【摘 要】
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负重轮是履带车辆的主要承重部件,其用量多、质量占比大。因此,负重轮的轻量化是降低履带车辆整备质量的关键,对提高履带车辆的机动性能具有重要影响。现有负重轮的制备材料多为金属材料,由于金属材料的密度较高,轻量化程度有限,因此,为最大限度降低负重轮的质量,本文以超高分子量聚乙烯（UHMWPE）工程塑料为基体,设计了一种工程塑料-铝合金复合的车轮结构,并用ABAQUS对负重轮的结构进行了拓扑优化设计和力学
【基金项目】
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中车株洲时代新材料科技股份有限公司的负重轮产品开发项目；
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负重轮是履带车辆的主要承重部件,其用量多、质量占比大。因此,负重轮的轻量化是降低履带车辆整备质量的关键,对提高履带车辆的机动性能具有重要影响。现有负重轮的制备材料多为金属材料,由于金属材料的密度较高,轻量化程度有限,因此,为最大限度降低负重轮的质量,本文以超高分子量聚乙烯（UHMWPE）工程塑料为基体,设计了一种工程塑料-铝合金复合的车轮结构,并用ABAQUS对负重轮的结构进行了拓扑优化设计和力学性能分析,实现了负重轮的轻量化设计;同时,开展了负重轮模压成型工艺研究,获取了塑料-金属模压成型的主要工艺参数。本文的主要研究内容如下:1.负重轮静力学仿真研究。基于全地形履带车辆的作业环境,本文选取静载工况、最大倾侧工况、越壕沟工况及转向工况等四种典型工况,完成了负重轮的受力分析、载荷计算、约束设置,并利用ABAQUS对塑料-铝合金负重轮的初始结构进行了静力学仿真,结果表明:越壕沟工况的应力与位移响应最大,最大应力σmax=9.027MPa,最大位移量Umax=1.668mm。2.负重轮结构轻量化设计。利用NX10.0软件建立了负重轮初始结构的参数化模型,联合Hyper Mesh软件建立了负重轮六面体网格模型;将网格模型导入ABAQUS分析软件,完成了负重轮结构的拓扑优化分析,获取了负重轮的拓扑优化形态,并根据该形态完成了负重轮的可制造化处理,获得了负重轮的优化结构;并针对优化后的负重轮结构进行了静力学仿真试验,结果显示:越壕沟工况所受应力最大,σmax=14.4MPa,Umax=3.305mm,满足设计要求;从轻量化角度分析,单个负重轮减重1.2kg,减重率为13.6%。3.负重轮成型工艺参数研究。结合负重轮尺寸及超高分子量聚乙烯塑料的成型特性,采用模压成型方法,设计了负重轮模压成型工艺;以负重轮的拉伸强度、扯断伸长率为评价指标,设计了负重轮成型工艺的正交试验,分析了主要成型工艺参数对负重轮力学性能影响,获得了负重轮模压成型最佳工艺参数组合:模压温度为240℃、模压压力为18MPa、模压时间为2.5h。4.负重轮性能测试与装车行驶试验。基于所获得的负重轮优化结构及成型工艺参数,制造了负重轮样件,并从样件本体取样,测试了负重轮基体材料的力学性能,验证了负重轮结构与成型工艺的可靠性;在复杂工况环境中,对负重轮进行了装车行驶试验,在6000km设计里程内,负重轮未出现裂纹、凹陷、明疤、金属轴套与塑料松动等缺陷,达到设计要求。
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