有限元在液壓機(jī)械中的應(yīng)用

有限元在液壓機(jī)械中的應(yīng)用有限元法的基本概述1有限元法的基本思想2有限元法在液壓機(jī)械中的應(yīng)用31有限元在液壓機(jī)械中的應(yīng)用一、有限元法的基本概述有限元法的基本思想是將結(jié)構(gòu)離散化，用有限個(gè)容易分析的單元來(lái)表示復(fù)雜的對(duì)象，單元之間通過(guò)有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件綜合求解。由于單元的數(shù)目是有限的，節(jié)點(diǎn)的數(shù)目也是有限的，所以稱為有限元法(FEM，F(xiàn)initeElementMethod)。有限元法是最重要的工程分析技術(shù)之一。

2有限元在液壓機(jī)械中的應(yīng)用有限元法是60年代以來(lái)發(fā)展起來(lái)的新的數(shù)值計(jì)算方法，是計(jì)算機(jī)時(shí)代的產(chǎn)物。雖然有限元的概念早在40年代就有人提出，但由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)尚未出現(xiàn)，它并未受到人們的重視。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元法在各個(gè)工程領(lǐng)域中不斷得到深入應(yīng)用，現(xiàn)已遍及宇航工業(yè)、核工業(yè)、機(jī)電、化工、建筑、海洋等工業(yè)，是機(jī)械產(chǎn)品動(dòng)、靜、熱特性分析的重要手段。3有限元在液壓機(jī)械中的應(yīng)用二、有限元法的基本思想

有限元法的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個(gè)且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元組合體。由于單元能按不同的聯(lián)結(jié)方式進(jìn)行組合且單元本身又可以有不同形狀，因此可以將模型化為幾何形狀復(fù)雜的求解域。通常有限元法都遵循以下基本步驟：

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(1)物體的離散化：離散化是有限元法的基礎(chǔ)，就是依據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，選擇合適的單元形狀、類型、數(shù)目、大小以及排列方式，將擬分析的物體假想地分成有限個(gè)分區(qū)或分塊的集合體。

（2）確定單元的性質(zhì)：確定單元性質(zhì)就是對(duì)單元的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行描述。確定了單元性質(zhì)后，可以很方便地利用幾何方程和物理方程求得單元的應(yīng)變和應(yīng)力。5有限元在液壓機(jī)械中的應(yīng)用

(3)組成物體的整體方程組：組成物體的整體方程組就是由己知單元?jiǎng)偠染仃嚭蛦卧刃Ч?jié)點(diǎn)載荷，將其列陣集成表示整個(gè)物體性質(zhì)的結(jié)構(gòu)剛度矩陣和結(jié)構(gòu)載荷列，從而建立起整個(gè)結(jié)構(gòu)：己知量一總節(jié)點(diǎn)載荷與整個(gè)物體未知量一總節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系。

(4)解有限元方程和輔助計(jì)算：引入強(qiáng)制邊界條件，解方程得到節(jié)點(diǎn)位移。6有限元在液壓機(jī)械中的應(yīng)用圖l：有限元分析流程圖圖2：有限元程序框圖7有限元在液壓機(jī)械中的應(yīng)用三、有限元法的實(shí)際應(yīng)用液壓挖掘機(jī)是工程機(jī)械的主要產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用于建設(shè)工程中。工作裝置是挖掘機(jī)直接承受工作載荷的主要構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接影響到挖掘機(jī)的可靠性和工作性能。為了實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)度設(shè)計(jì)及對(duì)危險(xiǎn)截面和應(yīng)力集中部位的加強(qiáng)作用，一般將動(dòng)臂和斗桿設(shè)計(jì)成不規(guī)則箱型焊接結(jié)構(gòu)。由于這種結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性及各部件間的耦合作用，不宜采用解析方法得到結(jié)構(gòu)上任意一點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移，用有限元法卻相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。8有限元在液壓機(jī)械中的應(yīng)用

1、有限元模型的建立（1）定義單元類型由于動(dòng)臂的實(shí)際結(jié)構(gòu)主要由薄鋼板焊接成的，且?guī)缀文Ｐ蛷?fù)雜，故劃分有限元模型的單元類型選擇三維實(shí)體單元Solid45，此單元由8節(jié)點(diǎn)組合而成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度。（2）建立幾何模型利用ANSYS建模時(shí)，考慮到模型的特點(diǎn)是一個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，利用對(duì)稱性先建模型的一半即半結(jié)構(gòu)。再利用映射功能，將模型關(guān)于整體坐標(biāo)系x-y平面映射生成完整的模型。最后用ADD命令對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行加運(yùn)算。9有限元在液壓機(jī)械中的應(yīng)用（3）網(wǎng)格劃分選擇智能劃分網(wǎng)格，取劃分精度為7，劃分好后所得網(wǎng)格圖如圖3所示，網(wǎng)格劃分結(jié)果：?jiǎn)卧獢?shù)132986，節(jié)點(diǎn)數(shù)43179。10有限元在液壓機(jī)械中的應(yīng)用

2、約束及載荷的施加

3、有限元分析（1）強(qiáng)度和剛度分析完成了建模、劃分網(wǎng)格和施加約束等一系列前處理工作之后，對(duì)有限元模型進(jìn)行加載求解，然后可以在ANSYS軟件后處理模塊中查看到動(dòng)臂的應(yīng)力、位移云圖如圖4、圖5：11有限元在液壓機(jī)械中的應(yīng)用圖4等效應(yīng)力云圖圖5位移云圖12有限元在液壓機(jī)械中的應(yīng)用

計(jì)算結(jié)果分析：由上圖可以看出，在該危險(xiǎn)工況下，應(yīng)力最大值發(fā)生在動(dòng)臂與動(dòng)臂油缸相連接的軸套處，其值為225．596MPa，小于許用應(yīng)力，但與許用應(yīng)力十分接近。實(shí)際工作中，動(dòng)臂的破壞也往往在此位置，說(shuō)明此位置的強(qiáng)度和焊接工藝有待改進(jìn)。另外，挖掘機(jī)動(dòng)臂的最大位移發(fā)生在動(dòng)臂左右連接板處，其值比較小，為6．438mm，在允許的彈性變形范圍內(nèi)。13有限元在液壓機(jī)械中的應(yīng)用綜上所述，通過(guò)對(duì)液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂的有限元分析表明，該液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂的薄弱環(huán)節(jié)主要在動(dòng)臂與動(dòng)臂油缸相連接的軸套處、斗桿油缸支座處及動(dòng)臂端套