钢包架轻量化结构优化方案探讨与实施效果

1）轻量化要求及原始模型

如图所示，钢包架需要承受中间的钢包（有效重量为271吨）。钢包架如图2所示，原始结够重92吨，需要满足正常工作的前提下，减重15吨左右。

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2）钢包架结构参数定义

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根据钢包结构，进行结构分析：预设计钢板厚度1=（50-60 ）mm，2=（20-30）mm，3=（60-80）mm，4=（40）mm ，5=（50-80）mm ，6=（20-40）mm  ，7=（20-40）mm  ，8=（30-50）mm，9=（30-40）mm

为了便于分析说明，对主框架进行结构参数定义，见下表所示。

3）模型准备（壳体生成）

采用hypermesh的出色前处理，导入钢包架的3D模型，如下图所示。

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提取模型的中面。

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4）基于DOE（实验设计）的V1V2V3尺寸优化

采用DOE优化实验设计方法，以钢包结构的V1、V2和V3厚度作为设计变量，进行优化设计组合，设计出计算方案如下：

5）基于DOE（实验设计）的H1H2H3H4尺寸优化

采用DOE优化实验设计方法，以钢包结构的H1、H2、H4和V4厚度作为设计变量，进行优化设计组合，设计出计算方案如下：

6）基于DOE（实验设计）的A1A3和A3尺寸优化

采用DOE优化实验设计方法，以摆臂结构的A1、A2和A3厚度作为设计变量，进行优化设计组合，设计出计算方案如下：

7）基于材料强度的优化（高强钢）

钢包主结构的横梁H1、H2、H3和H4以及立柱V1、V2和V3，在各自的调整范围内进行调整，结构件H1、H2、V1、V2和V3是发生应力集中的地方，在5倍安全系数的载荷工况下，都存在明显的潜在失效破坏的危险。

通过提高材料的强度，提高结构关键部位的抗失效和破坏作用。通过进行高强材料在关键结构部件的替换，可以有效防止关键位置的材料破坏和失效。以高强钢作为替代材料进行设计计算。

高强钢材料参数如下：

8）优化结果

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1、结构的变形刚度，主要和结构的尺寸相关。从摆臂的变形计算可以知道，摆臂的Z向变形，主要和A1、A2和A3的尺寸有关。在目前采用5倍安全系数的情况下，与液压销轴链接的位置，变形量最小的方案是3，厚度分别为85、85、40，变形量为2.622和2.510mm。

2、钢包关键结构的应力方面，如果主结构采用Q345B材料，在目前5倍的安全系数情况下，没有合格方案，应力主要集中在H1、V1、V2和V3，都会超过材料的屈服点，换句话说在5倍的载荷工况下，都有发生失效变形的危险。如果对主要结构更换为屈服为520的高强钢，则在5倍的安全系数下，则存在安全设计。

上述方案，钢包架（可翻转部分）的理论总质量约为70吨，从原始结构92.19吨减少了22吨左右。