挖掘機操作臂的建模與仿真分析

1、河北工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文）初稿畢業(yè)設計（論文）題目：挖掘機動臂建模及分析挖掘機操作臂的建模與仿真分析摘要： 挖掘機集挖掘和裝載功能于一體，在基礎建設和民用建筑建設中的使用與日俱增，但液壓挖掘機的工作條件比較惡劣，造成工作裝置可靠性較差。本文對挖掘機進行虛擬仿真及運動和有限元分析，從而為改進挖掘機設計、提高挖掘機工作的穩(wěn)定性提供了理論依據(jù)。具體的工作步驟：對挖掘機工作裝置進行建模仿真，建立各個零件的三維模型圖，裝配挖掘機操作臂的三維結(jié)構模型，進行挖掘機操作臂的運動仿真模型，并對其運動分析，提供運動性能分析參數(shù)；對挖掘機操作臂的進行力學分析，采用ANSYS 分析軟件對挖掘機操作臂的主要零部件

2、進行有限元分析，給出出應力分析云圖和變形圖；能夠?qū)Ψ治鼋Y(jié)構提出建議和意見。 目錄1 引言（挖掘機發(fā)展概況及仿真分析的意義）11.1 挖掘機的發(fā)展歷史11.2 本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）32 挖掘機工作裝置的建模仿真42.1采用UG軟件對挖掘機工作裝置進行建模仿真42.2挖掘機工作裝置的運動仿真113挖掘機工作裝置主要結(jié)構的受力分析 113.1 斗桿的計算載荷 113.2 斗桿載荷的計算 124 挖掘機工作裝置的有限元分析124. 1 有限元分析軟件簡介1242 ANSYS中的有限元分析步驟164. 3 挖掘機操作臂的有限元分析 20結(jié)論29參考文獻291 緒論 挖掘機發(fā)

3、展概況及仿真分析的意義1.1 挖掘機的發(fā)展歷史液壓挖掘機是功能最典型、結(jié)構最復雜、用途最廣泛的工程機械之一，作為工程機械的代表產(chǎn)品，它在工業(yè)與民用建筑、交通運輸、水利電力工程、礦山采掘以及軍事工程等施工中起著極為重要的作用1。第一臺手動挖掘機問世至今已有130多年的歷史，期間經(jīng)歷了由蒸汽驅(qū)動斗回轉(zhuǎn)挖掘機到電力驅(qū)動和內(nèi)燃機驅(qū)動回轉(zhuǎn)挖掘機、應用機電液一體化技術的全自動液壓挖掘機的逐步發(fā)展過程。由于液壓技術的應用，20世紀40年代有了在拖拉機上配裝液壓反鏟的懸掛式挖掘機，20世紀50年代初期和中期相繼研制出拖式全回轉(zhuǎn)液壓挖掘機和履帶式全液壓挖掘機。初期試制的液壓挖掘機是采用飛機和機床的液壓技術，缺少

4、適用于挖掘機各種工況的液壓元件，制造質(zhì)量不夠穩(wěn)定，配套件也不齊全。從20世紀60年代起，液壓挖掘機進入推廣和蓬勃發(fā)展階段，各國挖掘機制造廠和品種增加很快，產(chǎn)量猛增。1968-1970年間，液壓挖掘機產(chǎn)量已占挖掘機總產(chǎn)量的83%，目前已接近100%。1.1.1 挖掘機的類型及發(fā)展趨勢工業(yè)發(fā)達國家的挖掘機生產(chǎn)較早，法國、德國、美國、俄羅斯、日本是斗容量3.5-40m³單斗液壓挖掘機的主要生產(chǎn)國，從20世紀80年代開始生產(chǎn)特大型挖掘機。例如，美國馬利昂公司生產(chǎn)的斗容量50-150m³剝離用挖掘機，斗容量132m³的步行式拉鏟挖掘機；B-E（布比賽路斯-伊利）公司生產(chǎn)的斗

5、容量168.2m³的步行式拉鏟挖掘機，斗容量107m³的剝離用挖掘機等，是世界上目前最大的挖掘機。從20世紀后期開始，國際上挖掘機的生產(chǎn)向大型化、微型化、多功能化、專用化和自動化的方向發(fā)展。1.1.2挖掘機操作臂的仿真研究實踐表明，定點挖掘是挖掘機最常見和最頻繁的工作之一，主要由其工作裝置完成。而且隨著工程機械機器人化的研究發(fā)展，液壓挖掘機的自動化也逐漸成為各國的研究重點，尤其是局部自動化【2】；在這方面的研究中，多數(shù)工作集中在對挖掘機的工作裝置進行控制。目前國內(nèi)外對于挖掘機工作裝置控制的研究中，通常把其工作裝置作為多自由度的機器手來處理，控制工作裝置的末端（即鏟斗尖）以跟

6、蹤規(guī)劃好的期望軌跡，期望軌跡就被稱為鏟斗軌跡控制中的目標值；如：自動挖掘，自動裝載等3-5。因此本文著重點就是對挖掘機定點挖掘過程中工作裝置機構的動力學進行仿真【6】。挖掘機液壓系統(tǒng)是由多個液壓元件組成的復雜非線性系統(tǒng)，各液壓元件間依靠液壓介質(zhì)進行能量的傳遞，同時依靠控制系統(tǒng)傳遞的控制信號實現(xiàn)壓力、流量的控制【7】。對挖掘機這樣的復雜液壓系統(tǒng)進行定性和定量的仿真，依靠傳統(tǒng)的僅用微分和差分方程的方法不能很好地模擬系統(tǒng)實際的各種工作性能，因此目前多采用Matlab語言的Simulink模塊對挖掘機液壓系統(tǒng)進行仿真8。而對于挖掘機這樣復雜的機械系統(tǒng)，要想準確地控制其運動，對其進行動力學建模是必不可少

7、的，對其機構的動力學進行仿真采用UG軟件，而對其進行有限元分析我們采用Ansys軟件9。挖掘機工作裝置是一個具有三個自由度的平面連桿系統(tǒng)，分析是可按平面機構進行。普通挖掘機工作裝置的結(jié)構中鏟斗油缸與鏟斗的連接一般有兩種形式：一種是鏟斗與鏟斗油缸直接連接的機構形式；另一種是鏟斗與鏟斗油缸之間通過搖桿和連桿間接連接的機構形式 10。單斗液壓挖掘機在實際工作時工作裝置承受隨機載荷。構件的應力時間歷程為一連續(xù)的準穩(wěn)態(tài)隨機過程。每一個工作周期都由挖掘、回轉(zhuǎn)、卸載，返回等四個過程組成【11】。1.1.3虛擬樣機技術的概念及意義挖掘機操作臂的建模與仿真，屬于虛擬樣機技術。虛擬樣機技術是以虛擬樣機和虛擬樣機環(huán)

8、境為基礎，將系統(tǒng)工程方法、反求工程方法、優(yōu)化方法、計算機建模仿真技術、計算機輔助設計技術和計算機支持協(xié)同工作、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等有機地結(jié)合在一起，為產(chǎn)品的全壽命周期設計和評估提供分布式的集成環(huán)境，以達到優(yōu)化整個設計周期，節(jié)約開發(fā)成本的目的【12】。虛擬樣機技術采用數(shù)字仿真的形式進行虛擬產(chǎn)品設計開發(fā)，仿真模型的參數(shù)就是物理樣機的設計參數(shù)，仿真模型能替代物理樣機進行設計參數(shù)的測試評估。虛擬樣機技術無需制造實物樣機就可預見和預測產(chǎn)品的性能，節(jié)省了物理樣機制造裝配時間，減免了高昂成本的物理樣機制造過程，降低了開發(fā)成本，同時減少了不合理方案盲目上馬的風險【13】。1996年世界最大的工程機械設備制造企業(yè)ca

9、terpiller公司，在反鏟裝載機新樣車設計過程中，曾產(chǎn)生了三個概念上都可行的方案，但在設計過程中采用虛擬樣機技術，當技術人員“坐進”虛擬樣機駕駛室時發(fā)現(xiàn)，其中有兩個方案中的駕駛員無法看到反鏟連桿最低位置。根據(jù)這點，不僅確定了正確的設計方案，節(jié)約了其他兩個機型制造所需的費用，還減少了不合理方案盲目上馬的風險。又如,John Deere 公司曾遇到工程機械在高速行駛時的蛇行現(xiàn)象及在重載下的自激振動問題，采用虛擬樣機技術后不僅找到了原因，而且提出了改進方案，同時在虛擬樣機上得到了驗證，最終應用到實際產(chǎn)品中14。虛擬樣機技術采用數(shù)字仿真的形式進行虛擬產(chǎn)品設計開發(fā)，仿真模型的參數(shù)就是物理樣機的設計參

10、數(shù)，并替代物理樣機進行設計參數(shù)的測試評估；無需制造實物樣機就可預見和預測產(chǎn)品的性能，減免了高昂成本的物理樣機制造過程，降低了開發(fā)成本15。因此虛擬樣機技術用于液壓挖掘機開發(fā)的整個過程，作為樣機設計的有效手段，有助于挖掘機企業(yè)部分甚至全部擺脫對物理樣機的依賴，達到縮短挖掘機設計開發(fā)周期、降低設計成本、提高設計質(zhì)量、實現(xiàn)挖掘機現(xiàn)代制造模式的目的【16】。1.2 本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）1.2.1 本課題要研究或解決的問題（1）、根據(jù)挖掘機操作臂的傳動原理方案，進行運動學分析。（2）、挖掘機操作臂的建模與仿真分析（3）、采用ansys分析軟件對挖掘機操作臂的主要零部件進行有

11、限元分析，做出應力分析云圖和變形圖。1.2.2 擬采用的手段（1）、查找中外挖掘機相關資料，深入了解挖掘機操作臂的結(jié)構形式及運動狀態(tài)。（2）、學習并利用UG，能夠通過軟件的方式建模仿真。UG 的建模過程： 1) 確定零件結(jié)構。 2) 創(chuàng)建三個固定基準面和三個固定基準軸!XZ 平面、YZ 平面、ZY 平面和X 軸、Y 軸、Z 軸； 3) 建立草圖選擇XZ 平面為草圖平面，用草圖中的曲線命令繪制回轉(zhuǎn)體剖面的形狀，忽略不影響繪圖標注的倒角和圓角；添加幾何約束和尺寸約束使草圖約束，完成草圖。 4) 利用草圖生成回轉(zhuǎn)體，完成實體模型。 5) 利用仿真模塊對其進行運動仿真。（3）、學習并利用ansys 對

12、操作臂的主要零部件進行有限元分析。利用ansys 軟件與UG 的接口，在ansys 軟件中加載上面的模型。ANSYS 程序提供了使用便捷、高質(zhì)量的對CAD 模型進行網(wǎng)格劃分的功能。包括四種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由 劃分和自適應劃分。延伸網(wǎng)格劃分可將一個二維網(wǎng)格延伸成一個三維網(wǎng)格。求解模塊SOLUTION 前處理階段完成建模以后，進入分析求解模塊。用ansys分析受力情況，畫出應力分布圖。分析根據(jù)應力變化情況加以改進，來改善操作臂的受力情況。2 挖掘機工作裝置的建模仿真2.1采用UG軟件對挖掘機工作裝置進行建模仿真UG中有三種建模方法：實體建模、特征建模、自由曲面建模。實體建模模塊

13、繼承了基于草圖約束的特征建模算法，提供了強有力的復合建模工具，使用戶能夠充分利用傳統(tǒng)的實體、面、線框造型優(yōu)勢。特征建模模塊使用工廠特征定義設計信息，并提供了多種標準的設計特征，可以對這些設計特征進行參數(shù)化定義，可以對這些特征進行參數(shù)化定義。自由曲線建模用于建立形狀復雜的曲面形狀，例如葉片或葉輪等復雜的工業(yè)零部件的造型設計。對挖掘機的工作裝置進行建模大部分采用的是實體建模的方法，個別形狀復雜的零件采用了特征建模的方法。挖掘機的工作裝置機械結(jié)構的三個主要部分為動臂、斗桿、鏟斗。下面對這三個部分分別進行建模仿真。2.11動臂的建模 動臂的主體框架是由上蓋板、下蓋板、左側(cè)板、右側(cè)板焊接而成的箱型結(jié)構。

14、上下蓋版均由前后兩塊板拼焊而成，每塊板都采用厚度為15mm的12MnTiN6鋼板，焊接形式為“45o斜線”焊縫。左右側(cè)板分別由前、后、中三塊鋼板拼焊而成。前、后版都采用厚度為12mm的12MnTiN6鋼板，中側(cè)板采用厚度為15mm的12MnTiN6鋼板。側(cè)板間的焊接形式為斜線焊縫。動臂與轉(zhuǎn)臺、斗桿聯(lián)結(jié)的軸座均用ZG270-550材料鑄造而成，與動臂油缸聯(lián)結(jié)的軸座也是用ZG270-550材料鑄造而成，在軸座四周焊有四塊筋板以提高強度，上述軸座分別與箱形框架焊接成為動臂。在框架的不同位置還焊有三塊筋板以提高強度。在動臂上平面的前、后部個焊有兩個吊耳。以便裝配盒拆卸時吊用。斗桿油缸的聯(lián)接座焊在箱形框

15、架上。圖2.1動臂上蓋板模型圖2.2 動臂下蓋板模型圖圖2.3 動臂下軸承支座圖2.4 動臂連接座模型圖2.5 動臂側(cè)板模型圖2.6 液壓缸在動臂上的支座圖2.7 動臂結(jié)構總成圖2.1.2 斗桿主要結(jié)構及其建模斗桿的主體框架是由上蓋板、下蓋板、左蓋板、右蓋板個一塊焊接而成的箱形結(jié)構。上蓋板和下蓋板均是厚度為20mm的12MnTiN6鋼板。左、右側(cè)板分別由前、中、后三塊鋼板拼焊而成。前板采用厚度為20mm的12MnTiN6鋼板，中側(cè)板采用厚度為12mm的12MnTiN6鋼板，厚板采用厚度為15mm的12MnTiN6鋼板。側(cè)板見的焊接形式為斜線焊縫。與鏟斗、斗桿油缸聯(lián)結(jié)的軸座均由35鋼管加工而成。

16、個軸座分別與箱形框架焊合而成斗桿。圖2.8 斗桿上蓋板模型圖2.9 斗桿下蓋板模型圖2.10 斗桿側(cè)板圖2.11 斗桿油缸連接座圖2.12 連桿連接座圖2.13 鏟斗油缸連接座圖2.14 斗桿裝配圖2.1.3鏟斗部分的建模挖斗得平斗斗容為1m3。挖斗的斗體由鋼板拼焊而成，斗底板上的筋板材料為A3F。斗桿連接座由35鋼管加工而成，并與斗體焊接成一體。斗齒采用ZG40Mn材料鑄造而成，它與斗體是通過螺栓連接起來的。圖2.15 斗齒的模型圖2.16 鏟斗連接座圖2.17 鏟斗裝配圖2.1.4通過UG 的裝配模塊，約束需要裝配的動臂、斗桿、挖斗相關的面平行關系和與之配對的空中心線重合，可以實現(xiàn)挖掘機總

17、體的轉(zhuǎn)配。圖2.18 總體裝配圖2.2 挖掘機工作裝置的運動仿真利用UG/Modeling的功能建立了一個三維實體模型后，并不能直接將各個部件按一定的連接關系連接起來，必需給各個部件賦予一定的運動學特性，即讓其成為一個可以與別的有著相同的特性的部件之間相連接的連桿構件（Link）。同時，為了組成一個能運動的機構，必需把兩個相鄰構件（包括機架、原動件、從動件）以一定方式聯(lián)接起來，這種聯(lián)接必需是可動連接，而不能是無相對運動的固接（如焊接或鉚接），凡是使兩個構件接觸而又保持某些相對運動的可動連接即稱為運動副。在UG/Motion中兩個部件被賦予了連桿特性后，就可以用運動副（Joint）相聯(lián)接，組成運

18、動機構。這部分的工作在接下來進行。3 挖掘機工作裝置主要結(jié)構的受力分析3.1 斗桿的計算載荷挖掘機在工作中有幾個典型的工況位置。(1)鏟斗最高位置處的姿態(tài)。鏟斗最高位置出現(xiàn)在動臂油缸全伸,斗桿油缸和鏟斗油缸全縮時。(2) 最高卸載高度處的姿態(tài)。工作裝置處于最高卸載高度處,動臂油缸全伸,斗桿油缸全縮,鏟斗處在垂直工作地面向下的位置,該位置挖掘機工作裝置先滿斗上升,到卸載位置處開始卸載,其目標是使裝載車達到盡可能多的物料裝載。其中涉及的運動包括:上升過程的加速與減速,卸載過程的抖動卸料及卸載完后的加速下降。(3) 最大挖掘半徑的姿態(tài)。挖掘機的設計規(guī)范中,最大挖掘半徑是評價挖掘能力的主要標準之一,它

19、決定著挖掘機的挖掘范圍。該位置出現(xiàn)在斗桿油缸全縮,鏟斗齒尖、斗桿與鏟斗鉸接點及斗桿與斗桿油缸鉸接點這3 點處于同一直線上,且動臂油缸縮進使鏟斗齒尖處于地面上。在該位置處,工作裝置下落時,挖掘機將會產(chǎn)生很大的沖擊力,在挖掘的過程中也將受到很大的土壤阻力。(4) 最深挖掘位置處的姿態(tài)。此位置出現(xiàn)在動臂油缸全縮,斗桿與斗桿油缸鉸接點、斗桿與鏟斗鉸接點及鏟斗齒尖在同一直線上且垂直于挖掘面。該位置處,鏟斗中物料較多,土壤挖掘阻力較大,大臂、斗桿與鏟斗的受力都很大,同時該位置也是用于計算斗桿與鏟斗的危險情況的典型受力工況位置。故反鏟裝置斗桿的計算位置是：1） 動臂位于最低（動臂油缸全縮）；2） 斗桿油缸作

20、用力臂最大（斗桿油缸與斗桿尾部夾角為90度）；3）斗齒尖位于鏟斗與斗桿鉸點和斗桿與動臂鉸點連線的延長線上；4）側(cè)齒遇障礙作用有橫向力Wk。3.2 動臂的計算載荷 動臂的計算位置是：1） 動臂位于最低（動臂油缸全縮）；2） 斗齒尖、鏟斗與斗桿鉸點、斗桿與動臂鉸點三點位于垂直線上；3） 鏟斗挖掘、斗邊點遇障礙時。載荷計算還沒有完成，正在進行之中。4 挖掘機工作裝置的有限元分析4.1 有限元分析軟件簡介有限元分析軟件近年來主要有：ANSYS、NASTRAN、MAC等，本文用ANSYS。下面對有限元分析軟件ANSYS進行簡單的介紹。ANSYS是20世紀70年代由ANSYS公司開發(fā)的工程分析軟件。ANS

21、YS程序是一個功能強大的靈活的設計分析及優(yōu)化，融結(jié)構、熱、流體、電磁聲學與一體的大型通用有限元商用分析軟件。可廣泛應用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學，輕工，地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學研究。該軟件提供了一個不斷改進的功能清單，具體包括：結(jié)構高度非線性、電磁分析、計算流體動力分析、設計優(yōu)化、接觸分析、自適應網(wǎng)格劃分。大應變/有限轉(zhuǎn)動功能以及利用ANSYS參數(shù)設計語言（APDL）的擴展宏命令功能?；贛otif的菜單系統(tǒng)使用戶能夠通過對話框、下拉式菜單和子菜單進行數(shù)據(jù)輸入和功能選擇，方便用戶操作。在產(chǎn)品設計中，用戶可以

22、使用ANSYS有限元分析軟件對產(chǎn)品性能進行防真分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品問題，降低設計成本，縮短設計周期，提高設計的成功率。ANSYS軟件能與大多數(shù)CAD軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與交換。如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、I-DEAS和AutoCAD等，它是現(xiàn)代產(chǎn)品設計中高級的CAD/CAE軟件之一。ANSYS軟件的最初版本與今天的版本相比已有很大的區(qū)別，它僅僅提供了熱分析及線性結(jié)構分析功能，是一個批處理程序，只能在大型計算機上使用。20世紀70年代初，非線性、子結(jié)構以及更多的單元類型的加入；20世紀70年代末，圖形技術和交互式操作技術進入了一個嶄新的階段。今天ANSYS軟件更加趨于完善，功

23、能更加強大，使用更加便捷。ANSYS程序是一個功能強大、靈活的設計分析及優(yōu)化軟件包。該軟件可浮動運行于從PC機、NT工作站、UNIX工作站直至巨型機的各類計算機及操作系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺上均兼容。其多物理場耦合的功能，允許在同一模型上進行各式各樣的耦合計算，如：熱-結(jié)構耦合、磁-結(jié)構耦合以及電磁流體-熱耦合，在PC機上生成的模型同樣可進行于巨型機上，這樣就保證了所有的ANSYS用戶的多領域多變工程問題的求解。ANSYS可與許多先進CAD軟件共享數(shù)據(jù)，利用ANSYS的數(shù)據(jù)接口，可精確地將在CAD系統(tǒng)下生成的幾何數(shù)據(jù)傳入ANSYS，并通過必要的修補可準確地在該模型上劃分網(wǎng)格

24、并求解，這樣可以節(jié)省用戶在創(chuàng)建模型過程中所花費的大量時間，極大地提高了工作效率17。傳動系統(tǒng)箱體在傳動過程中承載量大，對其結(jié)構特性的靜態(tài)分析必須有效地反映其變形情況，進而得到改進的方法。有限元法可以準確了解結(jié)構的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，因而箱體結(jié)構的有限元分析可以為解決箱體結(jié)構設計提供有效的信息。隨著計算機應用技術的提高，以有限元分析技術為基礎的形狀優(yōu)化（Shape Optimization）技術得到了發(fā)展，它主要研究如何確定連續(xù)體結(jié)構的邊界形狀或者內(nèi)部幾何形狀，以改善結(jié)構的特性。其中更多的是降低應力集中、改善應力的分布狀況，提高疲勞強度、延長結(jié)構壽命。它通過改變區(qū)域的幾何形狀來達到某種意義上的最

25、優(yōu)。因此，利用形狀優(yōu)化技術對零件的整體尺寸設計后，再利用形狀優(yōu)化技術對零件的局部邊界形狀進行優(yōu)化，使得設計的零件在整體結(jié)構上滿足設計準則的要求，在局部區(qū)域又改善了應力分布。同時，通過形狀優(yōu)化不僅可以降低應力集中，更重要的是提高了材料的利用率，使載荷能夠均勻分布在結(jié)構的材料上。41.1 ANSYS軟件特點及主要技術特點ANSYS程序是一個功能強大的設計分析及優(yōu)化軟件包。與其它有限元分析軟件如SAP或NASTRAN等相比，它有以下特點： （1）ANSYS是完全的WINDOWS程序，從而使應用更加方便；（2）產(chǎn)品系列由一套可擴展的、靈活集成的各模塊組成，因而能滿足各行各業(yè)的工程需要； （3）它不僅可

26、以進行線性分析，還可以進行各類非線性分析； （4）它是一個綜合的多物理場耦合分析軟件，用戶不但可用其進行諸如結(jié)構、熱、流體流動、電磁等的單獨研究，還可以進行這些分析的相互影響研究。其主要的技術特點是： ANSYS能夠?qū)崿F(xiàn)多物理場耦合分析的有限元分析軟件1、ANSYS能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構、溫度場、流場、電磁場之間的耦合分析。對于很多工程問題，這些物理場是相互影響、相互作用的，例如溫差會引起熱應力、電磁感應會產(chǎn)生熱等。ANSYS提供直接和間接兩種耦合方式，直接耦合是指各使用帶有多場自由度的耦合單元；間接耦合是指各物理場擁有自己的“物理環(huán)境”。一個“物理環(huán)境”中的分析結(jié)果可以作為其它“物理環(huán)境”的載荷或約束

27、，耦合可以是雙向的。2、 ANSYS是能實現(xiàn)前后處理、分析求解及多物理場統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的分析軟件。ANSYS將模型信息（單元、節(jié)點、材料等），邊界信息（載荷、約束等）以及后處理信息（求解結(jié)果等）集成在一個數(shù)據(jù)庫中；在使用ANSYS進行耦合場分析時，各物理環(huán)境也共用一個數(shù)據(jù)庫；這樣極大地方便了用戶的使用。3、強大的結(jié)構非線性分析功能ANSYS在結(jié)構分析中的非線性功能包括幾何非線性、材料非線性、狀態(tài)非線性及單元非線性。其中幾何非線性包括大變形、大應變、應力剛化與旋轉(zhuǎn)軟化等。ANSYS提供了100余種包括橡膠、炮沫、巖石、土壤等特殊材料的非線性材料模式，提供了20余種接觸類型，包括剛體對柔體、柔體對柔體

28、接觸、自接觸、固聯(lián)失效接觸等。ANSYS提供了100多種單元類型，包括死活單元、集中質(zhì)量單元、斷裂單元、鋼筋混凝土單元、非線性阻尼彈簧單元等，可專門模擬各種特殊問題。4、獨一無二的優(yōu)化功能ANSYS的設計優(yōu)化允許優(yōu)化任何合理參數(shù)形狀、應力、自然頻率、溫度、磁勢等等，可應用于任何類型的分析（結(jié)構、熱、流體、電磁），并且是唯一能夠?qū)崿F(xiàn)電磁場、流場以及耦合場優(yōu)化的有限元分析軟件。5、靈活、快速的求解器ANSYS提供多種求解器，以滿足不同分析類型的需求。有穩(wěn)定可靠的傳統(tǒng)波前求解器，也有高速、高精度的PCG求解器，專門用語模態(tài)分析的BLOCK LANCZOS特征求解器，以及JCG、ICCG、稀疏矩陣求解

29、器。CFD專用的TDMA、PCCR、PCG、PGMR求解器等。6、豐富的網(wǎng)格劃分工具，確保單元形態(tài)及求解精度ANSYS支持自由網(wǎng)格、映射網(wǎng)格、智能網(wǎng)格、自適應網(wǎng)格等多種網(wǎng)格劃分方法?？蓪W(wǎng)格的尺寸、形態(tài)等進行靈活的控制。ANSYS還提供一些特殊的網(wǎng)格劃分功能，例如3D實體上由四邊形面網(wǎng)格直接拖拉生成六面體網(wǎng)格、模擬邊界層網(wǎng)格剖分工具、六面體自動向四面體過渡的金字塔網(wǎng)格等。7、支持所有軟、硬件平臺，且所有平臺的ANSYS數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一，界面統(tǒng)一ANSYS軟件與當今的計算機技術同步飛速發(fā)展，支持從PC機的WIN95到NT、UNIX工作站（SGI、HP、SUN、DEC、IBM等）以至CRAY這樣的巨型機

30、，而且全部支持并行計算，充分利用計算機的軟、硬件資源。ANSYS是目前唯一能夠做到在所有支持的軟、硬件平臺上界面統(tǒng)一、數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一的有限元分析軟件。ANSYS的網(wǎng)格浮動最大程度地保護用戶的軟、硬件投資，也就是說，如果用戶未來改善了硬件環(huán)境，只需一根網(wǎng)線即可在新添的硬件平臺上運行ANSYS。8、ANSYS與CAD及CAE軟件的接口ANSYS可提供與大多數(shù)的CAD軟件的接口。例如Pro/E、CADDS、UG、CATIA、I-DEAS、MDT、SolidWorks、MicroStation等。讀取這些CAD軟件的圖形文件或圖形轉(zhuǎn)換文件。ANSYS還可以直接集成在CADDS、Pro/E、UG的CAD環(huán)境

31、中，真正作到CAD/CAE一體化。ANSYS公司還提供與其他分析軟件的接口，讀取這些軟件的節(jié)點、單元甚至材料特性與邊界條件。9、開放的ANSYS 偏曲軸少齒差行星減速器優(yōu)化設計 ANSYS提供了四種方式的二次開發(fā)工具：APDL是嵌入在ANSYS內(nèi)部的參數(shù)化設計語言，不僅能直接調(diào)用ANSYS命令和數(shù)學函數(shù)，還擁有循環(huán)、判斷等高級語言功能；UIDL是ANSYS界面開發(fā)工具，利用它可以修改菜單增加對話框等；外部命令，使用C+語言可為ANSYS編寫外部命令，例如與CAD軟件接口等；UPF則將用戶開發(fā)的FORTRAN或C程序與ANSYS連接到一起。412 ANSYS軟件功能ANSYS軟件含有多種有限元分

32、析的能力，包括從簡單線性靜態(tài)分析到復雜非線性動態(tài)分析。一個典型的ANSYS分析過程可分為以下三個步驟： ·創(chuàng)建有限元模型·施加載荷并進行求解 ·查看分析結(jié)構 ANSYS軟件功能的強大與其有著很多的模塊應用是分不開的， 圖4.1 ANSYS的模塊結(jié)構在有限元分析過程中，程序通常使用以下三個部分：前處理模塊（PREP7），分析求解模塊（SOLUTION）和后處理模塊（POST1和POST26）。前處理模塊為一個強大的實體建模和網(wǎng)格劃分的工具，通過這個模塊用戶可以建立自己想要的工程有限元模型。分析求解模塊即是對已建立好的模型在一定的載荷和邊界條件下進行有限元計算，求解平

33、衡微分方程。包括結(jié)構分析、流體動力分析、聲場分析、電磁場分析、壓電分析和多物理場的耦合分析等。后處理模塊是對計算結(jié)果進行分析處理，可將結(jié)果以等值線、梯度、矢量、粒子流及云圖等圖形方式顯示出來，也可以用圖表、曲線的方式輸出18。42 ANSYS中的有限元分析步驟42.1 前處理前處理是指創(chuàng)建實體模型及有限元模型。它包括建立實體模型、定義單元屬性、劃分網(wǎng)格模型修正等幾個方面的內(nèi)容。與CAD相類似，ANSYS以數(shù)學的方式表達結(jié)構的幾何形狀，可以在里面劃分節(jié)點和單元，還可以在幾何模型邊界上方便地施加載荷，但是實體模型并不參與ANSYS的計算過程，而是ANSYS把施加在實體模型邊界上的載荷或者約束傳遞到

34、有限元模型上進行最終的求解。建立模型在整個分析過程中所花費的時間應該遠遠多于其他過程。首先必須指定作業(yè)名和分析標題（也可使用ANSYS軟件默認的作業(yè)名和標題，但不推薦這樣做），然后使用PREP7（預處理）處理器定義單元類型、單元實常數(shù)、材料特性和幾何模型。ANSYS程序的單元庫中有超過100多種的不同單元類型，每一種單元類型都有自己特定的編號和單元類型名；當為材料選擇了劃分網(wǎng)格的單元類型時，接下來應該輸入與此單元類型相關的單元常數(shù)。單元類型的實常數(shù)是根據(jù)所選的單元類型而定的；大多數(shù)單元類型在分析時都要指定材料特性，ANSYS程序可以選擇的材料特性有：線性或非線性、各向同性、正交異性或非彈性、不

35、隨溫度而變化或隨著問題變化；接下來就可以創(chuàng)建幾何模型，ANSYS中提供兩種創(chuàng)建有限元模型的方法：實體建模和直接生成。可以根據(jù)自己的需要選擇合適的方式來生成有限元模型。結(jié)構分析中把結(jié)構繞其軸旋轉(zhuǎn)一個角度，結(jié)構與旋轉(zhuǎn)前完全相同，則將這種結(jié)構稱為周期對稱結(jié)構。減速器下箱體結(jié)構特點是圓柱型的周期對稱結(jié)構，其旋轉(zhuǎn)周期=90º，因此在建立箱體有限元分析模型和求解時，只對1/4箱體進行建模和分析。雖然ANSYS軟件的前處理模塊具有建模功能，但與其他CAD軟件相比，其功能還不夠強大，對于一些形狀較復雜的模型，建構起來還非常困難。因此，設置了與多種CAD軟件如Pro/E、UG、AutoCAD等的數(shù)據(jù)交

36、換接口。通過這個接口，可以把模型直接傳入ANSYS中，然后進行網(wǎng)格劃分，加載求解等過程，此種方法適用于一些復雜的三維實體模型。本文采用UG和ANSYS的接口，將UG中的圖形以IGES格式導入ANSYS中。因為導入過程中的數(shù)據(jù)丟失，需要對其進行一定的修補和修改。在修復完成后就可以進行網(wǎng)格劃分，從而得到ANSYS中的有限元模型。4.22 網(wǎng)格劃分在ANSYS程序當中，網(wǎng)格劃分是在幾何模型建立好之后，最終進行求解之前完成的，也就是說，它既可以放在加載之前，也可以放在加載之后。在ANSYS中，有限元的網(wǎng)格是由程序自己來完成的，用戶所要做的就是通過給出一些參數(shù)與命令來對程序?qū)嵭小昂暧^調(diào)控”。總的來說，A

37、NSYS的網(wǎng)格劃偏曲軸少齒差行星減速器優(yōu)化設計 46 分有兩種。第一種是自由劃分網(wǎng)格（Free meshing），主要用于劃分邊界形狀不規(guī)則的區(qū)域，它所生成的網(wǎng)格相互之間是呈不規(guī)則的排列的。常常對于復雜形狀的邊界選擇自由劃分網(wǎng)格。它的缺點是分析精度往往不夠高。第二種是映射網(wǎng)格劃分（Mapped Meshing），該方法是將規(guī)則的形狀（如正方形，三棱柱等）映射到不規(guī)則的區(qū)域（如畸變的四邊形、底面不是正多邊形的棱柱等）上面，它所生成的網(wǎng)格相互之間是呈規(guī)則的排列的，分析的精度也很高。但是，它要求劃分區(qū)域滿足一定的拓撲條件，否則就不能進行映射網(wǎng)格劃分。而且該方法對于復雜形狀的邊界模擬能力較自由劃分網(wǎng)格

38、差。在非邊界區(qū)域盡可能地采用映射網(wǎng)格劃分，只有對于形狀復雜的邊界才采用自由劃分網(wǎng)格19。當然，對于精度條件不是很高的情況下，且沒有足夠的時間，不妨采用自由劃分網(wǎng)格。在對模型劃分網(wǎng)格之前，甚至在建立模型之前，確定是采用自由（free）網(wǎng)格還是采用映射（mapped）網(wǎng)格進行分析是十分重要的。自由網(wǎng)格對于單元形狀沒有限制，并且對模型沒有特定的要求。與自由網(wǎng)格相比，映射網(wǎng)格對其包含的單元形狀有限制，而且要求幾何模型必須滿足特定的規(guī)則。在ANSYS程序的前處理當中有功能強大的自動劃分網(wǎng)格模塊（MeshTool）,我們可以通過該功能快捷有效地將幾何模型轉(zhuǎn)化為物理模型（單元）。在MeshTool選項下面，

39、有絕大部分常用的網(wǎng)格劃分功能，至于完整的網(wǎng)格劃分功能，則都包含在Meshing里面。ANSYS中有限元網(wǎng)格劃分過程包括3個步驟：1）定義單元屬性；2）設置網(wǎng)格控制；3）生成網(wǎng)格。對于機械結(jié)構進行有限元網(wǎng)格劃分，從理論上來講是任意的，但在實際工作中必須考慮到現(xiàn)實性及經(jīng)濟性，因而在劃分時，必須遵循下列原則20： （1） 所選用的單元不應使受力狀態(tài)失真； （1） 結(jié)構的簡化應確保所需要的計算精度； （2） 盡可能利用對稱性、重復性，從而壓縮所需的計算機內(nèi)存量，減少計算時間； （4） 要選擇恰當?shù)臄?shù)學模型，保證計算精度，減少計算時間，降低計算費用。本文采用自由網(wǎng)格劃分，劃分前定義單元類型為Struct

40、ural Solid的Brick 10node 92單元，材料為鑄鋼，其材料特性參數(shù)分別為：彈性模量2.10×1011E/Mpa，泊松比為0.3，密度為7.85×103kg/m3。423 加載在ANSYS中大多數(shù)載荷既可施加于實體模型（關鍵點、線和面）上也可以施加于有限元模型（節(jié)點和單元）上。但ANSYS的求解期期望所有載荷應該依據(jù)有限元模型，因此，如果將載荷施加于實體模型，在開始求解時，ANSYS會自動將這些載荷轉(zhuǎn)換到節(jié)點和單元上，當然也可以通過命令轉(zhuǎn)換21。載荷施加于實體模型上有如下優(yōu)點： ·實體模型載荷獨立于有限元網(wǎng)格。所以可以改變單元網(wǎng)格而不必改變施加的載

41、荷。 ·與有限元模型相比，實體模型通常包括較少的實體（點線面圖元相對于節(jié)點和單元來講要少許多）。因此，選擇實體模型的實體并在這些實體上施加載荷要容易得多，尤其是通過GUI操作時。 載荷施加于實體模型上有如下缺點： ·ANSYS網(wǎng)格劃分命令生成的單元處于當前激活的單元坐標系中。網(wǎng)格劃分命令生成的節(jié)點使用整體笛卡兒坐標系。因此，實體模型和有限元模型可能具有不同的坐標系，加載的方向也會因此而不同。·在縮減分析中，實體模型載荷不是很方便，此時，載荷施加于主自由度（只能在節(jié)點而不能在關鍵點定義主自由度）。 ·不能顯示所有實體模型載荷。 如前所述，在開始求解時，實體

42、模型載荷將自動轉(zhuǎn)換到有限元模型。ANSYS將改寫任何已存在于對應有限元實體上的載荷。載荷施加于有限元模型有如下優(yōu)點： ·在縮減分析中，可將載荷直接施加在主節(jié)點。 缺點： ·任何對于有限元網(wǎng)格的修改都將使載荷無效，需要刪除先前的載荷并在新網(wǎng)格重新施加載荷。不便使用圖形拾取施加載荷。除非僅包含幾個節(jié)點或單元。4.2.4 后處理后處理是指檢查并分析求解的結(jié)果的相關操作。這是分析中最重要的一環(huán)之一，因為任何分析的最終目的都是為了研究作用在模型上的載荷是如何影響設計的。檢查分析結(jié)果可使用兩個后處理器：POST1（通用后處理器）和POST26（時間歷程后處理器）。POST1允許檢查整個

43、模型在某一載荷步和子步（或某一特定時間點或頻率）的結(jié)果。POST26可以檢查模型的指定節(jié)點的某一結(jié)果項相對于時間、頻率或其他結(jié)果項的變換。需要注意的是ANSYS的后處理器僅是用于檢查分析結(jié)果的工具。要判斷一個分析的結(jié)果是否正確，或者對結(jié)果進行解釋，仍然需要工程判斷能力。4.3挖掘機操作臂的有限元分析（1） 設置分析標題： 選擇菜單路徑Utility MenuFileChange Title. 輸入文本信息，可以隨意填寫自己明白的名稱，單擊OK. （2） 定義單元類型 選擇路徑Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delet，單擊ADD。 圖4.2

44、定義單元類型對話框 在左側(cè)的滾動框中選擇“Structural Solid”. 在右側(cè)的滾動框中選擇“Brick 8node 45”,單擊OK并關閉單元類型庫。 （3） 定義材料特性 選擇路徑Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models，打開Define Material Model Behavior材料屬性對話框。圖4.3 定義材料屬性對話框 在Material Models Available窗口中雙擊下面的路徑StructuralLinearElasticIsotropic，如圖4.5所示，在彈性模量一項中輸入2.10e11，在泊松

45、比一項中輸入0.3，單擊OK。 圖4.4 定義Isotropic 在圖4.4中雙擊Density，得圖4.6在密度一項中輸入7.85，單擊OK。 圖4.5 定義材料密度 選擇MaterialExit，退出此窗口。 （4） 模型導入 選擇路徑Utility MenuFileImportIGES，瀏覽選擇從UG中導出后保存的文件并打開。圖4.6 動臂導入模型 圖4.7 斗桿導入模型 通過菜單Main MenuPreprocessorModelingMove/Modify對模型進行一定的修補。 （5） 網(wǎng)格劃分 選擇菜單Main MenuPreprocessorMeshingMeshTool， 選擇

46、Smart Size，激活職能劃分網(wǎng)格功能，選其下方的滾動條為10級。圖4.8 網(wǎng)格劃分 單擊Mesh，得圖5.8，選整個幾何模型進行網(wǎng)格劃分。取Mesh中的Smart Size選項激活職能網(wǎng)格劃分功能，通過滑動條選10級劃分，使網(wǎng)格劃分速度比較快。圖4.9 動臂網(wǎng)格劃分圖4.10 斗桿網(wǎng)格劃分（6） 加載并求解 選擇路徑Main MenuSolutionAnalysis Type，選擇Static選項并單擊OK選擇路徑Main MenuSolutionDefine loadsApplyStructuralDisplacementON Areas選取零位移約束面對話框，施加的零位移約束. Ma

47、in MenuSolutionDefine loadsApplyStructuralPressure，選取載荷面施加承受力表面的均布載荷.圖4.11 動臂加載圖4.12 斗桿加載 Main MenuSolutionSolveCurrent LS，開始計算。 （7） 讀取結(jié)果 選擇路徑Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsNodal Solu。圖4.15 動臂應力圖圖 4.16 動臂與斗桿油缸支座處的應力云圖圖4.17 動臂油缸與動臂連接處的應力云圖圖4.18 斗桿應力圖動臂和斗桿的變形圖分別如下面兩圖所示圖4.19 動臂變形圖應力圖圖4.20 斗桿變形圖對分

48、析結(jié)果進行總結(jié)：動臂的最大位移為48.2mm，位于動臂與斗桿連接處。動臂最大應力點位于斗桿缸支座處，為366MPa,動臂油缸與動臂連接處的應力存在應力集中。斗桿在所加載荷作用下最大位移為4.73mm，位于斗桿與挖斗連接處。最大應力位于鏟斗缸支座上圓弧過渡處,為133MPa。挖掘機動臂的改進方案:（1）動臂上斗桿缸支座修改結(jié)構（支座外形為直線）對動臂總體的應力分布無明顯影響，但支座上的最大應力點由原圓弧處變動到支座與上蓋板連接處，同時應力降為325MPa。圖4.21 動臂修改結(jié)構1的局部應力分布（2） 動臂上斗桿缸支座修改結(jié)構（支座外形為大圓弧曲線）對動臂總體的應力分布無明顯影響，同時支座上的最

49、大應力點仍位于圓弧處，但應力降為321MPa。圖4.22 動臂修改結(jié)構2的局部應力分布結(jié)論畢業(yè)設計之中建模部分比較簡單，其中幾個別的難的零件在別人的幫助下完成，裝配部分也是難點。重要的運動仿真與有限元分析是在他們的幫助之下完成的。這些東西的確值得去學習應用。參 考 文 獻1 楊炳儒. 基于內(nèi)在機理的知識發(fā)現(xiàn)理認及其應用M. 北京：電子工業(yè)出版社，20042 張大慶，郝鵬，何清華. 液壓挖掘機鏟斗軌跡控制J. 建筑機械,2005，(1)：61-63.3 Sung-Uk Lee and Pyung Hun Chang. Control of a heavy duty roboticexcavator using time delay control with s