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基于ANSYS的凿岩机伸缩臂有限元分析

发布于:2016-09-28 20:42
有限元分析

      TR1000型凿岩机是为适应我国采矿、交通、水利等事业的发展需要,在引进外国相关技术的基础上,由汤姆洛克洛阳企业研究开发的一种凿岩设备,该机重量大、功率高、使用方便,可在前方半个空间方向上任意凿岩。因此,该机的研制成功将成为矿山机械方面的一项重大成果,填补了我国凿岩机方面的空白。在该产品的设计开发过程中,最关键的技术就是该机的力学计算与静动态应力测试。因为该机在各种复杂的工况下进行工作,十几米长的多节悬臂要完成各种动作,除了机器本身的自重和悬臂所受的工作反力之外,还有钻头凿岩的冲击性荷载和运动产生的动荷载,要保证这个大型机器的正常工作,准确定位、各构件的强度和工作的稳定性自然成为大家首要关心的问题。
      就是在静力测试的基础上,采用通用有限元分析程序对该机伸缩臂部分进行强度分析
      TR1000型凿岩机由于机器本身自重大,在其工作时伸缩臂部分要大跨度前伸,由此形成较大的静弯矩和静扭矩,同时伸缩臂要左右上下摆动由此形成动荷载,再加上岩壁的工作反力,以及钻头凿岩的冲击性荷载,这一系列冲击性荷载对机器本身的强度和工作可靠性影响比较大,是设计过程中要考虑解决的首要问题,所以大家重点对机器的伸缩臂部分进行分析。伸缩臂为两节伸缩式箱形臂,其计算简图如图所示。各节臂之间可以相对滑动,靠它们搭接的上下滑块来传递作用力。基本臂1根部与底座转台通过水平销轴铰接,且基本臂还与变幅液压油缸铰接,可实现伸缩臂在变幅平面内自由转动。两节臂的截面基本相同,呈封闭的矩形截面薄壁结构,如图所示。
      伸缩臂的设计计算通常的方法是将伸缩臂结构视为梁模型进行强度及刚度等方面的分析。但实际上,伸缩臂是由薄板对焊起来的箱形结构,为板壳模型。解决变截面板壳模型的受力问题,比较有效的方法是有限元法。大家采用功能强大的、技术上非常成熟的商用有限元AppANSYS为工具来进行计算、分析。基于伸缩臂的实际工况较多,限于篇幅,本研究仅以全伸臂工况为例(伸缩臂+滑梁全长L=11.03m),先容TR1000型凿岩机伸缩臂结构有限元的分析过程。
      各节臂的筒体由薄板构成,所计算工况左右对称。利用ANSYS强大的造型功能,如:拉伸、移动、拷贝、布尔加减运算、粘接等,可方便地建模。
      伸缩臂薄板采用板壳单元Shell63来离散。Shell63是一种4节点线弹性单元,它遵循基尔霍夫假定,即变形前垂直中面的法线变形后仍垂至于中面,而且这种单元可以同时考虑弯曲变形及中面内的膜力,比较符合伸缩臂的实际受载情况。两节臂之间连接的滑块、伸缩臂与滑梁连接部分以及基本臂根部约束部位受力比较集中,选择实体单元10节点3D Solid92。考虑到每节臂之间都有搭接部分,若是每块板逐个进行网划分,效率低下,容易出错,为此大家先在实体模型上指定属性,即赋予所有实体需划分的单元、材料属性、实常数等,然后有程序一次性对所有板、块进行网格划分,同时也避免了在网格划分操作中重复设置属性。若是对某些网格形状不满意,还可以对这部分重新进行划分,因为重新划分时,可以删除已有的网格,但不会删除所指定的属性。在整个网格划分过程中,可以手动控制单元边长,也可以采用自由(free)及映射(mapped)方式划分。本文在网格单元划分时采用手动控制单元边长,这样可以控制单元形状尽可能规则,避免形状畸形。最终形成伸缩臂的有限元网格规模:节点数30058个,单元数35751个,其中板单元13375个,实体单元22376个。


                                                                                  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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