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液压挖掘机工作装置的有限元分析

发布于:2016-09-19 22:14
有限元分析

      有限元分析在工程机械结构计算分析中得到了广泛的应用,但是绝大多数应用仅限于对某个关键部件或者部分结构进行强度、刚度及模态分析,由于结构件分开计算时,存在边界条件及载荷难以确定、结构简化等问题,从而会影响有限元计算结果的准确性。
      工作装置是挖掘机直接承受工作载荷的主要构件,其结构强度直接影响到挖掘机的可靠性和工作性能。为了实现等强度设计及对危险截面和应力集中部位的加强作用,一般将动臂和斗杆设计成不规则箱型焊接结构。由于这种不对称性及各部件间的耦合作用,不应该采用解析法计算结构上任意一点的应力、应变和位移,用有限元法却相对容易实现。长期以来,国内采用有限元法对挖掘机工作装置进行了大量的研究,包括对动臂、斗杆及铲斗分别进行有限元强度、刚度及模态分析,对工作装置各组成部件间的连接销轴进行有限元分析等。但是,目前针对工作装置整体结构进行集成有限元分析的研究成果较为少见。
      本研究从系统集成的角度,以挖掘机的整个工作装置为研究对象,建立完整的工作装置三维集成有限元模型液压挖掘机工作装置由动臂、斗杆、铲斗及油缸等组成,依据某液压挖掘机的参数,利用UGApp建立车架、动臂、斗杆、铲斗的三维几何模型。在建模过程中,去掉了螺纹孔、不会影响有限元结果的倒角、运输吊耳等要素。在实际模型中焊缝处均按连续处理,其材料按照与母材相同处理,将以上各个部分装配到一起的几何模型如图所示。
      由于工作装置的实际结构主要是由薄钢板焊接成的,且几何模型很复杂,故划分有限元模型的单元类型选择三维实体单元Solid45,油缸采用link8单元模拟。然后利用UG中GFEM模块提供的面向ANSYSApp的有限元前处理功能生成有限元模型。图为某一工作位置集成有限元模型。根据原GB/T9141-88《液压挖掘机结构强度试验方法》,挖掘机工作装置分为5种计算工况:
      (1)计算工况1:动臂液压缸全缩,斗杆液压缸作用力臂最大,斗齿尖位于铲斗与斗杆铰点和斗杆与动臂铰点连线的延长线上。该工况下载荷为重力、切向力和侧向力。
      (2)计算工况2:动臂和斗杆液压缸作用力臂最大,斗齿尖位于铲斗与斗杆铰点和斗杆与动臂铰点连线的延长线上。该工况下载荷为重力和切向力。
      (3)计算工况3:动臂和斗杆液压缸作用力臂最大,铲斗液压缸以最大当量力臂工作。该工况下载为重力和切向力。
      (4)计算工况4:动臂液压缸全缩,斗齿尖位于铲斗与斗杆铰点和斗杆与动臂铰点连线的延长线上,且该3点所在的直线位于铅垂线上。该工况下载荷为重力、切向力和侧向力。
      (5)计算工况5:斗杆油缸全缩,动臂油缸保证使动臂和斗杆展开的离上车架回转中心线最远的位置。铲斗油缸伸到最长,使铲斗的位置能够装载物料。该工况下载荷为重力与惯性制动力矩。
      根据载荷作用,可以建立5种工况下工作装置集成有限元模型。图为计算工况1情况下整体有限元模型,图为计算工况2情况下整体有限元模型。通过对部件间的角度旋转及接合处结构的调整,可获得不同姿态工况的有限元模型,从而进行不同工况下的强度、刚度及模态分析研究。通过对各种工况下的有限元计算结果进行分析,可以得到不同工况下应力集中部位、危险截面发生部位及变形量最大部位。
      对于不同工况,根据工作装置承受载荷的不同,有限元分析结果存在差异。本研究主要以不同的典型工况为例,对工作装置进行强度、刚度及模态分析。
      以计算工况2为例,对工作装置进行整体集成强度分析。该工况是动臂和斗杆液压缸作用力臂最大,斗齿尖位于铲斗与斗杆铰点和斗杆与动臂铰点连线的延长线上,方向垂直于铲斗与斗杆铰点和斗杆与动臂铰点的连线,载荷为重力和切向力,作用在中齿齿尖上,这时动臂油缸所承受的拉力和斗杆油缸所承受的压力都达到了最大值。具体的加载方式如图所示。图为切向载荷和自身重力载荷作用时计算得到的工作装置整体应力图。表表示工作装置最大应力位置分布情况,斗杆和动臂均出现了大应力的位置。如图所示,从工作装置整体应力图中提取斗杆与动臂局部应力位置图,可以得到该工况下斗杆、动臂的应力分布情况,斗杆应力最大的位置在斗杆与动臂的连接处以及铲斗油缸的支座处;动臂大应力的位置主要是在斗杆油缸支座处、连接盖的根部以及动臂下盖板前端。


                                                                                  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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