单斗液压挖掘机的有限元静强度分析

***对450LCL单斗挖掘机的有限元静强度分析1对450LC单斗挖掘机的有限元静强度分析（机械工程与材料能源学部学号：***）摘要：本文使用ANSYS有限元方法对450LC液压挖掘机的动臂进行静力强度分析，包括利用中性面法进行有限元动臂模型的建模、单元和实常数的确定、网格划分、计算载荷的确定、施加约束和载荷、刚度与变形的分析等，得出动臂的应力云图与应变图，找出其受力最大的区域。关键词：挖掘机单斗反铲工作装置动臂中性面法单元实常数映射网格1挖掘机挖掘机是用来开挖土壤的施工机械。它是用铲斗上的斗齿切削土壤并装入斗中，装满土后提升铲斗并回转到工作地点卸土，然后再使转台回转、铲斗下降到挖掘面，进行下一次挖掘。单斗挖掘机是只有一个铲斗的挖掘机。挖掘机是铲装运输机械中的重要一种，在国民经济建设中发挥着重要的作用，广泛的应用于矿山水利、道路施工建设、现代化国防建设和市政建设中。图1单斗反铲挖掘机图2反铲工作装置和动臂反铲装置主要由动臂、斗杆，铲斗、动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸和四杆机构等组成。反铲主要用于挖掘停机面以下的土壤、基坑和沟壕等。是中小型挖掘机的主要工作装置。挖掘机工作装置在工作过程中其受力与运动的情况都比较复杂，主要体现在：（1）作业对象千变万化，在多种土质条件与复杂的建筑工地现场使用，受力情况比较复杂；（2）在工作过程中，每一个运动都是有2个或2个以上的部件参与工作；（3）在挖掘的过程中，受拉压、扭转与振动冲击等多种载荷的作用，且随着挖掘机姿态***对450LCL单斗挖掘机的有限元静强度分析2的不同，挖掘力的大小于方向都在不断发生着变化，因而实际的挖掘力是不确定的。动臂是由左右侧板、上下盖板、前插板及其它辅助结构件等，动臂是挖掘机的关键件，也是主要承力部件。3动臂的有限元分析挖掘机动臂的实体模型图：1XYZ45boomDEC11201010:35:14AREASTYPENUM图2挖掘机动臂实体模型图通常情况下需要首先建立几何模型，然后根据几何模型生成有限元模型。在几何模型建立之前，需要先分析实体的结构特征，确定这些特征建立的先后顺序，以及每个模型的建模方法，使所建立的几何模型尽量准确接近物体的几何结构，但对于结构形式非常复杂，而对于要分析的问题来讲又不是很关键的部位，应根据实际情况进行简化，使特征尽可能的简单，参数尺寸尽可能的少，以便降低建模难度，节约工作时间。在进行了上述的分析后，然后利用ANSYS提供的建模命令来创建动臂的三维模型。3.1选取有限元单元和定义材料属性本次的动臂建模采用Shell板壳单元8nodes9单元类型。单元实常数是依赖于单元类型的单元特性，对于Shell板壳单元，其单元实常数为厚度。本次建模中，由于动臂各组成部分的厚度不同，其赋予的实常数值也不同。本次建模中，对Shell63单元共赋予了11个不同的厚度实常数。动臂主要是由钢板焊接而成，根据实际模型，可选择3。密度7.83/mmg，弹性模量2.06510Mpa,泊松比0.3。3.2建立有限元模型动臂模型的建立采用中性面的方法，即采用板壳建模的方法，先用表面建模，最后赋厚度实常数。对于焊缝则不作处理，模型中没有考虑焊缝的影响。在实际情况中，良好质量的***对450LCL单斗挖掘机的有限元静强度分析3焊缝能够减小应力集中，即实际结构中的最大应力应低于计算值。在建模的过程中，要学会建立局部坐标系，这样可使建模更容易实现。布尔运算在建模的过程中发挥着重要的作用。在建模完成之后，网格划分之前，一定要将建立的几何模型粘结起来，否则在后续的处理过程中，相邻面的网格没有公共边界，在施加约束和载荷后，载荷传不到动臂的各个组成部分，将使模型撕裂开来，无法得到正确的分析结果。3.3网格划分网格划分的好坏，对计算精度的影响很大，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。ANSYS提供了两种划分网格的方法：智能网格划分和手工划分。智能网格划分是ANSYS所提供的强大的自动划分工具，有自己的内部机制，使用智能网格划分在很多情况下更有利于在网格自动生成的过程中生成合理的单元，所以在本次的网格划分中首先智能网格划分来划分网格。若划分失败，出现畸形网格，再采用手工划分的方式。在动臂的关键部位，例如动臂与斗杆的交界处的双耳、动臂与动臂油缸铰接处的双耳则采用映射网格来划分。网格划分后，动臂的模型如下：1XYZ45boomDEC11201010:39:54ELEMENTS图3划分网格后的动臂模型图采用映射网格局部细化的铰耳图：***对450LCL单斗挖掘机的有限元静强度分析4图4映射网格的铰耳图3.4施加约束和载荷根据挖掘机动臂的工作条件来模仿约束，对动臂施加约束。对于有限元静力分析，必须限制模型的刚体位移，因此选择约束是必须的。本次选择对动臂与上车机构铰y接处的销孔点进行约束及动臂与动臂油缸的销孔点进行约束，约束x、y、z方向的位移，并约束绕x、y方向的转动，只留下z方向的旋转没有约束。在动臂与斗杆的铰接处与-x轴成45°施加10000N的力，动臂与动臂油缸处施加-x轴5000N的力。3.5动臂有限元模型的分析施加约束和载荷后，对动臂有限元模型进行求解，得出动臂的等效应力云图和应变图。1MNMXXYZ45boom.795E-0617.42334.84652.26969.69287.115104.538121.961139.384156.807DEC11201013:11:09NODALSOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1SEQV(AVG)DMX=10.416SMN=.795E-06SMX=156.807图5动臂的Vonmissedstress图***对450LCL单斗挖掘机的有限元静强度分析51MNMXXYZ45boom01.1572.3153.4724.6295.7876.9448.1019.25910.416DEC11201013:09:00NODALSOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1USUM(AVG)RSYS=0DMX=10.416SMX=10.416图6动臂的变形图从动臂的VonMises应力云图可以看出，动臂大部分部位的应力值较小，而在动臂和上车铰接处有很大的应力集中，局部应力甚至超过了材料的屈服极限，应考虑在动臂铰接点周围采取加强措施。从动臂的变形图可以看出，离动臂下铰耳越远，其变形越大，要求刚性越好。4结语利用ANSYS有限元方法对450LC液压挖掘机的动臂进行有限元的建模，并结合实际受力特点施加等效的节点应力和各种约束，并对动臂的静强度和刚度进行了分析。从而找出了受力最大和区域和变形最大的区域。ANSYS具有强大的数值分析功能，是有限元分析的主要软件之一，在工程机械的机构计算分析中得到广泛的应用。利用ANSYS软件进行建模分析，使设计者在虚拟设计阶段就可以比较容易的分析和修改设计方案，能够避免传统设计方法浪费材料等的缺点，降低生产成本，缩短开发周期，提高产品质量和企业的市场竞争力。***对450LCL单斗挖掘机的有限元静强度分析6参考文献【1】曹善华.单斗挖掘机.北京.机械工业出版社，1989【2】孔德文.赵克.徐宁生.液压挖掘机2007【3】基于Pro/E和ANSYS的挖掘机动臂的分析，朱春华，郭秀云，王少雷煤矿机械1003-0794（2009）04-0073-03【4】液压挖掘机动臂的有限元分析.中国一拖技术中心于硕张建宗孔喆【5】有限元分析在液压挖掘机工作装置设计上应用.梁晓东.应用科技【6】单斗挖掘机.同济大学.中国建筑工业出版社【7】张铁.液压挖掘机结构原理及使用.石油大学出版社【8】王润富.陈国荣.弹性力学及有限元方法.高等教育出版社