液压挖掘机动臂有限元分析方法研究.pdf

l 7 0 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi n e r y De s i g nMa n u f a c t ur e 第 1 2期 2 0 1 3年 1 2月 液压挖掘机动臂有限元分析方法研究 汪建华， 胡晓莉， 张华， 向琴 武汉科技大学 机械自动化学院， 湖北 武汉4 3 0 0 8 1 摘要 以某型液压挖掘机 2 0 t 级 为研究对象， 基于S o l i d Wo r k s 、 H y p e r m e s h 、 A n s y s 三种软件无缝连接， 利用各自软件功 能特点对挖掘机反铲工作装置一动臂进行建模和分析， 提 出了一种快速、 方便、 高效的有限元分析方法， 该分析方法能够 快速建立三维实体和有限元分析模型并能保证网格质量和计算效率，同时也解决了不同工况共享有限元模型和销轴连 接模拟的问题； 分析结果表明该分析方法是切实可行的， 对其他工程机械有限元分析的研究也具有一定参考意义。 关键词 液压挖掘机； 动臂 有限元分析 H y p e r me s h 中图分类号 T H1 6 ； T U 6 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 3 1 2 0 1 7 0 0 4 S t u d y o f F i n i t e El e me n t An a l y s i s Me t h o d o f Hy d r a u l i c Ex c a v a t o r Mo b i l e Ar m WA NG J i a n h u a ， H U X i a o l i ， Z H A N G Hu a ， XI A N G Q i n S c h o o l o f Ma c h i n e r y a n d Au t o ma t i o n， Wu h a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y， Hu b e i Wu h a n 4 3 0 0 8 1 ，C h i n a A b s t r a c t T i n g a c e r t a i n t y p e o f h y d r a u l i c e x c a v a t o r 2 0 t t h e r e s e a r c h o b j e c t 。b a s e d o n t h e s e a ml e s s c o n n e c t i o n of S o l i d w o r k s ， H y p e r m e s h a n d An s y s a n d u s i n g t h e f u n c t i o n s and c h a r a c t e r i s t i c s ofe a c h s o ,w are t o mo d e l a n d ana l y z e t h e a r m ofe x c a v a t o r b ack h o e w o r k i n g d e v i c e ， i t p u t s f o r w a r d a fin i t e e l e m e n t ana l y s i s m e t h o d w h i c h i s ， c o n v e n n t a n d e f fi c i e n t ． T h e ana l y s i s me t h o d c a d q u i c k l y b u i l d e n t i t y a n d fin i t e e l e m e n t mo d e l a n d c a r t g u ara n t e e t h e q u ali t y ofg r i d a n d c o m p u t ati o n al e f fi c i e n c y ． A t t h e 3 O ；l e t i m e ， i t a l s o s o l v e t h e s h ari n g o f t h e fi n i t e e l e m e n t m o d e l i n d if f e r e n t c o n d i t i o n s and t h e s i m u l a t i o n p r o b l e m ofp i n s h a ft c o n n e c t i o n ． The a n a l y s i s r e s u l t s s h o w t h a t t h e a n al y s i s met h o d i s f e a s i b l e a n d i t h a s c e r t a i n r e f e r e n c e s ific a n c e for t h e fin i t e e l e m e n t a n al y s i s r e s e arc h ofo t h e r e n g i n e e r i n g m e c h ani c a1． Ke y W o r d s Hy d r a u l i cEx c a v a t o r ； M o b i l eAr m ； F i n i t eEl e m e n t An a l y s i s ； Hy p e r me s h 1引言 液压挖掘机是一种重要的铲装运输机械，在国民经济建设 中发挥着重要作用， 广泛应用于矿山水利、 道路施工建设、 现代化 国防建设和市政建设中。 而液压挖掘机动臂是完成液压挖掘机各 项功能的主要构件， 其结构设计的合理性直接关系到液压挖掘机 的工作性能和可靠性n 1 。 在对动臂结构分析中， 有限元分析是一种重要的分析方法。 目前， 对于动臂这样复杂箱体结构的有限元分析， 大多采用 P r o ／ E 或 U G等三维软件建立实体模型 ， 然后导入分析软件如 A n s y s中 进行静强度分析 ； 笔者通过阅读文献资料， 并进行比较分析发现 大多数文献比较注重后处理过程 ， 而对后处理结果影响比较大的 前处理过程不太重视， 并存在一些问题。针对大多数文献采用软 件 自 动分网的问题应用高效网格划分软件 H y p e r m e s h 创建动臂 有限元模型以 保证网格质量， 选择以板壳单元为主实体单元为辅 来保证计算效率， 使用 A n s y s 软件的静力分析模块对其进行静强 度分析； 针对大多文献对动臂不同工况模型分别建模的问题采用 转换坐标系的方法将计算载荷转换到建模加载坐标系下， 以实现 不同工况共享有限元模型， 缩减建模时间， 提高分析效率； 同时对 前处理过程中的一些关键问题如载荷加载和销轴连接的模拟也 进行了比较清楚的描述。以下是该分析方法的具体步骤和内容。 2动臂有限元模型的建立 2 。 1三维实体模型的建立 以某 2 0 t 级挖掘机为例， 该挖掘机采用反铲工作装置， 主要构 件有动臂、 动臂油缸、 斗杆、 斗杆油缸、 铲斗以及铲斗油缸日 。采用 S o l i d Wo r k s 软件平台， 经过对动臂的实体结构特征的分析， 确定这 些特征建立的先后顺序， 以及每个特征的建立方法， 利用其提供的 拉伸、 旋转、 切割、 扫描、 切除、 抽壳等建模功能创建出三维实体模 型。由于焊接件各个零件的尺寸精度较低且留有焊缝， 而在有限元 模型中不允许出现细小的缝隙， 因此在建立有限元模型时对各零件 的尺寸进行修复以消除间隙日 。创建的动臂模型， 如图 1 所示。 图 1动臂三维实体模型 Fi g ． 1 Th e Mo b i l e Ar m o f Th r e e Di me n s i o n a l Mo d e l 来稿日 期 2 0 1 3 0 2 1 4 基金项目 国家科技支撑计 2 0 1 1 B A F 1 1 B 0 1 。； 者简介 汪建华， 1 9 8 4 一 ， 男， 湖北人， 在读硕士研究生， 主要研究方向 绿色制造； 张华， 1 9 6 4 一 ， 女， 广东蕉岭人， 教授 ， 博士研究生导师， 主要研究方向 绿色制造、 制造系统工程和制造业信息化 第 l 2 期 汪建华等 液压挖掘机动臂有限元分析方法研究 1 7 1 2 _ 2网格划分和单元类型的选择 动臂由上盖板、 下盖板、 左侧板、 右侧板、 前叉板、 筋板、 后轴座 及动臂液压缸连接座等焊接而成； 其中上下盖板和左右侧板又分别 由三块厚度不同的钢板焊接而成。 动臂结构主要是由薄钢板焊接而 成， 且兀 。何模型复杂， 经过对动臂的结构特点及相关结构参数进行 分析，将动臂分为 2 0个独立子块，其中 1 7个子块选用板壳单元 S h e l l 1 8 1 ， 后轴座 、 动臂液压缸连接座和前叉板选用六面体实体单 元S o l i d 1 8 5 。 网格划分的好坏， 对求解的精度影响很大， 划分很差的 网格会使求解精度严重降低， 甚至还会导致不能求解。利用高效网 格划分工具 H y p e r me s h划分动臂网格，各子块间采用合并节点或 用刚性单元进行连接， 再将其导人A n s y s 中求解。网格划分结果如 图所示 壳单元数 2 8 3 6 6 、 实体单元数 1 5 0 3 2 ， 节点数 4 9 8 4 0 。 图 2动臂有限元模型 Fig ． 2 Th e Mo b i l e Ar m o f F i n i t e El e me n t Mo d e l 2 。 3材料属性的定义 动臂由不同厚度的 1 6 Mn 钢按一定尺寸焊接而成， 材料具体 参数， 如表 1 所示。 表 1动臂材料及其参数 T a b ． 1 Th e Mo b i l e Ar m O f Ma t e r i a l s a n d Pa r a me t er s 3工况选择和边界条件的确定 3 ． 1工况的选择 图 3计算工况位置 F i g ．3 T h e Po s i t i o n o f C a l c u l a t e d Wo r k i n g Co n d i t i o n 反铲装置的动臂结构强度主要由弯矩控制，故计算位置根 据反铲作业中挖掘阻力对动臂可能产生的最大弯矩工况来确定。 液压挖掘机的各种工况是由动臂油缸、 斗杆油缸、 铲斗油缸的不 同伸缩状态组合而成， 组合可有几万种， 但其典型工况主要有三 种， 分别是 1 铲斗挖掘工况， 此时动臂下放到最低位置， 铲斗油 缸作用力臂最大， 斗杆与斗杆油缸铰接点、 斗杆与铲斗铰接点及 铲斗齿尖三点处于同 一直线上，且该直线铅直； 2 斗杆挖掘工 况 此时动臂下放到最低位置， 斗杆与斗杆油缸铰接点、 斗杆与铲 斗铰接点及铲斗齿尖三点处于同一直线上且垂直于斗杆油缸 ； 3 最大卸载高度 此时动臂油缸全伸， 斗杆油缸全缩， 铲斗处在 垂直工作地向下的位置凹 。 斗杆挖掘工况下， 斗杆油缸对动臂有最 大力臂， 是动臂出现危险截面处的工况， 因此选择第二种典型工 况进行分析工作装置计算工况位置， 如图3所示。 3 - 2边界条件的确定 对于结构强度分析，边界条件的处理主要是给构件添加约 束和物理场。 施加约束实际上是对构件所处的现实物理环境在计 算机中的虚拟， 这就需要对构件实际物理环境进行分析、 理想化， 将主要的约束添加上， 而将一些次要因素忽略掉。 其总要求为 所 施加的约束必须能消除构件的刚体位移， 同时模型自由度同构件 在现实环境中一致 根据以上原则及工作装置的结构和运动特 点， 通过对动臂铰点 C 、 动臂油缸同动臂铰接点 内表面自由度 进行约束， 将它们作为支点， 斗杆和斗杆液压缸同动臂的铰接点 D和 F所受的力当作载荷来处理。 添加完对自由度的约束和施加 载荷后 ， 利用施加一个和重力加速度相反方向的加速度的办法来 对构件所处的重力场进行描述。 4载荷的计算和有限元参数的施加 4 ． 1载荷的计算 在计算工况中不考虑偏载的影响，可以认为其只承受 ， y 方向的力， 整个结构为静定结构； 在对工作装置进行受力分析时， 仅考虑动臂、 斗杆、 铲斗的质量， 各驱动油缸、 摇杆、 连杆简化为二力 杆， 且不考虑销轴摩擦； 其整个工作装置受力简图， 如图4 所示。 即可。 G3 图4工作装置受力简图 F i g ．4 Th e S t r e s s Di a g r a m o f W o r k i n g De v i c e 由边界约束条件可知，只需计算动臂D、 F两铰点的铰点力 G 3 图5斗杆铰点受力简图 F i g ． 5 T h e S t r e s s D i a g r a m o f B u c k e t R o d Hi n g e d P o i n t