随着近年来经济的快速发展,人们对资源的需求亦与日俱增。矿用自卸车作为大型露天矿石场所运输工具的主力军,其市场需求迅速提高。由于研发技术相对滞后,国内在很长一段时间内对矿用自卸车的需求主要依赖进口。为了改变这种格局,矿用自卸车被国务院列为十六大重大技术装备关键领域,表明迫切需求具有自主知识产权的矿用自卸车出现。因此,运用先进的技术手段对矿用自卸车进行研究与开发符合国家政策要求,能够提升重大装备制造水平,同时还能保证矿产能源的正常开采,具有重要的经济效益和工程应用价值。矿用自卸车常年在矿山路面行驶,恶劣的工作条件对矿用自卸车的结构性能提出了较高的要求。而车架作为矿用自卸车的主要承载部件,其强度、刚度、模态特性以及疲劳寿命等性能的优劣,对车辆的安全性、可靠性以及产品的质量起着决定性的作用。近年来,随着试验方法和设备的改进,以及仿真技术的日趋成熟,结合试验、有限元分析、多体动力学分析和结构优化设计对车辆及工程装备进行研究已相当普通。然而,这些技术手段在非公路大吨位矿用自卸车上的应用却相当少见,且已有研究成果的准确性也存在提高的空间。针对某国产矿用自卸车特殊的结构形式和工作环境,本文结合试验和数值模拟技术研究矿用自卸车的车架结构性能,对车架疲劳可靠性和结构优化设计进行了较系统全面深入的研究。本文的主要研究内容如下:1.车架母材及焊接接头疲劳寿命试验研究。本文研究的矿用自卸车车架材料采用的是一种进口高强度低合金调质钢,其力学性能和疲劳行为参数是进行后续有限元分析的重要依据。针对进口材料的性能参数相对匮乏,本文通过应力控制完成车架母材不同应力水平下的疲劳寿命试验,得到材料的S-N曲线及相关参数;并且基于应变控制,对焊接接头进行不同应变水平下的循环加载,从而获取应变疲劳寿命曲线和Manson-Coffin方程中的相关参量,为车架及焊缝疲劳可靠性分析奠定了基础。2.基于道路加速度试验的车架动态随机载荷获取。大吨位矿用自卸车特殊的结构形式使得用试验方法来直接获取车架动态随机载荷尤为困难,而单一的整车多体动力学仿真分析结果准确性无法得到保证。因而,本文提出将实车道路加速度试验和多体动力学仿真分析相结合的方法,来求解计算进行矿用自卸车车架疲劳可靠性分析所需要的载荷输入条件。在经过验证的整车刚柔耦合多体动力学模型基础上,得到了车架主要铰接点位置在不同路面工况下的准确载荷时间历程。3.基于焊缝壳单元模拟的车架静动态特性分析。矿用自卸车车架由大量不同厚度的钢板通过焊接方式连接在一起,焊缝的力学行为与车架的结构性能息息相关。针对车架前后悬架附近位置的主要焊缝,通过建立壳单元来获取焊缝的结构应力,并通过应力试验对车架有限元模型进行验证。在车架数值模型的准确性得到保证的基础上,获得了车架不同工况下的安全系数、刚度特性以及主要的低阶固有频率和相应的模态振型。4.提出一种基于改进应变能量法的车架焊缝疲劳寿命预测方法。针对大吨位矿用自卸车焊缝开裂实际问题,认为仅考虑材料弹性应变的传统疲劳寿命预测方法准确度不够。基于此,通过对比分析不同方法后,将综合考虑弹性和塑性应变的应变能量法应用于焊缝疲劳寿命预测中。现有的应变能量密度求解主要基于完全封闭的应力应变滞回曲线,而对于焊缝实际结构在承受复杂载荷时,其应力应变曲线存在交叉现象。针对这一问题,对已有的应变能量密度计算方法进行改进,完善了复杂载荷作用下车架焊缝应变能量密度计算。利用该方法对车架焊缝进行了疲劳寿命预测,且有:下坡转弯制动工况下预测的低寿命位置与实际焊缝开裂位置较为一致。5.基于模糊理论的车架疲劳可靠性分析。大吨位矿用自卸车常年行驶在矿山路面,载荷大,负荷重,环境恶劣,工作频繁,而车架作为主要承载部件,确保其具有较高的可靠度十分必要。而涉及车架疲劳可靠性分析的参量不仅具有随机性,也存在不确定性。基于此,将车架所受到的主要载荷和焊缝相关的材料参数作为随机输入变量,通过响应面法得到车架疲劳可靠性功能函数,然后依据蒙特卡罗法原理,对随机变量和模糊变量进行多次抽样,通过编程计算得到模糊设计变量在不同隶属函数下的车架疲劳可靠度,这对车架疲劳可靠性进行评估提供了重用依据。6.基于近似模型的矿用自卸车车架结构抗疲劳轻量化。考虑到通过多目标拓扑优化得到的车架新结构与优化前车架相比,质量有所增加,且传统经验设计下的车架结构本身存在重量冗余。针对这一车架结构减重问题,通过建立车架体积和疲劳寿命与不同板件厚度变量之间的Kriging近似模型,在经过验证的近似模型基础上,采用多目标遗传算法优化车架板件厚度。优化后的车架结构不仅疲劳寿命得到提高,而且达到轻量化的效果。综上所述,本文系统地对车架疲劳可靠性分析和结构优化进行了深入细致的研究,为矿用自卸车车架结构性能分析和优化研究提供了可供参考的研究思路及方法。