挖掘機(jī)操作臂的建模與仿真分析

1、河北工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）初稿畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：挖掘機(jī)動(dòng)臂建模及分析挖掘機(jī)操作臂的建模與仿真分析摘要： 挖掘機(jī)集挖掘和裝載功能于一體，在基礎(chǔ)建設(shè)和民用建筑建設(shè)中的使用與日俱增，但液壓挖掘機(jī)的工作條件比較惡劣，造成工作裝置可靠性較差。本文對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行虛擬仿真及運(yùn)動(dòng)和有限元分析，從而為改進(jìn)挖掘機(jī)設(shè)計(jì)、提高挖掘機(jī)工作的穩(wěn)定性提供了理論依據(jù)。具體的工作步驟：對(duì)挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行建模仿真，建立各個(gè)零件的三維模型圖，裝配挖掘機(jī)操作臂的三維結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行挖掘機(jī)操作臂的運(yùn)動(dòng)仿真模型，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)分析，提供運(yùn)動(dòng)性能分析參數(shù)；對(duì)挖掘機(jī)操作臂的進(jìn)行力學(xué)分析，采用ANSYS 分析軟件對(duì)挖掘機(jī)操作臂的主要零部件

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

3、展概況及仿真分析的意義1.1 挖掘機(jī)的發(fā)展歷史液壓挖掘機(jī)是功能最典型、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、用途最廣泛的工程機(jī)械之一，作為工程機(jī)械的代表產(chǎn)品，它在工業(yè)與民用建筑、交通運(yùn)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(tái)手動(dòng)挖掘機(jī)問(wèn)世至今已有130多年的歷史，期間經(jīng)歷了由蒸汽驅(qū)動(dòng)斗回轉(zhuǎn)挖掘機(jī)到電力驅(qū)動(dòng)和內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)挖掘機(jī)、應(yīng)用機(jī)電液一體化技術(shù)的全自動(dòng)液壓挖掘機(jī)的逐步發(fā)展過(guò)程。由于液壓技術(shù)的應(yīng)用，20世紀(jì)40年代有了在拖拉機(jī)上配裝液壓反鏟的懸掛式挖掘機(jī)，20世紀(jì)50年代初期和中期相繼研制出拖式全回轉(zhuǎn)液壓挖掘機(jī)和履帶式全液壓挖掘機(jī)。初期試制的液壓挖掘機(jī)是采用飛機(jī)和機(jī)床的液壓技術(shù)，缺少

4、適用于挖掘機(jī)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(jì)60年代起，液壓挖掘機(jī)進(jìn)入推廣和蓬勃發(fā)展階段，各國(guó)挖掘機(jī)制造廠和品種增加很快，產(chǎn)量猛增。1968-1970年間，液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量已占挖掘機(jī)總產(chǎn)量的83%，目前已接近100%。1.1.1 挖掘機(jī)的類型及發(fā)展趨勢(shì)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的挖掘機(jī)生產(chǎn)較早，法國(guó)、德國(guó)、美國(guó)、俄羅斯、日本是斗容量3.5-40m³單斗液壓挖掘機(jī)的主要生產(chǎn)國(guó)，從20世紀(jì)80年代開始生產(chǎn)特大型挖掘機(jī)。例如，美國(guó)馬利昂公司生產(chǎn)的斗容量50-150m³剝離用挖掘機(jī)，斗容量132m³的步行式拉鏟挖掘機(jī)；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(jī)，斗容量107m³的剝離用挖掘機(jī)等，是世界上目前最大的挖掘機(jī)。從20世紀(jì)后期開始，國(guó)際上挖掘機(jī)的生產(chǎn)向大型化、微型化、多功能化、專用化和自動(dòng)化的方向發(fā)展。1.1.2挖掘機(jī)操作臂的仿真研究實(shí)踐表明，定點(diǎn)挖掘是挖掘機(jī)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(jī)械機(jī)器人化的研究發(fā)展，液壓挖掘機(jī)的自動(dòng)化也逐漸成為各國(guó)的研究重點(diǎn)，尤其是局部自動(dòng)化【2】；在這方面的研究中，多數(shù)工作集中在對(duì)挖掘機(jī)的工作裝置進(jìn)行控制。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于挖掘機(jī)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(jī)器手來(lái)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(biāo)值；如：自動(dòng)挖掘，自動(dòng)裝載等3-5。因此本文著重點(diǎn)就是對(duì)挖掘機(jī)定點(diǎn)挖掘過(guò)程中工作裝置機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行仿真【6】。挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)是由多個(gè)液壓元件組成的復(fù)雜非線性系統(tǒng)，各液壓元件間依靠液壓介質(zhì)進(jìn)行能量的傳遞，同時(shí)依靠控制系統(tǒng)傳遞的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)壓力、流量的控制【7】。對(duì)挖掘機(jī)這樣的復(fù)雜液壓系統(tǒng)進(jìn)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(shí)際的各種工作性能，因此目前多采用Matlab語(yǔ)言的Simulink模塊對(duì)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真8。而對(duì)于挖掘機(jī)這樣復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，要想準(zhǔn)確地控制其運(yùn)動(dòng)，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模是必不可少

7、的，對(duì)其機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行仿真采用UG軟件，而對(duì)其進(jìn)行有限元分析我們采用Ansys軟件9。挖掘機(jī)工作裝置是一個(gè)具有三個(gè)自由度的平面連桿系統(tǒng)，分析是可按平面機(jī)構(gòu)進(jìn)行。普通挖掘機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)形式；另一種是鏟斗與鏟斗油缸之間通過(guò)搖桿和連桿間接連接的機(jī)構(gòu)形式 10。單斗液壓挖掘機(jī)在實(shí)際工作時(shí)工作裝置承受隨機(jī)載荷。構(gòu)件的應(yīng)力時(shí)間歷程為一連續(xù)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)隨機(jī)過(guò)程。每一個(gè)工作周期都由挖掘、回轉(zhuǎn)、卸載，返回等四個(gè)過(guò)程組成【11】。1.1.3虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念及意義挖掘機(jī)操作臂的建模與仿真，屬于虛擬樣機(jī)技術(shù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)是以虛擬樣機(jī)和虛擬樣機(jī)環(huán)

8、境為基礎(chǔ)，將系統(tǒng)工程方法、反求工程方法、優(yōu)化方法、計(jì)算機(jī)建模仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)和計(jì)算機(jī)支持協(xié)同工作、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等有機(jī)地結(jié)合在一起，為產(chǎn)品的全壽命周期設(shè)計(jì)和評(píng)估提供分布式的集成環(huán)境，以達(dá)到優(yōu)化整個(gè)設(shè)計(jì)周期，節(jié)約開發(fā)成本的目的【12】。虛擬樣機(jī)技術(shù)采用數(shù)字仿真的形式進(jìn)行虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)，仿真模型的參數(shù)就是物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，仿真模型能替代物理樣機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的測(cè)試評(píng)估。虛擬樣機(jī)技術(shù)無(wú)需制造實(shí)物樣機(jī)就可預(yù)見和預(yù)測(cè)產(chǎn)品的性能，節(jié)省了物理樣機(jī)制造裝配時(shí)間，減免了高昂成本的物理樣機(jī)制造過(guò)程，降低了開發(fā)成本，同時(shí)減少了不合理方案盲目上馬的風(fēng)險(xiǎn)【13】。1996年世界最大的工程機(jī)械設(shè)備制造企業(yè)ca

9、terpiller公司，在反鏟裝載機(jī)新樣車設(shè)計(jì)過(guò)程中，曾產(chǎn)生了三個(gè)概念上都可行的方案，但在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，當(dāng)技術(shù)人員“坐進(jìn)”虛擬樣機(jī)駕駛室時(shí)發(fā)現(xiàn)，其中有兩個(gè)方案中的駕駛員無(wú)法看到反鏟連桿最低位置。根據(jù)這點(diǎn)，不僅確定了正確的設(shè)計(jì)方案，節(jié)約了其他兩個(gè)機(jī)型制造所需的費(fèi)用，還減少了不合理方案盲目上馬的風(fēng)險(xiǎn)。又如,John Deere 公司曾遇到工程機(jī)械在高速行駛時(shí)的蛇行現(xiàn)象及在重載下的自激振動(dòng)問(wèn)題，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)后不僅找到了原因，而且提出了改進(jìn)方案，同時(shí)在虛擬樣機(jī)上得到了驗(yàn)證，最終應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品中14。虛擬樣機(jī)技術(shù)采用數(shù)字仿真的形式進(jìn)行虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)，仿真模型的參數(shù)就是物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)參

10、數(shù)，并替代物理樣機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的測(cè)試評(píng)估；無(wú)需制造實(shí)物樣機(jī)就可預(yù)見和預(yù)測(cè)產(chǎn)品的性能，減免了高昂成本的物理樣機(jī)制造過(guò)程，降低了開發(fā)成本15。因此虛擬樣機(jī)技術(shù)用于液壓挖掘機(jī)開發(fā)的整個(gè)過(guò)程，作為樣機(jī)設(shè)計(jì)的有效手段，有助于挖掘機(jī)企業(yè)部分甚至全部擺脫對(duì)物理樣機(jī)的依賴，達(dá)到縮短挖掘機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)周期、降低設(shè)計(jì)成本、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)現(xiàn)代制造模式的目的【16】。1.2 本課題要研究或解決的問(wèn)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(wèn)題（1）、根據(jù)挖掘機(jī)操作臂的傳動(dòng)原理方案，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。（2）、挖掘機(jī)操作臂的建模與仿真分析（3）、采用ansys分析軟件對(duì)挖掘機(jī)操作臂的主要零部件進(jìn)行有

11、限元分析，做出應(yīng)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(jī)相關(guān)資料，深入了解挖掘機(jī)操作臂的結(jié)構(gòu)形式及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。（2）、學(xué)習(xí)并利用UG，能夠通過(guò)軟件的方式建模仿真。UG 的建模過(guò)程： 1) 確定零件結(jié)構(gòu)。 2) 創(chuàng)建三個(gè)固定基準(zhǔn)面和三個(gè)固定基準(zhǔn)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(biāo)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(shí)體模型。 5) 利用仿真模塊對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。（3）、學(xué)習(xí)并利用ansys 對(duì)

12、操作臂的主要零部件進(jìn)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(duì)CAD 模型進(jìn)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(yīng)劃分。延伸網(wǎng)格劃分可將一個(gè)二維網(wǎng)格延伸成一個(gè)三維網(wǎng)格。求解模塊SOLUTION 前處理階段完成建模以后，進(jìn)入分析求解模塊。用ansys分析受力情況，畫出應(yīng)力分布圖。分析根據(jù)應(yīng)力變化情況加以改進(jìn)，來(lái)改善操作臂的受力情況。2 挖掘機(jī)工作裝置的建模仿真2.1采用UG軟件對(duì)挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行建模仿真UG中有三種建模方法：實(shí)體建模、特征建模、自由曲面建模。實(shí)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(qiáng)有力的復(fù)合建模工具，使用戶能夠充分利用傳統(tǒng)的實(shí)體、面、線框造型優(yōu)勢(shì)。特征建模模塊使用工廠特征定義設(shè)計(jì)信息，并提供了多種標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)特征，可以對(duì)這些設(shè)計(jì)特征進(jìn)行參數(shù)化定義，可以對(duì)這些特征進(jìn)行參數(shù)化定義。自由曲線建模用于建立形狀復(fù)雜的曲面形狀，例如葉片或葉輪等復(fù)雜的工業(yè)零部件的造型設(shè)計(jì)。對(duì)挖掘機(jī)的工作裝置進(jìn)行建模大部分采用的是實(shí)體建模的方法，個(gè)別形狀復(fù)雜的零件采用了特征建模的方法。挖掘機(jī)的工作裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)的三個(gè)主要部分為動(dòng)臂、斗桿、鏟斗。下面對(duì)這三個(gè)部分分別進(jìn)行建模仿真。2.11動(dòng)臂的建模 動(dòng)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(gòu)。

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(dòng)臂與轉(zhuǎn)臺(tái)、斗桿聯(lián)結(jié)的軸座均用ZG270-550材料鑄造而成，與動(dòng)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(qiáng)度，上述軸座分別與箱形框架焊接成為動(dòng)臂。在框架的不同位置還焊有三塊筋板以提高強(qiáng)度。在動(dòng)臂上平面的前、后部個(gè)焊有兩個(gè)吊耳。以便裝配盒拆卸時(shí)吊用。斗桿油缸的聯(lián)接座焊在箱形框

15、架上。圖2.1動(dòng)臂上蓋板模型圖2.2 動(dòng)臂下蓋板模型圖圖2.3 動(dòng)臂下軸承支座圖2.4 動(dòng)臂連接座模型圖2.5 動(dòng)臂側(cè)板模型圖2.6 液壓缸在動(dòng)臂上的支座圖2.7 動(dòng)臂結(jié)構(gòu)總成圖2.1.2 斗桿主要結(jié)構(gòu)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(gè)一塊焊接而成的箱形結(jié)構(gòu)。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(gè)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(guò)螺栓連接起來(lái)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(guò)UG 的裝配模塊，約束需要裝配的動(dòng)臂、斗桿、挖斗相關(guān)的面平行關(guān)系和與之配對(duì)的空中心線重合，可以實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)總

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

18、動(dòng)機(jī)構(gòu)。這部分的工作在接下來(lái)進(jìn)行。3 挖掘機(jī)工作裝置主要結(jié)構(gòu)的受力分析3.1 斗桿的計(jì)算載荷挖掘機(jī)在工作中有幾個(gè)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(dòng)臂油缸全伸,斗桿油缸和鏟斗油缸全縮時(shí)。(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(dòng)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(jī)工作裝置先滿斗上升,到卸載位置處開始卸載,其目標(biāo)是使裝載車達(dá)到盡可能多的物料裝載。其中涉及的運(yùn)動(dòng)包括:上升過(guò)程的加速與減速,卸載過(guò)程的抖動(dòng)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(jī)的設(shè)計(jì)規(guī)范中,最大挖掘半徑是評(píng)價(jià)挖掘能力的主要標(biāo)準(zhǔn)之一,它

19、決定著挖掘機(jī)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(diǎn)及斗桿與斗桿油缸鉸接點(diǎn)這3 點(diǎn)處于同一直線上,且動(dòng)臂油缸縮進(jìn)使鏟斗齒尖處于地面上。在該位置處,工作裝置下落時(shí),挖掘機(jī)將會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊力,在挖掘的過(guò)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(dòng)臂油缸全縮,斗桿與斗桿油缸鉸接點(diǎn)、斗桿與鏟斗鉸接點(diǎn)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(shí)該位置也是用于計(jì)算斗桿與鏟斗的危險(xiǎn)情況的典型受力工況位置。故反鏟裝置斗桿的計(jì)算位置是：1） 動(dòng)臂位于最低（動(dòng)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(diǎn)和斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)連線的延長(zhǎng)線上；4）側(cè)齒遇障礙作用有橫向力Wk。3.2 動(dòng)臂的計(jì)算載荷 動(dòng)臂的計(jì)算位置是：1） 動(dòng)臂位于最低（動(dòng)臂油缸全縮）；2） 斗齒尖、鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)、斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)三點(diǎn)位于垂直線上；3） 鏟斗挖掘、斗邊點(diǎn)遇障礙時(shí)。載荷計(jì)算還沒(méi)有完成，正在進(jìn)行之中。4 挖掘機(jī)工作裝置的有限元分析4.1 有限元分析軟件簡(jiǎn)介有限元分析軟件近年來(lái)主要有：ANSYS、NASTRAN、MAC等，本文用ANSYS。下面對(duì)有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。ANSYS是20世紀(jì)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(gè)功能強(qiáng)大的靈活的設(shè)計(jì)分析及優(yōu)化，融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁聲學(xué)與一體的大型通用有限元商用分析軟件?？蓮V泛應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)，輕工，地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。該軟件提供了一個(gè)不斷改進(jìn)的功能清單，具體包括：結(jié)構(gòu)高度非線性、電磁分析、計(jì)算流體動(dòng)力分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、接觸分析、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分。大應(yīng)變/有限轉(zhuǎn)動(dòng)功能以及利用ANSYS參數(shù)設(shè)計(jì)語(yǔ)言（APDL）的擴(kuò)展宏命令功能?；贛otif的菜單系統(tǒng)使用戶能夠通過(guò)對(duì)話框、下拉式菜單和子菜單進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和功能選擇，方便用戶操作。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，用戶可以

22、使用ANSYS有限元分析軟件對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行防真分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品問(wèn)題，降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)的成功率。ANSYS軟件能與大多數(shù)CAD軟件實(shí)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(shè)計(jì)中高級(jí)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(gòu)分析功能，是一個(gè)批處理程序，只能在大型計(jì)算機(jī)上使用。20世紀(jì)70年代初，非線性、子結(jié)構(gòu)以及更多的單元類型的加入；20世紀(jì)70年代末，圖形技術(shù)和交互式操作技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。今天ANSYS軟件更加趨于完善，功

23、能更加強(qiáng)大，使用更加便捷。ANSYS程序是一個(gè)功能強(qiáng)大、靈活的設(shè)計(jì)分析及優(yōu)化軟件包。該軟件可浮動(dòng)運(yùn)行于從PC機(jī)、NT工作站、UNIX工作站直至巨型機(jī)的各類計(jì)算機(jī)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(tái)上均兼容。其多物理場(chǎng)耦合的功能，允許在同一模型上進(jìn)行各式各樣的耦合計(jì)算，如：熱-結(jié)構(gòu)耦合、磁-結(jié)構(gòu)耦合以及電磁流體-熱耦合，在PC機(jī)上生成的模型同樣可進(jìn)行于巨型機(jī)上，這樣就保證了所有的ANSYS用戶的多領(lǐng)域多變工程問(wèn)題的求解。ANSYS可與許多先進(jìn)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(guò)必要的修補(bǔ)可準(zhǔn)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(guò)程中所花費(fèi)的大量時(shí)間，極大地提高了工作效率17。傳動(dòng)系統(tǒng)箱體在傳動(dòng)過(guò)程中承載量大，對(duì)其結(jié)構(gòu)特性的靜態(tài)分析必須有效地反映其變形情況，進(jìn)而得到改進(jìn)的方法。有限元法可以準(zhǔn)確了解結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，因而箱體結(jié)構(gòu)的有限元分析可以為解決箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有效的信息。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的提高，以有限元分析技術(shù)為基礎(chǔ)的形狀優(yōu)化（Shape Optimization）技術(shù)得到了發(fā)展，它主要研究如何確定連續(xù)體結(jié)構(gòu)的邊界形狀或者內(nèi)部幾何形狀，以改善結(jié)構(gòu)的特性。其中更多的是降低應(yīng)力集中、改善應(yīng)力的分布狀況，提高疲勞強(qiáng)度、延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)壽命。它通過(guò)改變區(qū)域的幾何形狀來(lái)達(dá)到某種意義上的最

25、優(yōu)。因此，利用形狀優(yōu)化技術(shù)對(duì)零件的整體尺寸設(shè)計(jì)后，再利用形狀優(yōu)化技術(shù)對(duì)零件的局部邊界形狀進(jìn)行優(yōu)化，使得設(shè)計(jì)的零件在整體結(jié)構(gòu)上滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的要求，在局部區(qū)域又改善了應(yīng)力分布。同時(shí)，通過(guò)形狀優(yōu)化不僅可以降低應(yīng)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(gòu)的材料上。41.1 ANSYS軟件特點(diǎn)及主要技術(shù)特點(diǎn)ANSYS程序是一個(gè)功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)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(diǎn)： （1）ANSYS是完全的WINDOWS程序，從而使應(yīng)用更加方便；（2）產(chǎn)品系列由一套可擴(kuò)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(jìn)行線性分析，還可以進(jìn)行各類非線性分析； （4）它是一個(gè)綜合的多物理場(chǎng)耦合分析軟件，用戶不但可用其進(jìn)行諸如結(jié)構(gòu)、熱、流體流動(dòng)、電磁等的單獨(dú)研究，還可以進(jìn)行這些分析的相互影響研究。其主要的技術(shù)特點(diǎn)是： ANSYS能夠?qū)崿F(xiàn)多物理場(chǎng)耦合分析的有限元分析軟件1、ANSYS能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)、溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、電磁場(chǎng)之間的耦合分析。對(duì)于很多工程問(wèn)題，這些物理場(chǎng)是相互影響、相互作用的，例如溫差會(huì)引起熱應(yīng)力、電磁感應(yīng)會(huì)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(chǎng)自由度的耦合單元；間接耦合是指各物理場(chǎng)擁有自己的“物理環(huán)境”。一個(gè)“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(shí)現(xiàn)前后處理、分析求解及多物理場(chǎng)統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的分析軟件。ANSYS將模型信息（單元、節(jié)點(diǎn)、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(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中；在使用ANSYS進(jìn)行耦合場(chǎng)分析時(shí)，各物理環(huán)境也共用一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)；這樣極大地方便了用戶的使用。3、強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)非線性分析功能ANSYS在結(jié)構(gòu)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(yīng)變、應(yīng)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(duì)柔體、柔體對(duì)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(wèn)題。4、獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)化功能ANSYS的設(shè)計(jì)優(yōu)化允許優(yōu)化任何合理參數(shù)形狀、應(yīng)力、自然頻率、溫度、磁勢(shì)等等，可應(yīng)用于任何類型的分析（結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁），并且是唯一能夠?qū)崿F(xiàn)電磁場(chǎng)、流場(chǎng)以及耦合場(chǎng)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(yǔ)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(yīng)網(wǎng)格等多種網(wǎng)格劃分方法?？蓪?duì)網(wǎng)格的尺寸、形態(tài)等進(jìn)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(shí)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(dòng)向四面體過(guò)渡的金字塔網(wǎng)格等。7、支持所有軟、硬件平臺(tái)，且所有平臺(tái)的ANSYS數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一，界面統(tǒng)一ANSYS軟件與當(dāng)今的計(jì)算機(jī)技術(shù)同步飛速發(fā)展，支持從PC機(jī)的WIN95到NT、UNIX工作站（SGI、HP、SUN、DEC、IBM等）以至CRAY這樣的巨型機(jī)

30、，而且全部支持并行計(jì)算，充分利用計(jì)算機(jī)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(tái)上界面統(tǒng)一、數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一的有限元分析軟件。ANSYS的網(wǎng)格浮動(dòng)最大程度地保護(hù)用戶的軟、硬件投資，也就是說(shuō)，如果用戶未來(lái)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(tái)上運(yùn)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(diǎn)、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(shè)計(jì) 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(shè)計(jì)語(yǔ)言，不僅能直接調(diào)用ANSYS命令和數(shù)學(xué)函數(shù)，還擁有循環(huán)、判斷等高級(jí)語(yǔ)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(duì)話框等；外部命令，使用C+語(yǔ)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(jiǎn)單線性靜態(tài)分析到復(fù)雜非線性動(dòng)態(tài)分析。一個(gè)典型的ANSYS分析過(guò)程可分為以下三個(gè)步驟： ·創(chuàng)建有限元模型·施加載荷并進(jìn)行求解 ·查看分析結(jié)構(gòu) ANSYS軟件功能的強(qiáng)大與其有著很多的模塊應(yīng)用是分不開的， 圖4.1 ANSYS的模塊結(jié)構(gòu)在有限元分析過(guò)程中，程序通常使用以下三個(gè)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(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分的工具，通過(guò)這個(gè)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(duì)已建立好的模型在一定的載荷和邊界條件下進(jìn)行有限元計(jì)算，求解平

33、衡微分方程。包括結(jié)構(gòu)分析、流體動(dòng)力分析、聲場(chǎng)分析、電磁場(chǎng)分析、壓電分析和多物理場(chǎng)的耦合分析等。后處理模塊是對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)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(lái)，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(shí)體模型及有限元模型。它包括建立實(shí)體模型、定義單元屬性、劃分網(wǎng)格模型修正等幾個(gè)方面的內(nèi)容。與CAD相類似，ANSYS以數(shù)學(xué)的方式表達(dá)結(jié)構(gòu)的幾何形狀，可以在里面劃分節(jié)點(diǎn)和單元，還可以在幾何模型邊界上方便地施加載荷，但是實(shí)體模型并不參與ANSYS的計(jì)算過(guò)程，而是ANSYS把施加在實(shí)體模型邊界上的載荷或者約束傳遞到

34、有限元模型上進(jìn)行最終的求解。建立模型在整個(gè)分析過(guò)程中所花費(fèi)的時(shí)間應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其他過(guò)程。首先必須指定作業(yè)名和分析標(biāo)題（也可使用ANSYS軟件默認(rèn)的作業(yè)名和標(biāo)題，但不推薦這樣做），然后使用PREP7（預(yù)處理）處理器定義單元類型、單元實(shí)常數(shù)、材料特性和幾何模型。ANSYS程序的單元庫(kù)中有超過(guò)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(hào)和單元類型名；當(dāng)為材料選擇了劃分網(wǎng)格的單元類型時(shí)，接下來(lái)應(yīng)該輸入與此單元類型相關(guān)的單元常數(shù)。單元類型的實(shí)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(shí)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(wèn)題變化；接下來(lái)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(shí)體建模和直接生成?？梢愿鶕?jù)自己的需要選擇合適的方式來(lái)生成有限元模型。結(jié)構(gòu)分析中把結(jié)構(gòu)繞其軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)前完全相同，則將這種結(jié)構(gòu)稱為周期對(duì)稱結(jié)構(gòu)。減速器下箱體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是圓柱型的周期對(duì)稱結(jié)構(gòu)，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(shí)，只對(duì)1/4箱體進(jìn)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(qiáng)大，對(duì)于一些形狀較復(fù)雜的模型，建構(gòu)起來(lái)還非常困難。因此，設(shè)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(guò)這個(gè)接口，可以把模型直接傳入ANSYS中，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，加載求解等過(guò)程，此種方法適用于一些復(fù)雜的三維實(shí)體模型。本文采用UG和ANSYS的接口，將UG中的圖形以IGES格式導(dǎo)入ANSYS中。因?yàn)閷?dǎo)入過(guò)程中的數(shù)據(jù)丟失，需要對(duì)其進(jìn)行一定的修補(bǔ)和修改。在修復(fù)完成后就可以進(jìn)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(dāng)中，網(wǎng)格劃分是在幾何模型建立好之后，最終進(jìn)行求解之前完成的，也就是說(shuō)，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(lái)完成的，用戶所要做的就是通過(guò)給出一些參數(shù)與命令來(lái)對(duì)程序?qū)嵭小昂暧^調(diào)控”。總的來(lái)說(shuō)，A

37、NSYS的網(wǎng)格劃偏曲軸少齒差行星減速器優(yōu)化設(shè)計(jì) 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(duì)于復(fù)雜形狀的邊界選擇自由劃分網(wǎng)格。它的缺點(diǎn)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?fù)錀l件，否則就不能進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分。而且該方法對(duì)于復(fù)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(duì)于形狀復(fù)雜的邊界才采用自由劃分網(wǎng)格19。當(dāng)然，對(duì)于精度條件不是很高的情況下，且沒(méi)有足夠的時(shí)間，不妨采用自由劃分網(wǎng)格。在對(duì)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(jìn)行分析是十分重要的。自由網(wǎng)格對(duì)于單元形狀沒(méi)有限制，并且對(duì)模型沒(méi)有特定的要求。與自由網(wǎng)格相比，映射網(wǎng)格對(duì)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(dāng)中有功能強(qiáng)大的自動(dòng)劃分網(wǎng)格模塊（MeshTool）,我們可以通過(guò)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(xiàng)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(guò)程包括3個(gè)步驟：1）定義單元屬性；2）設(shè)置網(wǎng)格控制；3）生成網(wǎng)格。對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，從理論上來(lái)講是任意的，但在實(shí)際工作中必須考慮到現(xiàn)實(shí)性及經(jīng)濟(jì)性，因而在劃分時(shí)，必須遵循下列原則20： （1） 所選用的單元不應(yīng)使受力狀態(tài)失真； （1） 結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化應(yīng)確保所需要的計(jì)算精度； （2） 盡可能利用對(duì)稱性、重復(fù)性，從而壓縮所需的計(jì)算機(jī)內(nèi)存量，減少計(jì)算時(shí)間； （4） 要選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，保證計(jì)算精度，減少計(jì)算時(shí)間，降低計(jì)算費(fèi)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(shí)體模型（關(guān)鍵點(diǎn)、線和面）上也可以施加于有限元模型（節(jié)點(diǎn)和單元）上。但ANSYS的求解期期望所有載荷應(yīng)該依據(jù)有限元模型，因此，如果將載荷施加于實(shí)體模型，在開始求解時(shí)，ANSYS會(huì)自動(dòng)將這些載荷轉(zhuǎn)換到節(jié)點(diǎn)和單元上，當(dāng)然也可以通過(guò)命令轉(zhuǎn)換21。載荷施加于實(shí)體模型上有如下優(yōu)點(diǎn)： ·實(shí)體模型載荷獨(dú)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(shí)體模型通常包括較少的實(shí)體（點(diǎn)線面圖元相對(duì)于節(jié)點(diǎn)和單元來(lái)講要少許多）。因此，選擇實(shí)體模型的實(shí)體并在這些實(shí)體上施加載荷要容易得多，尤其是通過(guò)GUI操作時(shí)。 載荷施加于實(shí)體模型上有如下缺點(diǎn)： ·ANSYS網(wǎng)格劃分命令生成的單元處于當(dāng)前激活的單元坐標(biāo)系中。網(wǎng)格劃分命令生成的節(jié)點(diǎn)使用整體笛卡兒坐標(biāo)系。因此，實(shí)體模型和有限元模型可能具有不同的坐標(biāo)系，加載的方向也會(huì)因此而不同。·在縮減分析中，實(shí)體模型載荷不是很方便，此時(shí)，載荷施加于主自由度（只能在節(jié)點(diǎn)而不能在關(guān)鍵點(diǎn)定義主自由度）。 ·不能顯示所有實(shí)體模型載荷。 如前所述，在開始求解時(shí)，實(shí)體

42、模型載荷將自動(dòng)轉(zhuǎn)換到有限元模型。ANSYS將改寫任何已存在于對(duì)應(yīng)有限元實(shí)體上的載荷。載荷施加于有限元模型有如下優(yōu)點(diǎn)： ·在縮減分析中，可將載荷直接施加在主節(jié)點(diǎn)。 缺點(diǎn)： ·任何對(duì)于有限元網(wǎng)格的修改都將使載荷無(wú)效，需要?jiǎng)h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(gè)節(jié)點(diǎn)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(guān)操作。這是分析中最重要的一環(huán)之一，因?yàn)槿魏畏治龅淖罱K目的都是為了研究作用在模型上的載荷是如何影響設(shè)計(jì)的。檢查分析結(jié)果可使用兩個(gè)后處理器：POST1（通用后處理器）和POST26（時(shí)間歷程后處理器）。POST1允許檢查整個(gè)

43、模型在某一載荷步和子步（或某一特定時(shí)間點(diǎn)或頻率）的結(jié)果。POST26可以檢查模型的指定節(jié)點(diǎn)的某一結(jié)果項(xiàng)相對(duì)于時(shí)間、頻率或其他結(jié)果項(xiàng)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(gè)分析的結(jié)果是否正確，或者對(duì)結(jié)果進(jìn)行解釋，仍然需要工程判斷能力。4.3挖掘機(jī)操作臂的有限元分析（1） 設(shè)置分析標(biāo)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(duì)話框 在左側(cè)的滾動(dòng)框中選擇“Structural Solid”. 在右側(cè)的滾動(dòng)框中選擇“Brick 8node 45”,單擊OK并關(guān)閉單元類型庫(kù)。 （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(duì)話框。圖4.3 定義材料屬性對(duì)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(xiàng)中輸入2.10e11，在泊松

45、比一項(xiàng)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(xiàng)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(dǎo)入 選擇路徑Utility MenuFileImportIGES，瀏覽選擇從UG中導(dǎo)出后保存的文件并打開。圖4.6 動(dòng)臂導(dǎo)入模型 圖4.7 斗桿導(dǎo)入模型 通過(guò)菜單Main MenuPreprocessorModelingMove/Modify對(duì)模型進(jìn)行一定的修補(bǔ)。 （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(dòng)條為10級(jí)。圖4.8 網(wǎng)格劃分 單擊Mesh，得圖5.8，選整個(gè)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。取Mesh中的Smart Size選項(xiàng)激活職能網(wǎng)格劃分功能，通過(guò)滑動(dòng)條選10級(jí)劃分，使網(wǎng)格劃分速度比較快。圖4.9 動(dòng)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(xiàng)并單擊OK選擇路徑Main MenuSolutionDefine loadsApplyStructuralDisplacementON Areas選取零位移約束面對(duì)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(dòng)臂加載圖4.12 斗桿加載 Main MenuSolutionSolveCurrent LS，開始計(jì)算。 （7） 讀取結(jié)果 選擇路徑Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsNodal Solu。圖4.15 動(dòng)臂應(yīng)力圖圖 4.16 動(dòng)臂與斗桿油缸支座處的應(yīng)力云圖圖4.17 動(dòng)臂油缸與動(dòng)臂連接處的應(yīng)力云圖圖4.18 斗桿應(yīng)力圖動(dòng)臂和斗桿的變形圖分別如下面兩圖所示圖4.19 動(dòng)臂變形圖應(yīng)力圖圖4.20 斗桿變形圖對(duì)分

48、析結(jié)果進(jìn)行總結(jié)：動(dòng)臂的最大位移為48.2mm，位于動(dòng)臂與斗桿連接處。動(dòng)臂最大應(yīng)力點(diǎn)位于斗桿缸支座處，為366MPa,動(dòng)臂油缸與動(dòng)臂連接處的應(yīng)力存在應(yīng)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(yīng)力位于鏟斗缸支座上圓弧過(guò)渡處,為133MPa。挖掘機(jī)動(dòng)臂的改進(jìn)方案:（1）動(dòng)臂上斗桿缸支座修改結(jié)構(gòu)（支座外形為直線）對(duì)動(dòng)臂總體的應(yīng)力分布無(wú)明顯影響，但支座上的最大應(yīng)力點(diǎn)由原圓弧處變動(dòng)到支座與上蓋板連接處，同時(shí)應(yīng)力降為325MPa。圖4.21 動(dòng)臂修改結(jié)構(gòu)1的局部應(yīng)力分布（2） 動(dòng)臂上斗桿缸支座修改結(jié)構(gòu)（支座外形為大圓弧曲線）對(duì)動(dòng)臂總體的應(yīng)力分布無(wú)明顯影響，同時(shí)支座上的最

49、大應(yīng)力點(diǎn)仍位于圓弧處，但應(yīng)力降為321MPa。圖4.22 動(dòng)臂修改結(jié)構(gòu)2的局部應(yīng)力分布結(jié)論畢業(yè)設(shè)計(jì)之中建模部分比較簡(jiǎn)單，其中幾個(gè)別的難的零件在別人的幫助下完成，裝配部分也是難點(diǎn)。重要的運(yùn)動(dòng)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(xué)習(xí)應(yīng)用。參 考 文 獻(xiàn)1 楊炳儒. 基于內(nèi)在機(jī)理的知識(shí)發(fā)現(xiàn)理認(rèn)及其應(yīng)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(jī)鏟斗軌跡控制J. 建筑機(jī)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