2306 液压挖掘机工作装置有限元分析.doc

目 录 1改进前几何模型的简化及建立 2 2改进前有限元模型的建立 7 3改进前工况的确定及载荷计算 8 4改进前工作装置强度刚度分析 18 5改进后几何模型的简化及建立 55 6改进后有限元模型的建立 60 7改进后工况的确定及载荷计算 60 8改进后强度刚度结果分析 70 9改进后模态分析 112 10结论 120 1改进前几何模型的简化及建立 动臂为德国原设计没有焊接加强板，斗杆为德国原设计的长斗杆。 主要是依据已知的图纸数据在Catia和UG三维建模软件中建立车架、动臂、斗杆及铲斗的几何模型。在建模过程中，去掉了螺纹孔、很小的不影响计算结果的倒角、运输吊耳等不影响计算结果，但却很耗费机时、工时的要素。 在实际模型中焊缝处都按连续处理，其材料按照与母材相同处理。这样可以节省很多计算资源，也可以使关心的部分的计算结果更准确。 1.1动臂几何模型的简化及建立 此模型是依据图纸3073990及相关的零件图尺寸，运用Catia三维建模软件建立的。建模过程中，对运输吊耳及焊缝进行了合理的简化。 最终建立的动臂的几何模型如图1-1所示。 图1-1　动臂的几何模型 1.2斗杆几何模型的简化及建立 此模型是依据图纸4550285 及相关的零件图尺寸数据，运用Catia建模软件建立的。建模过程中，对焊缝、工艺孔及很小的倒角进行了合理的简化。 最终建立的斗杆的几何模型如图1-2所示。 图1-2　斗杆的几何模型 1.3铲斗几何模型的简化及建立 此模型是依据图纸4573953及相关的零件图尺寸数据，运用Catia三维建模软件建立的。在建模过程中，对焊缝及很小的倒角进行了合理的简化，认为焊缝处的材料属性与母材相同。 最终建立的铲斗的几何模型如图1-3所示。 图1-3　铲斗几何模型 1.4车架几何模型的简化及建立 此模型是依据图纸5404122及相关的零件图尺寸数据，运用UG三维建模软件建立的。在建模过程中，对焊缝及很小的倒角进行了合理的简化，认为焊缝材料与母材相同。 最终建立的车架的几何模型如图1-4所示。 图1-4　车架的几何模型 1.5连接盖几何模型的简化及建立 此模型主要是依据1173464图纸的尺寸，运用UG三维建模软件建立的。此模型的尺寸虽然小，但其结构却是很复杂，在UG中运用了高级曲面造型的建模方法建立了该模型。在建模过程中，对螺纹孔及很小的倒角进行了合理的简化。 最终建立的连接盖的几何模型如图1-5所示。 图1-5　连接盖的几何模型 1.6整体装配模型 将以上各个部分装配到一起的几何模型如图1-6所示。 图1-6　整体装配的几何模型 2改进前有限元模型的建立 2.1单元类型的选择 由于工作装置的实际结构主要是由薄钢板焊接成的，且几何模型很复杂，故划分有限元模型的单元类型选择三维实体单元Solid45和Solid95。 Solid45单元类型一般用于规则实体结构模型，有八个节点，每个节点有x、y、z三个方向的移动自由度。该单元有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形和大应变的性能。因此Solid45单元可以满足此计算的要求。 油缸采用link8单元模拟。连接盖的结构比较复杂，所以该结构必须用高维带中间节点的Solid95单元来模拟。但却增大了很多的计算量。 2.2有限元模型的建立 为了保证计算精度，网格要尽量划分的细一些。同时还要考虑到计算时间。所以在不影响计算结果的情况下，将网格划分的要粗一些。综合以上两点，建立的工作装置有限元模型如图2-1所示。 图2-1　工作装置有限元模型 3改进前工况的确定及载荷计算 根据GB9141—88，确定反铲单斗液压挖掘机工作装置的计算工况共分为四大种。 3.1工况1 1、该工况下，工作装置位置描述 动臂液压缸全缩，斗杆液压缸作用力臂最大，斗齿尖位于铲斗与斗杆铰点和斗杆与动臂铰点连线的延长线上。 具体的安装位置如图3-1所示。 图3-1　工作装置的具体位置 2、该工况下载荷确定及计算 该工况下载荷分为重力、切向力和侧向力。 ①切向力的方向垂直于铲斗与斗杆铰点和斗杆与动臂铰点连线，作用在边齿齿尖。大小为44000N，保证动臂和斗杆油缸的力不超过最大值。具体的加载方式如图3-2所示。 图3-2　只受切向力作用 该工况下，动臂油缸承受拉力，其值为27t。斗杆油缸承受的压力为31.5t，小于能够承受的最大压力56.7t。铲斗油缸的压力19.3t，小于能够承受的最大压力45.2t。 ②侧向力的方向垂直于工作装置所在的平面，作用在边齿齿尖，大小由回转机构的制动力矩确定。其中制动力矩为59kN.M，计算得到斗齿上的力为225191N，但此力已经使车倾翻。故侧向载荷应保证使车不倾翻。侧向抗倾翻力矩为280kN.M，按此值计算得到的侧向载荷为52880N。 具体的加载方式如图3-3所示。 图3-3　只受