经典案例
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基于接触应力的挖掘机有限元分析

发布于:2016-07-12 21:35
有限元分析

      挖掘机是工程机械中的一种主要类型。是土石方开挖的主要机械设备。在工业与民用建筑、道路建设、水力、矿山、市政工程等土石方施工中均占有重要位置。工作装置是挖掘机直接承受工作载荷的构件的结构强度会直接影响到挖掘机的可靠性和工作性能。而且当工作装置过于笨重时,使得配重质量增大,进而会对发动机功率产生影响,容易造成一系列的问题,因此有效地对工作装置进行结构有限元分析是挖掘机设计的关键环节。
      传统的结构分析利用特定工况下工作装置某位置时铲斗所受载荷,通过力学分析,找出动臂、斗杆、铲斗等部件各铰点的受力大小和方向,对它们分别应用材料力学来进行强度校核,这种分别计算的方法既繁琐又容易出错,消耗较长时间,很容易造成误差。
      在有限元分析App中,大家可以利用多点约束方程,将挖掘机工作装置中的动臂、斗杆、铲斗及其他辅助零件整体进行有限元分析,以更准确直观地分析整个工作装置特定工况下的结构强度。
      挖掘机主要由动臂、斗杆、铲斗、油缸、摇杆和连杆等组成,本研究利用App建立各部件的三维模型,在模型的建立过程中忽略了实际装配中的辅助零件,如油管、油管固定螺钉以及铰接销的定位销等。焊接处材料简化成与其他位置材料性质相同,装配好的模型见图,三维模型在有限元App中进行分析时为了减少计算量,应在不影响分析结果的前提下对已建立的模型进行结构简化,且有些情况下,若不对模型进行简化,划分网格和接触分析可能会遇到问题,具体简化步骤如下。
      首先简化机座。由于要对整个装配体进行应力分析,若对机座也进行网格划分和求解会占用不必要的存储空间并很大程度延长分析时间,故将整个挖掘机机体简化为一个平板,同时为了减少接触分析时接触对数量。将动臂销和两个动臂缸销轴同机座做成一个整体,斗杆,摇杆也进行类似的简化,动臂缸,斗杆缸和铲斗缸都用一根直杆代替。实践证明,这种简化对分析结果不产生影响,简化后的结构模型见图。
      有限元法假设载荷作用在节点上,并由节点传递的,即如果相邻零件没有公共的节点,则力就不能由一个零件传递到另一格零件如图。斗杆和销轴之间虽然在空间位置上是接触的,由于不是同一个零件,划分网格后斗杆和销轴在接触面上不存在公共节点。根据有限元思想的假设,力将不能从斗杆传向销轴,反之亦然。但当大家给斗杆和销轴施加节点耦合,约束关系,斗杆和销轴之间在接触面上存在公共节点,这样斗杆上的力就可以通过节点传递给销轴,这样才能使进一步的有限元分析得以顺利进行。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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