单斗液压挖掘机的有限元静强度分析.doc

对450LC单斗挖掘机的有限元静强度分析 （机械工程与材料能源学部 学号：***） 摘要：本文使用ANSYS有限元方法进行静力分析单元确定网格划分计算载荷的确定得出动臂的应力云图与应变图， 图1 单斗反铲挖掘机图 2反铲工作装置和动臂 反铲装置主要由动臂、斗杆，铲斗、动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸和四杆机构等组成。反铲主要用于挖掘停机面以下的土壤、基坑和沟壕等。是中小型挖掘机的主要工作装置。 挖掘机工作装置在工作过程中其受力与运动的情况都比较复杂，主要体现在： 作业对象千变万化，在多种土质条件与复杂的建筑工地现场使用，受力情况比较复杂； 在工作过程中，每一个运动都是有2个或2个以上的部件参与工作； 在挖掘的过程中，受拉压、扭转与振动冲击等多种载荷的作用，且随着挖掘机姿态的不同，挖掘力的大小于方向都在不断发生着变化，因而实际的挖掘力是不确定的。 动臂是由左右侧板、上下盖板、前插板及其它辅助结构件等，动臂是挖掘机的关键件，也是主要承力部件。 3动臂的有限元分析 挖掘机动臂的实体模型图： 图2 挖掘机动臂实体模型图 通常情况下需要首先建立几何模型，然后根据几何模型生成有限元模型。在几何模型建立之前，需要先分析实体的结构特征，确定这些特征建立的先后顺序，以及每个模型的建模方法，使所建立的几何模型尽量准确接近物体的几何结构，但对于结构形式非常复杂，而对于要分析的问题来讲又不是很关键的部位，应根据实际情况进行简化，使特征尽可能的简单，参数尺寸尽可能的少，以便降低建模难度，节约工作时间。在进行了上述的分析后，然后利用ANSYS提供的建模命令来创建动臂的三维模型。 3.1选取有限元单元和定义材料属性 本次的动臂建模采用Shell板壳单元8nodes9单元类型。单元实常数是依赖于单元类型的单元特性，对于Shell板壳单元，其单元实常数为厚度。本次建模中，由于动臂各组成部分的厚度不同，其赋予的实常数值也不同。本次建模中，对Shell63单元共赋予了11个不同的厚度实常数。动臂主要是由钢板焊接而成，根据实际模型，可选择3。密度7.8，弹性模量2.06Mpa,泊松比0.3。 3.2建立有限元模型 动臂模型的建立采用中性面的方法，即采用板壳建模的方法，先用表面建模，最后赋厚度实常数。对于焊缝则不作处理，模型中没有考虑焊缝的影响。在实际情况中，良好质量的焊缝能够减小应力集中，即实际结构中的最大应力应低于计算值。 在建模的过程中，要学会建立局部坐标系，这样可使建模更容易实现。 布尔运算在建模的过程中发挥着重要的作用。在建模完成之后，网格划分之前，一定要将建立的几何模型粘结起来，否则在后续的处理过程中，相邻面的网格没有公共边界，在施加约束和载荷后，载荷传不到动臂的各个组成部分，将使模型撕裂开来，无法得到正确的分析结果。 3.3网格划分 网格划分的好坏，对计算精度的影响很大，划分很差的网格会使求解精度严重降低，甚至还会导致不能求解。ANSYS提供了两种划分网格的方法：智能网格划分和手工划分。智能网格划分是ANSYS所提供的强大的自动划分工具，有自己的内部机制，使用智能网格划分在很多情况下更有利于在网格自动生成的过程中生成合理的单元，所以在本次的网格划分中首先智能网格划分来划分网格。若划分失败，出现畸形网格，再采用手工划分的方式。在动臂的关键部位，例如动臂与斗杆的交界处的双耳、动臂与动臂油缸铰接处的双耳则采用映射网格来划分。 网格划分后，动臂的模型如下： 图3 划分网格后的动臂模型图 采用映射网格局部细化的铰耳图： 图4 映射网格的铰耳图 3.4施加约束和载荷 根据挖掘机动臂的工作条件来模仿约束，对动臂施加约束。对于有限元静力分析，必须限制模型的刚体位移，因此选择约束是必须的。本次选择对动臂与上车机构铰y接处的销孔点进行约束及动臂与动臂油缸的销孔点进行约束，约束x、y、z方向的位移，并约束绕x、y方向的转动，只留下z方向的旋转没有约束。在动臂与斗杆的铰接处与-x轴成45°施加10000N的力，动臂与动臂油缸处施加-x轴5000N的力。 3.5动臂有限元模型的分析 施加约束和载荷后，对动臂有限元模型进行求解，得出动臂的等效应力云图和应变图。 图5 动臂的Von missed stress 图 图6 动臂的变形图 从动臂的Von Mises应力云图可以看出，动臂大部分部位的应力值较小，而在动臂和上车铰接处有很大的应力集中，局部应力甚至超过了材料的屈服极限，应考虑在动臂铰接点周围采取加强措施。 从动臂的变形图可以看出，离动臂下铰耳越远，其变形越大，要求刚性越好。 4结语 利用ANSYS有限元方法进行 *** 对450LCL单斗挖掘机的有限元静强度分析 6