大型液壓正鏟挖掘機有限元分析與試驗驗證

大型液壓正鏟挖掘機有限元分析與試驗驗證

液壓機是一種重要的土工機。廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟和建設(shè)部的道路建設(shè)、采礦、林業(yè)和漁業(yè)部的市政建設(shè)和現(xiàn)代化建設(shè)項目。在本文中，我們使用pro-輪子建立每個零件（動臂、斗桿和鏟斗）的三維模型，并選擇每個零件的最不利場景，對其進行靜力學(xué)分析，然后使用aniss分析有限的部件。最后，對操作裝置進行現(xiàn)場靜態(tài)應(yīng)力測試，驗證和評估有限分析結(jié)果，為實際設(shè)計提供價值參考。1元分析的前處理1.1pro/開發(fā)平臺建模鑒于Pro/Engineer建模功能強大、方便快捷,所以采用Pro/Engineer分別建立動臂、斗桿和鏟斗的三維實體模型.在建模時為了使后面的有限元分析結(jié)果可靠,應(yīng)盡量按實際模型的形狀和尺寸建模.同時為了使網(wǎng)格劃分順利,應(yīng)適當(dāng)簡化很細小的幾何形體,如細微的倒角、斜面,對分析結(jié)果影響很小的小吊環(huán)等.使用Pro/Engineer建模的主要步驟如下:①設(shè)置工作目錄,選擇建立“零件”;②進入草圖模式繪制模型的截面;③使用拉伸、旋轉(zhuǎn)等特征將草繪截面生成三維實體.動臂、斗桿、鏟斗的三維實體模型如圖1所示.1.2anasas非織造材料的生成建立有限元模型是有限元分析中非常重要的一步,其直接影響到后續(xù)有限元計算的精度.建立有限元模型的主要步驟如下:(1)在Pro/Engineer中將實體模型以IGES格式導(dǎo)出,然后再導(dǎo)入到ANSYS中:由于格式轉(zhuǎn)換的誤差,導(dǎo)致一些幾何數(shù)據(jù)信息丟失,會出現(xiàn)有幾個面不能正確地裁剪,變成大平面的情況.解決的方法是首先增大導(dǎo)入時的“容差”,看情況有無改善;其次,需要借助于ANSYS的修復(fù)工具進行修復(fù),刪除有問題的面,再重新生成正確的面.修復(fù)完畢后就生成了一個實體.(2)按材料類型切分實體模型:由于構(gòu)件不是一種材料制成的,分為鑄造件和鋼板,要分別給它們賦予材料屬性,所以必須對模型按材料類型不同進行切割,使每一部分是同一種材料.(3)賦予單元屬性和材料屬性:因為模型是三維實體的,而且不規(guī)則,所以單元類型選擇SOLID92(10節(jié)點四面體單元),其在四面體每條邊上都有中間節(jié)點,是2階單元,精度比1階單元要高.材料分為2種:鋼板為Q345(16Mn),鑄造件為ZG35Mn.這兩種材料的參數(shù)見表1.(4)劃分網(wǎng)格:網(wǎng)格劃分得好壞,直接影響到求解的精度.劃分很差的網(wǎng)格會使求解精度嚴(yán)重降低,甚至還會導(dǎo)致不能求解.ANSYS提供2種網(wǎng)格劃分的方式:智能劃分和手工劃分.智能劃分是ANSYS所提供的強大的自動分網(wǎng)工具,有自己的內(nèi)部計算機制,使用智能劃分在很多情況下更有利于在網(wǎng)格自動生成的過程中生成形狀合理的單元,所以這里首選智能劃分方式來劃分網(wǎng)格.若智能網(wǎng)格劃分失敗(如幾何形狀復(fù)雜的部位),則采用手工劃分方式,設(shè)置每個面的單元的尺寸大小.圖2是工作裝置(動臂、斗桿和鏟斗)的有限元模型.1.3載荷的邊界元.為了消除總剛度矩陣的奇異性,必須消除模型的剛體位移,可以對某些節(jié)點施加約束.其約束條件為:所施加約束剛好消除全部剛體自由位移,或把約束改為剛度足夠大的邊界元,作為校核載荷平衡的補充辦法.挖掘機的工作裝置與前車架由動臂鉸點、動臂油缸連接在一起.因此,可以將動臂鉸點作為工作裝置的支點,把液壓缸作用力作為載荷加在動臂上.動臂和斗桿的連接鉸點,對動臂來說,將其視為外載荷處理;而對斗桿來說,則將其作為支點處理.斗桿和鏟斗也作類似處理.1.4鉸點受力分析使用Pro/Engineer的“力平衡分析”功能來確定工作裝置各部件的載荷.Pro/Engineer只能對自由度為零的系統(tǒng)進行力平衡分析,所以必須通過使用連接鎖定、在兩個主體間使用主體鎖定、在某點使用測力計鎖定或?qū)B接軸使用活動的伺服電動機,使機構(gòu)的自由度減為零.使用Pro/Engineer的裝配模式對動臂、斗桿和鏟斗進行裝配,然后將其拖動到某一給定姿態(tài),并固定(即使其自由度為零),在主動油缸鉸點處施加主動油缸作用力,這樣Pro/Engineer就可以算出各鉸點處的力和挖掘阻力.每一臺挖掘機的挖掘工況由動臂油缸、斗桿油缸和鏟斗油缸的變化可組合成幾萬個工況,所以應(yīng)選取工作裝置各部件(動臂、斗桿和鏟斗)在外載荷作用下的最不利工況(即受力最大工況)進行分析.(1)對動臂,其受力最大工況是最大挖掘半徑工況,即斗桿缸全伸、斗齒尖點位V位于動臂鉸點C和斗桿、鏟斗鉸點Q連線的延長線上,且CQV三點為水平.經(jīng)受力分析得動臂的受力情況,如圖3所示.經(jīng)Pro/Engineer分析求解得:Fd=814.24kN,G1=47.52kN,Fb=1784.04kN,Fg=636.99kN,Ff=1417.68kN.(2)對斗桿,其受力最大工況是斗桿缸作用力臂最大的位置,即斗桿缸力作用線與鉸點B,H的連線垂直.經(jīng)受力分析得其受力情況,如圖4所示,Fw1為切向挖掘阻力.經(jīng)Pro/Engineer分析求解得:F斗桿缸=814kN,G2=18.962kN,Fx=358.916kN,Fy=1470.009kN.(3)對鏟斗,其受力最大的工況是鏟斗缸作用力為主動力,且其力臂為最大(即鏟斗缸力作用線與鉸點Q,K連線垂直)的工況.經(jīng)受力分析得其受力情況,如圖5所示,經(jīng)Pro/Engineer分析求解得:F鏟斗缸=1286kN,Fq=1459.59kN,Fw=337.5kN.2鉸點處的應(yīng)力工作裝置各部件的最大位移Dmax見表2.由以上數(shù)據(jù)可以看出,工作裝置各部件的最大位移都比較小,在允許的彈性變形范圍內(nèi),所以剛度是足夠的.由于載荷是以集中力的形式施加在模型上的,所以在集中力施加處會出現(xiàn)應(yīng)力集中,有些應(yīng)力值甚至超出許用應(yīng)力很多,這是不合理的,應(yīng)該舍去.因這種節(jié)點很少,而且都在鉸點處,對其他部位沒有影響,所以對分析結(jié)果沒有多大影響,是可行的.動臂的應(yīng)力云圖見圖6,動臂的上半部分的最大值為60.5MPa.其中上蓋板應(yīng)力較小,非彎曲部分的應(yīng)力<9MPa,彎曲部分的應(yīng)力為20～40MPa;動臂下半部分應(yīng)力較大,越往下應(yīng)力越大.兩側(cè)板應(yīng)力呈層狀分布,最下部應(yīng)力最大,達到80MPa.斗桿的應(yīng)力云圖見圖7,斗桿的兩側(cè)板和上蓋板的彎曲區(qū)域應(yīng)力為33～70MPa,兩側(cè)板與上蓋板彎曲處相連接的區(qū)域應(yīng)力為66～100MPa,上下蓋板與左右支承座連接處應(yīng)力為70～110MPa.鏟斗應(yīng)力云圖見圖8.斗前在斗齒連接附近區(qū)域應(yīng)力較大,所以要用高強板.兩側(cè)板與底板連接的部分應(yīng)力為40～60MPa.斗前軸承的最大應(yīng)力達到70.7MPa;斗后后板在兩方形孔圓角處應(yīng)力較大,約為80MPa,然后逐漸向外擴散.由于Q345的強度極限為345MPa,ZG35Mn的強度極限為340MPa,考慮到安全系數(shù)的原因,工作裝置各部件的強度基本足夠.3比較分析了有限計算與電壓測試的比較3.1工作裝置的測量應(yīng)力測試采用一臺YE2539高速靜態(tài)應(yīng)變儀擔(dān)任測試工作,配一臺計算機作為上位控制計算機,如圖9所示。按照以上分析的3種工況對工作裝置進行測試,為了確定工作裝置的姿態(tài),使用3個HY65-D型角位移傳感器來分別測量動臂相對于機座、斗桿相對于動臂和鏟斗相對于斗桿的轉(zhuǎn)角.將它們分別安裝在動臂與機座、斗桿與動臂和鏟斗與斗桿連接的銷軸的中心處.因為不知道應(yīng)力的方向,所以采用45°直角型應(yīng)變花進行應(yīng)力測試.應(yīng)變花的3個應(yīng)變片分別測量測點處0°,45°和90°方向上的應(yīng)變.3.2彈性模量測試的是各測點的0°,45°和90°三個方向上的應(yīng)變,要通過公式(1)將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為主應(yīng)力,再通過第4強度理論公式將主應(yīng)力轉(zhuǎn)換為VonMises應(yīng)力.σmax=E2(1?ν)(ε0+ε90)+E(1+ν)2√(ε0?ε45)2+(ε45?ε90)2????????????????????√σmin=E2(1?ν)(ε0+ε90)?E(1+ν)2√(ε0?ε45)2+(ε45?ε90)2????????????????????√(1)σmax=E2(1-ν)(ε0+ε90)+E(1+ν)2(ε0-ε45)2+(ε45-ε90)2σmin=E2(1-ν)(ε0+ε90)-E(1+ν)2(ε0-ε45)2+(ε45-ε90)2(1)式中:E為彈性模量;ν為泊松比;ε0,ε45,ε90為0°,45°和90°方向上的應(yīng)變.工作裝置各工況的代表性測點的VonMises應(yīng)力測試值與有限元計算值對照如表3所示.由對照結(jié)果可以看出,各測點的誤差均較小,兩者基本吻合.出現(xiàn)誤差的主要原因是:模型的簡化和測試時挖掘機的工況與計算工況存在差異.其中斗唇處測點的誤差稍大,這是因為實際挖掘時斗齒接觸的是石塊,斗齒受力比較復(fù)雜,實際挖掘阻力與理論挖掘阻力相差較大.由表3還可看出,斗桿根部側(cè)板處的測點應(yīng)力較大,這是因為斗桿和鏟斗可以簡化成懸臂梁,同時受斗桿缸作用力和挖掘阻力作用,斗桿根