掘机操作臂的建模与仿真分析初稿.docVIP

掘机操作臂的建模与仿真分析 摘要： 挖掘机集挖掘和装载功能于一体，在基础建设和民用建筑建设中的使用与日俱增，但液压挖掘机的工作条件比较恶劣，造成工作装置可靠性较差。本文对挖掘机进行虚拟仿真及运动和有限元分析，从而为改进挖掘机设计、提高挖掘机工作的稳定性提供了理论依据。具体的工作步骤：对挖掘机工作装置进行建模仿真，建立各个零件的三维模型图，装配挖掘机操作臂的三维结构模型，进行挖掘机操作臂的运动仿真模型，并对其运动分析，提供运动性能分析参数；对挖掘机操作臂的进行力学分析，采用ANSYS 分析软件对挖掘机操作臂的主要零部件进行有限元分析，给出出应力分析云图和变形图；能够对分析结构提出建议和意见。  目录 1 引言（挖掘机发展概况及仿真分析的意义） 1.1 挖掘机的发展历史 1 1.2 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径） 3 2 挖掘机工作装置的建模仿真 4 2.1采用UG软件对挖掘机工作装置进行建模仿真 4 2.2挖掘机工作装置的运动仿真 11 3挖掘机工作装置主要结构的受力分析 11 3.1 斗杆的计算载荷 11 3.2 斗杆载荷的计算 12 4 挖掘机工作装置的有限元分析 12 4. 1 有限元分析软件简介 12 4．2 ANSYS中的有限元分析步骤 16 4. 3 挖掘机操作臂的有限元分析 20 结论 29 参考文献 29 1 绪论 挖掘机发展概况及仿真分析的意义 1.1 挖掘机的发展历史 液压挖掘机是功能最典型、结构最复杂、用途最广泛的工程机械之一，作为工程机械的代表产品，它在工业与民用建筑、交通运输、水利电力工程、矿山采掘以及军事工程等施工中起着极为重要的作用[1]。第一台手动挖掘机问世至今已有130多年的历史，期间经历了由蒸汽驱动斗回转挖掘机到电力驱动和内燃机驱动回转挖掘机、应用机电液一体化技术的全自动液压挖掘机的逐步发展过程。由于液压技术的应用，20世纪40年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机，20世纪50年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机。初期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术，缺少适用于挖掘机各种工况的液压元件，制造质量不够稳定，配套件也不齐全。从20世纪60年代起，液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增。1968-1970年间，液压挖掘机产量已占挖掘机总产量的83%，目前已接近100%。 1.1.1 挖掘机的类型及发展趋势 工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、美国、俄罗斯、日本是斗容量3.5-40m3单斗液压挖掘机的主要生产国，从20世纪80年代开始生产特大型挖掘机。例如，美国马利昂公司生产的斗容量50-150m3剥离用挖掘机，斗容量132m3的步行式拉铲挖掘机；B-E（布比赛路斯-伊利）公司生产的斗容量168.2m3的步行式拉铲挖掘机，斗容量107m3的剥离用挖掘机等，是世界上目前最大的挖掘机。从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展。 1.1.2挖掘机操作臂的仿真研究 实践表明，定点挖掘是挖掘机最常见和最频繁的工作之一，主要由其工作装置完成。而且随着工程机械机器人化的研究发展，液压挖掘机的自动化也逐渐成为各国的研究重点，尤其是局部自动化【2】；在这方面的研究中，多数工作集中在对挖掘机的工作装置进行控制。目前国内外对于挖掘机工作装置控制的研究中，通常把其工作装置作为多自由度的机器手来处理，控制工作装置的末端（即铲斗尖）以跟踪规划好的期望轨迹，期望轨迹就被称为铲斗轨迹控制中的目标值；如：自动挖掘，自动装载等[3-5]。因此本文着重点就是对挖掘机定点挖掘过程中工作装置机构的动力学进行仿真【6】。挖掘机液压系统是由多个液压元件组成的复杂非线性系统，各液压元件间依靠液压介质进行能量的传递，同时依靠控制系统传递的控制信号实现压力、流量的控制【7】。对挖掘机这样的复杂液压系统进行定性和定量的仿真，依靠传统的仅用微分和差分方程的方法不能很好地模拟系统实际的各种工作性能，因此目前多采用Matlab语言的Simulink模块对挖掘机液压系统进行仿真[8]。而对于挖掘机这样复杂的机械系统，要想准确地控制其运动，对其进行动力学建模是必不可少的，对其机构的动力学进行仿真采用UG软件，而对其进行有限元分析我们采用Ansys软件[9]。挖掘机工作装置是一个具有三个自由度的平面连杆系统，分析是可按平面机构进行。普通挖掘机工作装置的结构中铲斗油缸与铲斗的连接一般有两种形式：一种是铲斗与铲斗油缸直接连接的机构形式；另一种是铲斗与铲斗油缸之间通过摇杆和连杆间接连接的机构形式 [10]。单斗液压挖掘机在实际工作时工作装置承受随机载荷。构件的应力时间历