基子有限无技术的工程机械设计研究.pdf

第 2 7 卷第 7期 2 O 0 6年 7月 煤矿机械 C o a l _M i n e M a c h i n e r y V0 1 ． 2 7N o ． 7 j , d．2 00 6 文章编号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 6 0 7 ， 0 0 5 7 ． 0 3 基子有限无技术韵工程机械设计研究 厝觉明 上海工程技术大学 ，上海 2 0 0 3 3 6 摘要 运用三维设计软件 o l i d w o r k s 对工程机械 中的挖掘装 载机的主要部件铲斗进行三维 结构造型设计。 并运用内嵌在 S o l i d w o r k s中的有限元分析 系统 C o s m o s ／ Wo r k s 对其进行 强度分析 ， 模 拟仿 真直观地分析 出其在工作受栽状 态下的应力分布情况 ， 然后经过分析计算， 优化 出挖掘装载机 铲斗的合理结构和尺寸 ， 缩短挖掘装载机的设计制造周期 ， 并降低其设计制造成本。 提高其安全可 靠性 。 关键词 挖掘装载机 ；三维造型；有限元分析 ；应力分布；强度 中图号 T P 3 9 1 文献标识码 A S t u d y o f En g i n e e r i n g M e c h a n i s m De s i g n Ba s e d o n Fi nit e El e me n t Te c h n o l o g y TA NG J u em S h a n g h a i U n i v e r s i ty o f E n g i n e e r i n g S c i e n c e 。S h a n g h a i 2 0 0 3 3 6 -C h i n a Ab s t r a c t T h e b u c k e t o f t h e g r a b i s d e s i g n e d w i t h S o l i d w o r k s s o f t w a r e ，i t s s t r e n g t h i s a n a l y z e d wi t h C o s m o s ／ W o r k s o f S o l i d wo r k s ，i t s s t r e s s d i s t r i b u t i o n u n d e r l o a d i s g o t b y s i mu l a t i o n。i ts a p p r o p ria t e s t r u c t u re a nd d i me n s i o n a r o o p t i mi z e d ．t h e c y c l e o f d e s i gn a n d manu f a c t u re i s a b b rev i a t e d and i ts c o s t o f d e s i g n and ma n ufa c - t u re i s r e d u c e d，i t s rel i a b i l i t y i s i mp rov e d． Ke y w o r d s g r a b ；3 D t h r e e d i m e n s i o n m o d e l i n g ； fi n i t e e l e m e n t ana l y s i s ； s t res s d i s t r i b u t i o n ； s t re n gt h ； 1 挖掘装载机铲斗的三维建模 1 挖掘装载机铲斗的组成 挖掘装载机铲斗部件是由动臂、 连杆、 铲斗零件 组成 ， 它是一个连杆机构 ， 各个杆件的长度尺寸将直 接影响该部件 中铲斗的运动轨迹 即工作性能 ， 而 各个杆件的横截面尺寸将直接影响该部件的承载能 力。 2 挖掘装载机铲斗部件的三维建模 运用 三维 设计 软 件 S o l i d w o r k s ， 通过 拉伸 E x ． t rud e 、 旋转 R e v o l v e 、 切割 C u t 和抽壳 S h e l 1 ， 放样 L o ft ， 扫描 S w e e p 等三维特征造型功能。 将挖掘装 载机铲斗部件的各个零件创建成三维模型。再根据 各零件模型的隶属关系装配成如图 1 所示的挖掘装 载机铲斗部件的装配体三维模型。 图1 初始设计的挖掘装载机铲斗部件的 装配体三维模型 F i g ． 1 O r ig i n a l mo d e l i n g o f b u c k e t o f g r a b 2 挖掘装载机铲斗部件的有限元分析 内嵌在三维设计软件 S o l i d w o r k s中的有限元分 析系统 C o s m o s ／ Wo r k s 是当今工程界较好的有限元分 析软件之一 。 其能非常迅速地实现对大规模 的复杂 设计的分析和验证 ， 并获得修正 和优化设计所需的 信息。 在此， 通过对挖掘装载机铲斗部件进行有 限元 分析和研究 ， 求出其在工作受载状态下的应力分布 情况 ， 并计算出其失效的部位， 然后对应力集中及失 效区域进行局部加强处理 ， 以保证结构的强度 和刚 度， 提高挖掘装载机的掘起力、 下挖力和整体式车架 的可靠性 ， 确保整机的工作性能。 2 ． 1 挖掘装载机铲斗部件的栽荷及约束分析 建立挖掘装载机铲斗部件 的 S o l i d w o r k s三维模 型以后 ， 根据设计的要求来检验设计的强度 ， 首先 ， 在保证动臂、 连杆、 铲斗等零件几何精度的前提下 。 对三维模型作如下简化 将一些小的特征进行压缩 。 如倒角 、 圆角以及小孔等 ； 压缩掉一些不影响整体结 构性能的零件 ， 如螺栓、 螺母 等； 根据其工作要求确 定工作载荷为 1 0 0 k N， 其约束为动臂固定在机架上。 简化后 的三维模型如图 2所示 。 2 ． 2 挖掘装载机铲斗部件的有限元分析方法 C o s m o s ／ Wo r k s 提供 了5种有限元分析方法 1 静力分析 S t a t i c A n a l y s i s ； 2 频率 分析 F r e q u e n c y A n a l y s i s ； 3 弯矩分析 B u c k l i n g A n a l y s i s ； 4 热分 析 T h e r m a l A n a l y s i s ； 5 优化设计分析 O p t i m i z a t i o n A n a l y s i s ； 根据挖掘装 载机铲斗部件应力分析 的需 5 7 维普资讯 V o 1 ． 2 7 N o ． 7 基于有限元技术的工程机械设计研究唐觉明 第 2 7卷第 7期 要 ， 在此采用静力分析法。 圈 2 铲斗部件的 有限元模 型及受力图 F i g． 2 F i n i t e e l e me n t mo d e l i n g o f b u c k e t u n d e r l o a d 2 ． 3 有限元计算原理 有限元就是对连续物体离散化， 在物体内部和 边界上划分节点 。用许多离散的单元来逼近原来复 杂的物体 。 如图 3所示。 ◆ a 离散前 b 离散后 图 3连 续物体的离散过程 F i g． 3 Dl s c r e t i z a t l o n p r o c e s s o f s o l i d 对于连续物体力学分析 ， 有限元分析一般过程 1 连续物体逼近离散 n 三0。 式中n’ 离散单位。 2 单位特性 的研究 研究的单位特性以形成单位刚度阵和节点外载 矩阵 ①节点 自由度 位移 描述 g ‘ ； ②位移模式 简单性、 完备性、 连续性、 唯一确定 性 ； ③ 由节点条件确 定唯一模式中的特定系数 ， 推 导出形状 函数矩阵 l ‘ ， y ， 口 式中 形状 函数矩阵。 ④单位应变场的表达 由几何方程 8 [ j 『 ] l ‘ [ j 『 ] N q B 口 式 中 [ a ] 弹性力学 中几何方程算子 ； 口 几何矩阵。 ⑤单位应力场的表达 由物理方程 D e D‘ B 矿 S 口 式 中 D 弹性力学中的弹性系数矩阵 ； 应力矩阵。 ⑥单元势能的表达 Ⅱ d n_ [ H 。 d n H d n ] g K q ‘ 一P ‘ 矿 58 r T r P J 西 d n J n 。 n 式 中 单元刚度矩阵； P 。 单元节点力矩阵 ； 体积力 向量 ； P 面积力 向量 ； 卜矩阵转置。 对单元势能 。 应用最小势能原理 。 可得到单元的 平衡关 系 口 ‘P ‘ 。 3 离散单元的装配和集成 几何的集成 n n 节点位移的集成g 刚度矩阵的集成 K 节点外载的集成 P p 。 形成整体刚度方程 砀 P 2 ． 4 挖掘装载机铲斗部件的有限元网格划分 网格 自动划分是 C A E软件的关键 ， 由于挖掘装 载机铲斗部件是用 S o l i d w o r k s 三维实体建模的， 所以 采用抛 物线性 四面体实 体单元作为划分 单元。另 外 ， 在有 限元分析 中， 网格划分必须要满足一定的条 件 ， 四面体单元的长宽 比要接 近 l ， 在这个铲斗 的有 限元划分时， 铲斗的厚度 为 1 2 i n i n ，所 以单元划分 的时候 ， 最长单元 的边长控制 在 1 2 m m左 右。实际 划分时选了 3 m ln 边长控制单元。划分结果为四面 体实体单元 6 4 3 0 6 个， 自由度数 1 2 8 9 1 5 。 2 ． 5 挖掘装载机铲斗部件的有限元求解方法 C o s m o s ／ Wo r k s 对于静力分析提供 3种求解方法 D i r e c t S p a r s e 、 F F E和 F F E P l u s 。一般来说， 3种求解方 法对同一问题的求解结果基本相似， 但在选择时应注 意 1 对于大型和特大型问题 自由度大于 3 0 0 0 0 0 个 应优先使用 F F E P I u s 求解方法 ； 2 对 于小型 和中 型问题 自由度在 1 0 0 0 0 0个到 3 0 0 0 0 0个 应优先使 用 D i r e c t S p a r s e或 F F E求解方法。对于装配体问题并 且考虑了零件间的相互接触、 相互摩擦和不 同材质时 优先使用 D i r e c t S p a r s e 求解方法 ， 由于本例 的自由度 数 1 2 8 9 1 5 ， 因此本例使用 D i re c t S p a r s e 求解方法。求 解所得的应力分布情况如图 4 所示。 田 4 铲斗部件的应 力分 布田 F i g． 4 S t r e s s d l s t r l l mt l o n o f b u c k e t 维普资讯 第 2 7卷第 7期 基于有限元技术的工程机械设计研究唐觉明 V o 1 ． 2 7 N o ． 7 2 ． 6 挖掘装载机铲斗部件的有限元计算强度分析 由图 4所示的铲斗部件的应力分布图可见 ， 铲 斗部件 的应力主要集中在联接动臂与铲斗回转副的 联接板处 如 图 4中的 白色 区域 。最 大应力达 到 6 9 3 5 E 8 ， 铲斗部件发生了失效。图 5为铲斗部件的 失效图， 图中白色区域即为铲斗部件的失效部位。 圈 5 铲 斗部件的失效 图 F i g ． 5 P i c t u r e o fd i s a b l e d b u c k e t 2 ． 7 基 于有限元计算结果 的挖掘 装载机铲斗部件 的改进 设计 研 究 为了改善铲斗部件的应力集中， 消除失效 。 采用 如下改进设计方案 1 通过增加肋 的宽度 ， 减小应力集 中， 将肋 的 宽度从 3 0 m l T l 增加到 8 0 m m， 此时该处的最 大应力 从 6 ． 3 7 8 E 8下降到 5 ． 9 2 5 E 8 ， 其改善应力集 中的效果 一 般， 图6 所示是其应力分布图， 由图可见应力集中 现象还是存在 图中白色 区域即为应力集 中部位 ， 再由相应 的铲斗部件的失效图可见 。 铲斗部件还是 发生了失效 见 图 7 。 图中白色区域 即为铲斗部件 的失效部位。由此可见 ， 该方案也不是理想方案 。 田6 增加肋的宽度后铲斗部件的应力分布围 F i g ． 6 S t r e s s d i s t r i b u t i o n o f b u c k e t a f t e r i n c r e a s i n g wi d也 o fbr a c e 圈 7 增加肋的宽度后铲斗部件的失效图 F i g ． 7 P i c t u r e o f d i s a b l e d b u c k e t a f t e r i n c rea s e d w i d t h o f br ac e 2 通过增加 2块 3 0 0 m i l l 长 的后盖板 ， 同时增 加铲斗壁厚 ， 改善应力集 中， 从其应力分布图可见应 力集中现象改善很多 图 8中白色区域很少 ， 再 由 相应的铲斗部件的失效图可见铲斗部件失效现象消 失了， 图 9中白色区域消失 了 ， 满足强度要求 。由 此可见 ， 该方案可行。 田8 增加3 0 0 D i m盖板后铲斗部件的应力分布圈 F i g ． 8 S t r e s s d i s t r i b u ti o n o fb u c k e t a f t e r曩 d d i 皿 g 3 0 0 衄c o ve r b o ar d 圈9 增加3 0 0 m m盖扳后铲斗部件的失效圈 g ． 9 P i c t u r e o f d i s a b l b u c k e t L i t e r a d d l n g 3 0 0 n 瑚 c o v e r b o a r d 3 结语 以上依据有限元计算分析结果 ， 对挖掘装载机 的各种改进设计方案进行优选 ， 这种基于有 限元技 术的设计分析方法 ， 大大提高了工程机械的设计速 度和设计可靠性， 同时也大大缩短 了工程机械产品 及其系列产品的开发周期 ， 降低了产品开发的成本。 参考文献 [ 1 ] 李洪洋， 划海军。 曾攀． 等． 高吨位镬台金压铸机定模板减重设汁 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