车。到70年代初，美国煤矿也开始使用它作为井下回采工作面煤炭、材料以及人员的运输设备。尤其在综采工作面搬家上显示出强大的威力。如美国英格索兰公司研制的蓄电池支架运输车，目前已在美国煤炭工业中使用了多台。美国布莱克维号井曾利用这种运输车创纪录的搬完一个工作面液压支架。目前，世界许多先进采煤国家都大量生产和使用矿用无轨胶轮车。无轨胶轮车性能可靠、运输效率高，可保证矿井的高产高效及安全生产，并获得极佳的经济效益。现在，美、澳、南非都有上千台无轨胶轮车在煤矿井下工作，西欧、前苏联近年来都在研制发展这种运输设备。著名的英国赛尔比、前苏联多尔然等新建大型矿井都采用了无轨胶轮车。随着长壁综采重型设备的发展，美国研制了蓄电池无轨胶轮车用于运输，英国也研制出了各种型号的柴油机支架运输无轨胶轮车，其主要动力为防爆低污染柴油机。无轨运输设备按动力装置分为柴油机胶轮车、蓄电池胶轮车和拖电缆胶轮车。近年来，国外在无轨车辆及其技术方面不断开发和完善中，重载、多用途柴油机和徐电车胶轮车的牵引动力发展，趋向于采用对巷道空气污染小而功率交大的蓄电池组。13无轨胶轮车的应用前景顺槽用无轨胶轮车的应用不仅极大地提高了矿井的生产能力和运输效率，而且也为安全生产提供了保障。首先，顺槽用无轨胶轮化运输大大降低了工人的劳动强度，提高了生产效率。工人乘坐顺槽无轨胶轮车上下班，大大缩减了路途时间，从而能有充足的精力投入生产。其次，简化了辅助运输环节，减少了事故点，提高了工效和安全性。第三，为综采工作面快速搬家创造了优越的条件。通过几年来的实践，神东公司已总结出利用顺槽用无轨胶轮车搬家的新办法，6000余吨重的无轨胶轮车在大型立井中实现从井底至采区工作面的人员、材料和设备的直达运输，在综采工作面内利用支架搬运车进行设备的搬家、安装调整和拆卸。这必将大幅度提高高产高效矿井辅助运输效率。随着我国煤炭行业对辅助运输的落后局面制约煤炭生产的认识逐步提高和重视，以及对无轨胶轮车所独有的种种优点的加深了解，相信我国煤矿辅助运输顺槽无轨胶轮车的发展，有望出现一个新的高潮。整套综采设备，通过支架搬运车、无轨胶轮车的综合配套高效装运，从设备回撤、运输、安装及新工作面的调试等，仅需7天可以完成，并使搬家过程的安全系数大为提高。顺槽用无轨胶轮车在神东和兖州等矿区的成功应用充分证明它是一种高效、快速、安全的辅助运输设备，在我国具有广阔的应用前景。第2章无轨胶轮车介绍21无轨运输在我国煤矿的应用辅助运输是指除了煤炭运输以外的材料、设备及人员运输的统称，无轨运输在我国是一种新的辅助运输方式。在国外，如澳大利亚及一些欧州国家应用辅助运输很多年，积累了许多成功的经验。无轨运输具有转载环节少、使用灵活、爬坡能力大、机动灵活和一机多用的特点，另外不受轨道限制，投资费用低，减人提效。无轨运输特别适用于煤层赋存浅、顶底板条件好、倾角不大的近水平煤层矿井。这种车辆可以从地面到采区直接运送人员、材料及设备。在我国山西、陕西、内蒙等地，无轨运输有着很好的发展前景。我国大同矿务局在80年代中期引进了澳大利亚诺依斯公司的支架运输车，英国埃姆科公司的多用途铲车；90年代初期，潞安矿务局引进了英国埃姆科公司880型无轨胶轮车；90年代中期，神东公司大柳塔矿和活鸡兔矿引进了英国埃姆科公司913HLD型无轨胶轮铲车和人车，矿井全部无轨化。90年代末期，兖矿集团济三煤矿也从国外引进了15台无轨胶轮车，成功地解决了立井使用胶轮车的难题，为我国立井开采使用胶轮车树立了一个成功的典范。应用表明1应用无轨胶轮车，实现了单一化的一条龙辅助运输，运输线路简单，大大减少了运输转载环节，提高了工作效率；2大量减少辅助工和电机车、调度绞车等设备费用；3工作面安装、搬家工期短，减少了停产时间，经济效益显著。但进口胶轮车价格昂贵，每台胶轮车需150300万元人民币。因此迫切需要研制适合我国国情、价格低廉的无轨胶轮车。从80年代中期开始，我国相继研制成功了DZY一16支架运输车、WY一20胶轮运输车、TY3061FB轻型自卸胶轮车、TY620FB中型客货胶轮车、FB一950型防爆三轮运输车。这些胶轮车在山西、陕西等地煤矿应用效果良好，取得了较好的社会效益和经济效益。由于受国内防爆动力限制，国内研制的胶轮车大多功率偏小。无轨胶轮车动力有防爆低污染柴油机、蓄电池和拖电缆式3种。从目前国内应用的机型来看，都是以防爆低污染柴油机为动力。22无轨胶轮车的制动系统及其蓄能器1制动系统简介井下无轨车辆一般是在井下采区及巷道内工作的，工作环境比较恶劣。为工作安全，人们对无轨车辆的制动系统及制动器格外重视，并先后开发了多种制动器，目前应用较广泛、技术较先进、性能更可靠的制动器及制动系统有如下几种（1）LCB制动器及制动系统。LCB制动器是多盘湿式制动器的一种，又称液体冷却制动器，是一种由液压力实施制动，无压时由弹簧力复位的制动器，其液压系统如图21所示。图21LCB制动器液压系统由图21可见，该系统中有两个重要的阀充液阀和脚踏制动阀，充液阀的作用是优先给蓄能器回路供油，并将该回路的压力保持在所设定的工作范围内，使制动时有充足的液压力供给，保持行车制动安全可靠。待该系统回路的压力足够高时，充液阀自动换位，主泵向二次回路供油。脚踏制动阀的作用主要是控制前后桥制动器，是实施制动与解除制动的直接实施者，它可以控制制动力的大小。数次制动后，充液回路及蓄能器内的油液减少，压力下降，待压力下降至所设定的下限工作压力时所设下限工作压力略高于制动器下限工作油压，充液阀在弹簧力作用下换位，液压泵恢复向充液回路及蓄能器供油，直到达到充液的上限压力为止。如此，该回路又可在需要时及时地为车辆实施制动。（2）POSISTOP制动器及制动系统。POSISTOP制动液压系统应用于由液压解锁弹簧制动的全封闭多盘湿式制动器，该制动器是世界上目前最为先进的制动器，集停车制动、紧急制动、工作制动于一体，三者合一，改变了以往车辆需另配置停车制动器的状况，使车辆结构简化，,该制动器的全封闭整体结构，使制动性能不受外界泥水的影响，制动性能稳定可靠，广受欢迎，特别是美国克拉克公司生产的驱动桥都装有这种制动器，其工作机理是弹簧制动液压解锁，如果制动系统的任何部位失效使液压力损失，制动器都会立即制动，安全可靠。该制动器是一种失效保安型，极具实际应用价值。其液压系统回路如图22所示。图22POSISTOP制动器液压系统如图22所示，该制动系统与LCB制动系统有所不同，所应用的元件有充液阀、蓄能器、电磁换向阀、梭阀、手动泵、脚踏制动阀等，图示的位置，车辆是制动的。当车辆起动时，电磁阀换向，来自液压泵的高压油经充液阀、蓄能器、电磁阀、梭阀、脚踏制动阀进入驱动桥的制动器，顶开制动器弹簧，制动解除，车辆能够运行。当需要制动时，须踏下脚踏制动阀，制动阀接通回油箱回路，制动器内的油液经制动阀返回油箱，制动器在弹簧力的作用下压紧动静盘，使车辆制动，车辆不能行走。当车辆的动力源如发动机有故障或液压系统有泄露，油压不足，车辆也被制动。为使车辆被拖动，必须使用手动泵或由北京矿冶研究总院最近研制的ZSQ型弹簧制动松闸器为制动器输油，才能重新顶开制动弹簧，解除制动。2制动系统蓄能器选用公式的推导计算21制动过程分析及公式推导LCB制动系统和POSISTOP制动系统是比较先进的制动系统，在国外，得到了广泛应用，被应用到不同的井下车辆上，如井下自卸汽车、井下运人车、铲运机和其它辅助车辆上。国内的科研机构和厂家在研制井下车辆时也多采用这两种制动结构。在图1、图2中可看到，液压泵给制动回路充液并不是连续的，而是间断的，当蓄能器的压力低于105MPA时，液压泵就向蓄能器供应高压油，当蓄能器的油压超过133MPA时，即达到所设定的压力时，充液阀换位，充液停止，蓄能器内的油压始终稳定在105133MPA，保持制动油压充足。制动系统的制动液压油由蓄能器供给，当需要制动时，即使在特殊状态下，如发动机一旦熄火，或充液阀前任一管路破裂，系统也能制动，要求蓄能器需有一定的容量，保证蓄能器能够独立提供进行37次有效制动油液。显然，蓄能器的容量是关键参数，在设计中必须选择正确。在制动过程中，车辆每制动一次，蓄能器就释放一定的油量，其内部油压发生变化，气体质量不变，温度不变，所以可用定量等温的气态方程描述。由定量等温的气态方程得出当充入油量V1时P0V0P1V0V1，V1V0P0V0/P121当充入油量V2时P0V0P2V0V2,V2V0P0V0/P222全部制动油液量VXV2V1（P0/P1P0/P2）V0，得V0P1P2VX/P0P2P1P1VX/P01P1/P223式中，V0蓄能器容积，L；V1最低工作压力时，进入蓄能器的油液量，L；V2最高工作压力时，进入蓄能器的油液量，L；P0充气压力，MPA；P1最低工作压力，MPA；P2最高工作压力，MPA；VX全部制动油液量，L，VXV2V1。所以，应用式23可求出蓄能器的容量，在设计中选择正确容量的蓄能器。22实例计算某车辆为前后桥驱动，即4轮驱动，4制动器制动，在进行车辆液压系统改造中，要求选择适当的蓄能器，可独立供应进行至少3次有效制动的油量，求蓄能器的容量。其中，蓄能器充气压力P084MPA；最低工作压力P1105MPA；最高工作压力P2133MPA；每个制动器的排量Q399ML。解4个制动器分别进行3次制动所需油量为VXQ433994304788L将P0,P1,P2,VX代入式3得，V0105/841105/133047882843L结合蓄能器标准,该制动系统可选用3个1L或者2个16L的蓄能器，方能满足使用要求。结论我们在研制井下无轨车辆时，基本采用了POSISTOP制动系统，在选择制动系统中的蓄能器的容量时，基本按照上述式子设计计算。所研制的车辆的制动性能明显地稳定可靠，安全性大大提高，整机性能明显改善，已应用于矿山，使用多年，没有出现过制动失灵等现象。所研制车辆的制动系统达到国际先进水平，制动系统及其蓄能器的设计选用是合理的成功的。23无轨胶轮车的柴油机与变矩器匹配液力变矩器自从上世纪年代开始在轮胎式装载机上使用以后，不但使得装载机插入料堆平稳，工作速度加快，而且在铲取物料的过程中，还不会因插入阻力增大而使发动机熄火，从而极大地推动了装载机的应用和发展。近年来，随着国内煤矿井下柴油机车的推广应用，液力变矩器也越来越多地应用在煤矿井下柴油机车的传动系统中，并显示出了它的优越性，如起步平稳，自动变速，不会使发动机因超载而熄火，并能减缓传动系统的冲击而使操作平稳、工作可靠。由于液力变矩器具有以上诸多优点，因此，在设计TY6/20FB型井下防爆低污染中型客货胶轮车时也采用了液力机械传动。设计任何一种井下辅助运输车辆，当选定了发动机后，不是任选一种变矩器都能很好地适用该发动机的匹配关系的。众所周知，煤矿井下胶轮车选用的防爆柴油机的速度特性曲线包括外特性和调速特性两部分。外特性段近似于二次曲线，调速特性段近似于直线。而液力变矩器的输入特性曲线则是一束负荷抛物线。匹配设计时，应使变矩器在传动比（为最高效率时的传动比）的低、中速工况时的负荷抛物线与发动机外特性曲线中的曲线相交在额定扭矩点的左方，如图23所示，这样才可使胶轮车的主要工作范围处于发动机的稳定运转区域，因而使发动机油耗下降、运行特性平稳、经济性提高、磨损减小。若变矩器在工况时的负荷抛物线与发动机外特性曲线相交于发动机最大功率对应的点附近，则既能充分利用发动机的功率，又可使变矩器在高效率区段工作，因而发热少，能充分发挥发动机功率。在变矩器制动工况时，即时的负荷抛物线与线相交于外特性区段最大扭矩点时，胶轮车具有较大的起步力矩和一定的超载能力。所以发动机与液力变矩器匹配计算的意义重大。图23发动机变矩器共同工作输入特性曲线第3章无轨胶轮车的车架结构31总体方案设计此次车架结构设计工作主要分为实际测绘阶段、三维建模阶段、理论分析与优化阶段、二维出图阶段等四部分内容，通过上述过程实现对现有车架结构的优化设计工作，以利于山东达润汽车有限公司对矿用无轨胶轮车的研发与生产工作。在实际测绘过程中采用精密的测绘工具，并通过多次测绘取平均值的方法降低测绘过程中的误差，提高测绘精度，使各零部件的数据更为接近实际情况。三维建模阶段，采用UG三维设计软件，合理分配个零部件的树关系，建立实体模型，并最终形成无轨胶轮车车架总成。理论分析与优化阶段，此阶段是本次课程设计的难点，在此次优化过程中要重点分析无轨胶轮车车架各零部件的结构合理性与不合理性，并提出相应的优化设计方案，以供山东达润汽车有限公司技术部相关人员参阅，利于对矿用无轨胶轮车车的研发和生产工作。二维出图阶段是对已生成的三维实体模型抽出二维图纸，并利用ATUOCAD绘图软件修正相关图形、尺寸，图纸最终要达到下发生产的要求。32现有无轨胶轮车车架的结构形式此次测绘的无轨胶轮车车架采用边梁式车架，车架的主要结构成左右对称，由两根相互平行的主梁、4根横梁和2块腹板焊接在一起构成复杂空间结构。主梁采用400MMX200MM方钢作为原材料，经切割加工而成，横梁采用150MMX150MM方钢加工而成，横梁两端均与主梁用脚焊法焊接，梁主梁后方各有一个链轮箱用以安装主动链轮作为无轨胶轮车的动力端，其三维实体模型如图31，图32图31现有无轨胶轮车车架总成（1）图32现有无轨胶轮车车架总成（2）第4章车架各零部件的三维建模41UG三维设计软件简介UGIGRAPHICS（简称UG）是一个交互式的CAD/CAM/CAE系统。CAD功能实现了目前制造行业中常规的工程技术、设计和绘图功能的自动化。CAM功能则为使用UG设计模型描绘部分的现代机器工具提供了NC编程技术。利用它强大的混合式绘图结构，用户就可以方便地绘制出复杂的实体以及造型特征。UG以丰富的模块、强大的功能广泛应用于航空航天、军工、船舶、汽车、家电、电子、机械、玩具等行业。它可以用于产品造型设计、结构设计、零件装配设计、钣金设计、模具设计、数控编程、设计分析等产品研发领域。近年来，UG以其迅猛的发展速度，用户遍布各行各业，已被中国航天航空、汽车、机械、家用电器等部门的首选软件。UG拥有丰富的应用模块，主要包括如下几种（1）基本环境提供了所有应用模块所共有的常规工具。（2）建模用户设计产品的几何结构。将基于约束的特征建模和显示几何建模方法无缝地结和起来。提供强劲的“复合建模”工具，将实体建模、曲面建模、线框建模、显示几何建模于参数化建模合于一体。（3）装配包括构建部件装配的工具。基于WEVE技术，能够建立局部的部件间关系。提供了并行、自上而下和自下而上的场频开发方法。（4）外观造型提供了针对“行业设计”应用模块而特别创建的设计工具，用于建立复杂的曲面形状。（5）制图用于创建和维护模型图纸。快速获得与三维实体模型完全相关的二维工程图。（6）加工用于铣钻车床和线切割等交互式编程和后处理。（7）机器构建器创建和用于集成的仿真和验证机床。（8）高级仿真提供有限元素建模和结果可视化的综合工具，专门用来满足专业分析的需求。（9）设计仿真提供了有限元素建模和结果的工具，专门用来执行初始设计的验证研究。（10）运动仿真用于运动仿真，是一种提供了仿真和评估机械系统位移复杂运动的工具。（11）NX钣金提供了设计直行制动器钣金部件的工具。（12）航空钣金提供了机身中最常见的钣金部件类型的设计工具。（13）成形、平整用于更改钣金特征的成形、未成形状态。（14）柔性印刷电路设计提供了设计柔性印刷电路的工具。（15）电气管线布置用于电气线管布置，提供了定义电力、信号、设置等的布线装配和线束等。（16）机械管线布置用于定义3D机械系统（如管线布置、管道和连接件）。（17）逻辑管线布置用于2D图表（PID工艺和仪器绘制图表）定义逻辑系统。（18）船舶设计提供了包括从概念设计、结构钢规划、详细装配和组建建模一直到每个图纸生产的信息等。（19）注塑模向导提供了设计塑料注射模具和其他类型模具的工具，包括工程图的自动操作和管理。（20）级进模向导提供了设计级进模的一系列工具。可将扁平调料变换成3D部件。（21）电极设计用于需要将电子放电加工（EDM）的项目进行电极设计。（22）PMI应用注释工具在3D环境中记录产品文档。（23）知识融合将工程知识驱动的规则和设计意图应用于几何模型和装配的第一个零部件。在本章节中，我们主要用到了UG软件的三维建模功能。42焊接件1各零部件的三维建模421侧板的三维建模过程第一步，通过测绘所得数据绘制草图，如图41。图41侧板草图第二步，拉伸草图至侧板厚度，如图42。图42侧板拉伸图总体建模过程，如图43。图43422垫片的三维建模过程第一步，根据测绘所得数据绘制垫片草图，如图44。图44垫片草图第二步，拉伸草图至垫片厚度20MM，如图45。图45垫片拉伸图总体建模过程，如图46。图46423上板的三维建模过程第一步，根据测绘所得数据绘制上板的草图，如图47。图47上板草图第二步，将草图拉伸13MM至所需厚度，如图48。图48上板拉伸图第三步，选择螺纹命令，打螺纹孔，如图49。图49打螺纹孔总体建模情况如图410图410总体建模情况424HAN11的三维建模过程第一步，根据测绘数据绘制HAN11草图，如图411。图411HAN11草图第二步，拉伸草图至所需尺寸，如图412。图412HAN11拉伸图HAN11总体建模过程如图413图413HAN11总体建模过程425HAN12三维建模过程第一步，根据测绘所得尺寸，绘制HAN12草图，如图414。图414HAN12草图第二步，选择腔体命令，打四方孔，如图415。图415打四方孔第三步，选择倒圆角命令，倒四方孔圆角，如图416。图416倒圆角第四步，选择草图命令和布尔运算，切去一端三角，如图417图417切去一端三角第五步，选择倒圆角命令，倒中间圆角，如图418。图418倒圆角总体建模过程如图419图419总体建模过程426HAN13三维建模过程第一步，根据测绘数据绘制HAN13的草图，如图420。图420HAN13草图第二步，拉伸草图至相关尺寸，如图421。图421HAN13拉伸图第三步，绘制草图并利用布尔运算命令，切去一端三角，如图422。图422切一端三角第四步，选择倒圆角命令，倒中间圆角，如图423。图423倒中间圆角总体建模过程如图424图424总体建模过程43焊接件2各零部件的三维建模431HAN21三维建模过程第一步，根据测绘所得数据，点击长方体命令，建立长方体如图425。图425建立长方体第二步，点击基准平面命令，在据长方体一边25MM处建立一基准平面，如图426。图426插入基准平面第三步，根据测绘所得数据，在长方体上打4个12MM的通孔，如图427图427打12MM通孔整体建模过程如图428。图428整体建模过程432HAN22三维建模过程第一步，根据测绘所得尺寸绘制草图，如图429。图429HAN22草图第二步，将草图拉伸13MM至所需尺寸，如图430。图430HAN22拉伸图第三步，点击基准平面命令，建立两基准平面，如图431。图431建立基准平面第四步，点击孔命令，在相应位置打16MM的通孔，如图432。图432打16MM的通孔第五步，点击阵列命令，复制16MM的通孔到相应位置，如图433。图433复制16MM的通孔第六步，点击键槽命令，在板上打两个键槽通孔，如图434。图434打键槽通孔第七步，点击阵列命令，复制键槽通孔至相应位置，如图435。图435复制键槽通孔整体建模过程如图436。图436整体建模过程44焊接件3各零部件的三维建模441HAN32三维建模过程第一步，点击长方体命令，创建所需长方体，如图437。图437创建长方体第二步，点击基准平面命令，创建基准平面，如图438。图438创建基准平面第三步，点击键槽命令，在板上打连个键槽通孔，如图439。图439打键槽通孔第四步，绘制草图，并采用布尔运算，剪去板上半圆，如图440。图440剪去板上半圆总体建模过程如图441图441总体建模过程442HAN33三维建模过程第一步，根据测绘所得数据，绘制草图，如图442。图442HAN33草图第二步，点击拉伸命令，将草图拉伸13MM，如图443。图443拉伸图总体建模过程如图444图444总体建模过程443HAN34三维建模过程第一步，点击长方体命令，创建长方体，如图445。图445创建长方体第二步，点击基准平面命令，创建基准平面，如图446。图446创建基准平面第三步，点击孔命令，创建13MM通孔，如图447。图447创建13MM通孔第四步，点击镜像命令，以第二步创建的基准平面为镜像平面镜像13MM通孔，如图448。图448镜像13MM通孔总体创建过程如图449图449总体建模过程444HAN35三维建模过程第一步，根据测绘所得尺寸，点击长方体命令，创建长方体，如图450。图450创建长方体第二步，点击孔命令，在创建的长方体上打两个14MM通孔，如图451。图451打14MM通孔总体建模过程如图452图452总体建模过程45焊接件4各零部件的三维建模451HAN43三维建模过程第一步，根据测绘所得尺寸绘制草图，如图453。图453HAN43草图第二步，点击拉伸命令，将草图拉伸至相应尺寸，如图454。图454草图拉伸总体建模过程如图455图455总体建模过程452HAN44三维建模过程第一步，根据测绘所得尺寸，绘制草图，如图456。图456绘制草图第二步，拉伸草图10MM厚，如图457。图457草图拉伸第三步，点击孔命令，在板上打240MM通孔，如图458。图458打240MM通孔总体建模过程如图459图459总体建模过程453HAN45三维建模过程第一步，点击长方体命令，创建长方体，如图460。图460创建长方体第二步，点击基准平面命令，创建2个基准平面，如图461。图461创建2个基准平面第三步，点击键槽命令，创建键槽，如图462。图462创建键槽第四步，点击孔命令，打6MM通孔，如图463。图463打6MM通孔第五步，点击螺纹命令，对第四步的孔进行攻螺纹，如图464。图464攻螺纹第六步，选择镜像命令，对螺纹孔进行镜像，如图465。图465镜像螺纹孔总体建模过程如图466图466总体建模过程454HAN46三维建模过程第一步，点击圆柱命令，创建圆柱体，如图467。图467创建圆柱体第二步，点击基准平面命令，创建基准平面，如图468。图468创建基准平面第三步，点击孔命令，打165MM孔，如图469。图469打165MM孔第四步，点击螺纹命令，对165MM孔攻螺纹，如图470。图470攻螺纹第五步，点击孔命令，对圆柱体打阶梯孔，如图471。图471打阶梯孔第六步，点击环形阵列命令，对18MM螺纹孔做阵列，如图472图472阵列螺纹孔总体建模过程如图473图473总体建模过程46焊接件6各零部件的三维建模在焊接件6的建模过程中，由于有几个零件是与焊接件4的零部件完全相同的，所以在此不再陈述相同零部件的三维建模过程，仅将不同的零部件的三维建模过程叙述如下461HAN63的三维建模过程第一步，根据测绘所得尺寸，绘制草图，如图474。图474绘制草图第二步，拉伸草图至10MM厚，如图475。图475拉伸草图整体建模过程如图476。图476整体建模过程462HAN64的三维建模过程第一步，根据测绘所得尺寸，绘制草图，如图477。图477绘制草图第二步，拉伸草图至10MM厚，如图478。图478拉伸草图第三步，点击孔命令，打240MM通孔，如图479。图479打240MM通孔总体建模过程如图480图480总体建模过程第5章车架总成的装配51装配说明在本章节中我们主要应用了UG的装配功能，UG的装配功能包括构建部件装配的工具。基于WEVE技术，能够建立局部的部件间关系。提供了并行、自上而下和自下而上的场频开发方法。在进行部件的装配之前首先要建立一个空的文件，然后按照并行、自上而下或自下而上等方法逐步添加零部件，并选择合适的配合方式，使各零部件之间建立位置关系，最终形成总的装配部件，可供选择的配合方式有面对面、平行、配对等。52焊接件1的装配第一步，新建空文件，添加上板为绝对部件，如图51。图51添加上板第二步，添加部件HAN14，确定定位方式，如图52。图52添加部件HAN14第三步，添加部件HAN13，确定定位方式，如图53。图53添加部件HAN13第四步，添加部件HAN12，确定定位方式，如图54。图54添加部件HAN12第五步，添加部件侧板，确定定位方式，如图55。图55添加部件侧板第六步，添加部件HAN11，确定定位方式，如图56。图56添加部件HAN11焊接件1的总装配图如图57。图57焊接件1装配图焊接件1的BOM清单如表51。表51HAN1BOM清单序号部件名称编号材料用量尺寸备注HAN12A0101000焊接件1件1上板2A010107016MN钢板017507770225131件2HAN112A010103016MN钢板00220730030131件3侧板2A010101016MN钢板001101650065132件4HAN132A010105016MN钢板0021件5HAN142A010106016MN钢板00220335006513无图1件6HAN122A010104016MN钢板0031件53焊接件2的装配第一步，新建空文档，添加部件HAN21为绝对部件，如图58。图58添加部件HAN21第二步，添加部件HAN22，确定定位方式，如图59。图59添加部件HAN22焊接件2的装配图如图510。图510焊接件2装配图焊接件2的BOM清单如表52。表52HAN2BOM清单序号部件名称编号材料用量尺寸备注HAN22A0102000焊接件1件1HAN212A010201016MN钢板00640970065131件2HAN222A010202016MN钢板026909420285131件54焊接件3的装配第一步，建立空文件，添加部件HAN31为绝对部件，如图511。图511添加部件HAN31第二步，添加部件HAN31，确定定位尺寸，如图512。图512添加部件HAN31第三步，添加部件HAN33，确定定位尺寸，如图513。图513添加部件HAN33第四步，添加部件HAN34，确定定位尺寸，如图514。图514添加部件HAN34第五步，添加部件HAN33，确定定位尺寸，如图515。图515添加部件HAN33第六步，添加部件HAN35，确定定位尺寸，如图516。图516添加部件HAN35第七步，添加部件HAN32，确定定位尺寸，如图517。图517添加部件HAN32焊接件3的装配图如图518图518焊接件3装配图焊接件3原料BOM清单见表53。表53HAN3BOM清单序号部件名称编号材料用量尺寸备注HAN32A0103000焊接件1件1HAN322A010302016MN钢板011807280162131件2HAN312A010301016MN钢板0059072800813无图2件3HAN352A010305016MN钢板00128016008131件4HAN332A010303016MN钢板00170190088132件5HAN342A010304016MN钢板00390190205131件55焊接件4的装配第一步，建立空文件，添加HAN43为绝对部件，如图519。图519添加部件HAN43第二步，添加部件HAN41，确定定位条件，如图520。图520添加部件HAN41第三步，添加部件HAN42，确定定位条件，如图521。图521添加部件HAN42第四步，添加部件HAN44，确定定位条件，如图522。图522添加部件HAN44第五步，添加部件HAN45，确定定位条件，如图523。图523添加部件HAN45第六步，添加部件HAN46，确定定位条件，如图524。图524添加部件HAN46焊接件4装配图如图525。图525焊接件4装配图焊接件4的BOM清单如表54表54HAN4BOM清单序号部件名称编号材料用量尺寸备注HAN42A0104000焊接件1件1HAN412A010401016MN钢板0070201803920无图1件2HAN442A010404016MN钢板021707031201件3HAN422A010402016MN钢板00405018022520无图1件4HAN462A010406016MN1件5HAN452A010405016MN钢板007830180435201件6HAN432A010403016MN钢板021707031201件56焊接件6的装配焊接件6的装配过程与焊接件4的装配过程完全相同，所以在本节中不再赘述，仅将焊接件6的总体装配图提供如图526，BOM清单如表55。图526焊接件6装配图表55HAN6BOM清单序号部件名称编号材料用量尺寸备注HAN62A0106000焊接件1件1HAN412A010401016MN钢板086401803920无图1件2HAN642A010604016MN钢板021707031201件3HAN622A010602016MN钢板086401804820无图1件4HAN462A010406016MN1件5HAN452A010405016MN钢板007830180435201件6HAN632A010603016MN钢板021707031201件57车架总成的装配由于车架总成中各零部件相对较多，且总体装配原则与焊接件1到焊接件4的装配原则相同，所以在本节中不再赘述，仅将车架总成图提供如图527，BOM清单如表56图527车架总成图表56车架BOM清单序号部件名称编号材料用量尺寸备注车架总成2A0100000装配图1件1HAN22A0102000焊接件1件2HAN42A0104000焊接件1件3HAN62A0106000焊接件1件4左侧总成焊接件1件5右侧总成焊接件1件6HAN12A0101000焊接件1件7HAN32A0103000焊接件1件8FANGGANG216MN1件9HAN7焊接件1件10HAN8焊接件1件第6章车架结构的优化与分析61现有车架的结构优化在满足功能要求的基础上，为降低生产成本，结合机械优化设计，对现有车架的部分结构作优化如下1在图61中处加加强筋图61车架总成在现场测绘的过程中，我们发现安装座被压弯，可见其承受力太大，而本身其强度不够，做一应加加强筋。2将图62中处圆角改为直角图62车架总成为便于机械加工，可将图62中处改为直角。3将图62中处安装座增加外凸圆为便于定位，应将图图62中处安装座增加外凸圆，凸圆高度与方钢厚度相同，直径与方钢圆孔直径相同，并插入方钢圆孔内，在定位焊接牢固后，再对安装座进行精加工。62汽车车架支座及焊接接头的有限元分析前言汽车车架承受着来自路面和装载的各种载荷作用，是一个承受复杂空间力系的框架结构。为了使车架上的部件能够正常发挥作用，车架应有足够的强度和合适的刚度。在汽车实际行驶中，车架上某些焊接部位常常发生开裂现象，严重影响汽车行驶的安全性，因此对汽车车架上重要焊接接头进行有限元分析是汽车设计的必要步骤。有限元法是一种有效的数值计算方法，它用一个离散结构来代替原结构，建立真实结构的近似模型，能对几何形状不规则、载荷和支撑情况复杂的各种结构进行应变计算和应力分析，在汽车行业中的应用越来越广泛，其计算结果得到了认可。对汽车车架进行有限元分析也是汽车自主设计制造的必须步骤。焊接接头是由焊缝、熔合区、热影响区HAZ和母材组成的不均匀体。焊接接头的整体强度与母材和焊缝之间的力学匹配有关，且匹配类型对焊接接头的疲劳寿命也有影响。研究不同匹配焊接接头受载时的应力应变，对于提高结构整体强度、防止断裂事故发生有重要意义。本节次通过车架结构进行有限元分析，特别计算了车身第三支架受静载荷作用下的应力应变场，找出了此焊接部件的薄弱位置以及焊缝强度对焊接接头应力应变分布的影响。1模型的建立11有限元模型现有车架整体模型如图612所示，该车架由两根纵梁和六根横梁焊接而成，构成承载部件的整体。车架全长4098MM，宽度L070MM。其中5个车身支架承受装载、车身、驾驶员等重量，其焊接接头是关系到汽车安全行驶的重要部位，本文选取汽车车身第三支架进行有限元分析，即从车架前端数左侧第3个支架见图63，其计算模型如图64所示。图63车架整体模型图64车身第三支架计算模型支架计算模型由三部分组成车身支架、支架保持座和车架纵梁。纵梁与车身支架之间通过焊缝连接，在车身支架左右两侧各有一条焊缝，车身支架上面与纵梁连接的上下方各有一条焊缝。计算前分别根据实测尺寸，利用绘图软件建立三部分的实体模型，导人计算软件完成有限元模型定义。车身支架保持座与支架的连接对本研究计算分析没有影响，故将其处理为一个整体。左右两侧焊缝对称，焊缝长度82MM，焊脚尺寸6MMX3MM。上、下部焊缝长度均为64MM，焊脚尺寸35MMX35MM。考虑到上部焊缝与纵梁连接一侧存在咬边的情况，此时设上部焊缝表面咬边宽度075MM、深度15MM、长度20MM。划分网格时，纵梁和焊缝采用8节点的六面体单元，由于车身支架和支架保持座形状复杂，故此处采用10节点的四面体单元，模型规模47825个单元、28920个节点，存在咬边的情况下上部焊缝也采用10节点的六面体单元，模型规模为84204个单元、49598个节点。12边界条件和载荷对汽车车身第三支架进行静载分析，故在车架纵梁两端的“回形面”施加了“固定”的边界条件，约束了模型沿X、Y、Z三轴三个方向的平动自由度和绕X、Y、Z轴的三个转动自由度，见图64中纵梁两端“花簇”。将车身自重和装载重量简化为均布压力载荷作用在车身支架保持座上表面。根据汽车制造厂家提供资料，此型号矿用车车架的设计数据如表61所示。表61计算车型质量目标KG由于此车型车架共有5个车身支架，它们共同承载着车身、驾驶员和载荷的质量。根据以上数据，静载计算时，车身第三支架选取载荷为8000N应能满足车架静载服役要求，也将其作为本研究的计算载荷。13材料数据计算车架纵梁和车身支架材料均为16MN，计算所需材料数据为弹性模量212X103MPA；泊松比031；屈服强度350MPA。对于材料的弹塑性阶段，采用工程中常用的幂硬化关系表征材料的硬化曲线，其单轴应力一应变关系表达式为（61）式中分别为材料的真实应力和真实应变；分别为材料的屈服应力和屈服应变；为幂硬化系数；N为幂硬化指数。对于符合幂硬化规律的材料，凡的高低表征了材料在发生颈缩前依靠硬化使材料均匀变形能力的大小，在本文中材料的硬化指数N由经验公式估算（62）式中K为常数，在此K012。通常用焊缝金属屈服强度与母材金属屈服强度的比值M表示焊缝强度匹配，即（63）式中M为强度匹配因子；分别为焊缝金属与母材金属的屈服强度。目前在制造焊接结构时，对焊材的选择有如下三种原则焊缝低匹配M1。考虑到M08，10，根据式61和式62计算出三种匹配类型的焊接接头材料性能数据如表62所示。表62不同强度匹配的材料性能2结果与讨论21汽车车架支座应力应变分析对上述有限元模型按焊接接头强度等匹配进行计算，当载荷为8000N时，支架的应力分布如图65所示。图65车身第三支架应力分布计算得到的最大应力发生在纵梁与车身支架连接的上部焊接接头，实际上此处也确实是汽车行驶中最容易发生开裂的危险部位。同时车身支架前端、左右两侧焊缝下端、车身支架肋部应力也较大。原因是由于车身支架保持座上表面受压力作用，所以上部焊接接头应该是受拉应力的主要部位，因此纵梁与车身支架连接的上部焊缝处应力较大，而且为拉应力；在车身支架保持座上表面承受压力作用时，车身支架两侧下端压紧纵梁，在它们之间必然存在压应力，所以与车身支架连接的左右侧焊缝下端应力较大；由于车身支架上表面受压力作用，其与纵梁接触一侧通过焊缝固定，车身支架前端悬空，故车身支架肋部起主要支撑作用，所以车身支架前端和车身支架肋部应力也较大。在8000N载荷作用下，焊缝强度低匹配与焊缝强度高匹配的计算结果和焊缝强度等匹配的计算结果