液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂有限元靜強(qiáng)度分析*

王啟超

(長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西西安 710064)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)展步入快車道，隨之帶來(lái)的對(duì)工程機(jī)械的需求量也與日俱增，這成為工程機(jī)械生產(chǎn)商們發(fā)展的良好契機(jī)。挖掘機(jī)主要用途是進(jìn)行土石方施工工程，是工程機(jī)械中的重要機(jī)種之一，同時(shí)，它使用范圍廣泛，在許多行業(yè)的機(jī)械化施工中也必不可少，如電力水利工程、礦山發(fā)掘、工民建、土地復(fù)墾及國(guó)防軍事工程建設(shè)等。最近幾年，挖掘機(jī)在整個(gè)工程機(jī)械行業(yè)中穩(wěn)居產(chǎn)銷量增長(zhǎng)速度榜首。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的大環(huán)境中，國(guó)家不斷加大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度，挖掘機(jī)作業(yè)效率高、速度快的特點(diǎn)奠定了其在工程建設(shè)中不可動(dòng)搖的地位，得到了廣泛認(rèn)可。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，挖掘機(jī)完成了工程施工中60%以上的土石方量，在國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)中的地位不可取代。根據(jù)國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)逐年銷量情況調(diào)查表1提供的數(shù)據(jù)，繪制出銷量趨勢(shì)圖1，根據(jù)圖1分析得，挖掘機(jī)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)銷量增長(zhǎng)迅速［1］，1994年全國(guó)銷量只有2141臺(tái)，而到2001年銷量即突破萬(wàn)臺(tái)大關(guān)，達(dá)到12397臺(tái);2010年是創(chuàng)造銷量神話的一年，這一年共計(jì)銷售165804臺(tái)，幾乎實(shí)現(xiàn)100%的增長(zhǎng);隨后幾年，經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的轉(zhuǎn)變對(duì)銷量影響明顯，但依然維持在十萬(wàn)臺(tái)以上;銷量從千到萬(wàn)用了8年，從萬(wàn)到十萬(wàn)用了10年，不到二十年時(shí)間就實(shí)現(xiàn)了從千到十萬(wàn)的大跨越發(fā)展。

國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)從20世紀(jì)60年代末期才開(kāi)始研發(fā)，起步較晚，經(jīng)過(guò)40余年的不懈努力，最終實(shí)現(xiàn)中國(guó)挖掘機(jī)行業(yè)蓬勃迅猛發(fā)展。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2010年全國(guó)挖掘機(jī)制造行業(yè)規(guī)模以上的企業(yè)有252家，創(chuàng)造銷售額1697.85億元，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品銷售利潤(rùn)253.67億元，利潤(rùn)總計(jì)為214.06億元，同比增幅均超過(guò)80%。數(shù)據(jù)令人振奮，但仍需保持頭腦清醒，目前中國(guó)挖掘機(jī)市場(chǎng)依然由日韓和歐美品牌主導(dǎo)。其中，高端市場(chǎng)主要被卡特皮勒、凱斯、利勃海爾、VOLVO等歐美品牌占據(jù);中高端市場(chǎng)被日本品牌(日立、小松和神鋼等)占據(jù);中端市場(chǎng)以韓國(guó)品牌(現(xiàn)代、斗山等)為主導(dǎo);國(guó)產(chǎn)品牌絕大部分仍處于中低端市場(chǎng)，因外資高品質(zhì)高價(jià)格的高門檻保證了國(guó)產(chǎn)品牌在中低端市場(chǎng)的銷量。國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)發(fā)展時(shí)間較短，各大企業(yè)堅(jiān)持不斷加大研發(fā)力度，努力縮小與優(yōu)質(zhì)品牌的差距，可以預(yù)測(cè)，國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)與國(guó)際水平接軌并實(shí)現(xiàn)超越指日可待。目前，很多國(guó)內(nèi)知名企業(yè)(如三一重工、山河智能、柳工等)已經(jīng)敲開(kāi)了中高端市場(chǎng)的大門［2］。

根據(jù)中國(guó)質(zhì)量協(xié)會(huì)2012年11月25日公布的一項(xiàng)調(diào)查結(jié)果顯示，2012年1～10月，中國(guó)國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)銷量9萬(wàn)多臺(tái)，其中自主品牌市場(chǎng)份額達(dá)到42%，而在2002年市場(chǎng)份額只有8%。同日，中國(guó)質(zhì)量協(xié)會(huì)全國(guó)用戶委員會(huì)在北京舉行新聞發(fā)布會(huì)，內(nèi)容為“2012年挖掘機(jī)行業(yè)產(chǎn)品平均無(wú)故障時(shí)間調(diào)查結(jié)果”。中國(guó)質(zhì)量協(xié)會(huì)的相關(guān)負(fù)責(zé)人馮銳在會(huì)上說(shuō)，工程機(jī)械行業(yè)十年的飛速發(fā)展使其成為中國(guó)機(jī)械制造業(yè)的第三大行業(yè)，其中挖掘機(jī)是工程機(jī)械中技術(shù)含量最高的一種。馮銳提及，中國(guó)自主品牌已經(jīng)占據(jù)工程機(jī)械行業(yè)多數(shù)產(chǎn)品的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，并且出口量逐步增加，不單受益于低廉的價(jià)格，更重要的是產(chǎn)品服務(wù)質(zhì)量的不斷提高。在當(dāng)天公布的調(diào)查結(jié)果中還顯示，外資品牌大噸位(35 t以上)挖掘機(jī)的可靠性優(yōu)勢(shì)明顯;但中小噸位(35 t以下)挖掘機(jī)產(chǎn)品，自主品牌的平均無(wú)故障時(shí)間已經(jīng)接近甚至趕超外資品牌，可靠性提升明顯。有關(guān)專家分析指出，中國(guó)自主品牌挖掘機(jī)整體可靠性方面的提升取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但同時(shí)也要看到大噸位挖掘機(jī)的諸多不足，需要繼續(xù)不斷提高挖掘機(jī)整體可靠性，追趕實(shí)現(xiàn)國(guó)際先進(jìn)水平［3］。

挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)件可靠性(動(dòng)臂的疲勞、斗桿的疲勞斷裂等)是挖掘機(jī)整體可靠性的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。而結(jié)構(gòu)件的可靠性，從力學(xué)角度講，就是結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要滿足使用工況的要求。筆者研究探討如何使用有限元分析軟件Ansys對(duì)挖掘機(jī)動(dòng)臂進(jìn)行有限元靜力(靜強(qiáng)度)分析，并對(duì)結(jié)果作簡(jiǎn)要評(píng)價(jià)。

表1 國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)逐年銷量情況調(diào)查表

圖1 國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)逐年銷量趨勢(shì)圖

1 有限元分析法

時(shí)至今日，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展始終保持著強(qiáng)勁的加速度，世界各地不斷出現(xiàn)更加巨型的建筑、更加便捷高速的交通工具和越來(lái)越精密的機(jī)械設(shè)備。這樣高速的發(fā)展變革帶給工程師們的是更加苛刻、變化多端的各種新要求，要求無(wú)論是產(chǎn)品還是工程建設(shè)，必須在設(shè)計(jì)階段就能夠精確地預(yù)測(cè)出它的技術(shù)性能，要對(duì)結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力強(qiáng)度，以及流場(chǎng)、電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。

面對(duì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展帶來(lái)的諸多難題，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展為解決各種難題提供了一種方便可行的手段，其中有限元分析方法就是在計(jì)算機(jī)數(shù)值分析的幫助下應(yīng)運(yùn)而生的，用來(lái)解決這些復(fù)雜工程分析計(jì)算問(wèn)題。而有限元分析軟件與CAD系統(tǒng)的集成應(yīng)用，又使設(shè)計(jì)水平發(fā)生質(zhì)的飛躍。有限元方法(FEM)作為一種十分有效的數(shù)值方法，在工程界被廣泛認(rèn)可使用。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，F(xiàn)EM從建模、求解到程序?qū)崿F(xiàn)，均有重大進(jìn)展。特別是隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和有限元分析軟件的改進(jìn)提高，F(xiàn)EM的分析功能和分析效率不斷提升，成為結(jié)構(gòu)工程中必不可少的分析工具。目前，在機(jī)械系統(tǒng)、工程結(jié)構(gòu)和其他各類工程問(wèn)題的數(shù)字建模、分析、設(shè)計(jì)、仿真等各方面都發(fā)揮著十分重要的作用。

2 ANSYS簡(jiǎn)介

美國(guó)ANSYS公司作為CAE領(lǐng)域的引領(lǐng)者，其產(chǎn)品ANSYS軟件是將流體、結(jié)構(gòu)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)、電場(chǎng)分析融合為一體的大型通用有限元分析軟件。它能夠與大多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，例如AutoCAD、Pro/E、NASTRAN 等。

軟件主要包括前處理模塊、分析計(jì)算模塊、后處理模塊三部分。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便的構(gòu)造有限元模型(也可以選擇在AutoCAD等建模，再導(dǎo)入ANSYS軟件);分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、多物理場(chǎng)的耦合分析等等，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力;后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、透明及半透明顯示(可以看到內(nèi)部結(jié)構(gòu))、矢量顯示、梯度顯示、粒子流跡顯示等圖形方式顯示出來(lái)，也可以將計(jì)算結(jié)構(gòu)用曲線、圖表形式顯示或輸出。

3 挖掘機(jī)動(dòng)臂有限元模型的建立

挖掘機(jī)的工作裝置和車架是主要承載結(jié)構(gòu)件，與整機(jī)的使用性能直接相關(guān)。用有限元對(duì)挖掘機(jī)承載結(jié)構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，不但經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確，而且能夠得出結(jié)構(gòu)件在各種工況下的應(yīng)力分布情況。挖掘機(jī)的工作裝置主要由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗組成，工作裝置通過(guò)動(dòng)臂絞點(diǎn)、動(dòng)臂油缸與前車架連結(jié)在一起。因此，可以將動(dòng)臂絞點(diǎn)作為工作裝置的支點(diǎn)，把液壓缸作用力作為載荷施加在動(dòng)臂上，而動(dòng)臂與斗桿的連結(jié)點(diǎn)，對(duì)于動(dòng)臂可視為外載荷，對(duì)于斗桿可將其作為支點(diǎn)。

實(shí)際模型簡(jiǎn)化得到的計(jì)算模型越復(fù)雜，計(jì)算規(guī)模越大，雖然能夠保證計(jì)算精度，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力。ANSYS在對(duì)模型進(jìn)行前處理時(shí)，如網(wǎng)格劃分要計(jì)算模型的表面數(shù)，表面數(shù)越多，劃分網(wǎng)格越慢，而且劃分過(guò)程易出錯(cuò)，錯(cuò)誤也不易找出。通過(guò)對(duì)工作裝置的分析，把工作裝置所包含的零件分為承載件和非承載件，對(duì)于非承載件，在建模過(guò)程中，將其略去。對(duì)于像動(dòng)臂頭部以及軸承座、液壓缸座等結(jié)構(gòu)件，由于在分析過(guò)程中主要是施加載荷的結(jié)構(gòu)件，也將其簡(jiǎn)化。實(shí)體模型中的倒角，對(duì)分析結(jié)果沒(méi)有影響，也將其略去。

在建模過(guò)程中，由于斗桿油缸聯(lián)接軸座處為曲面，在建模完成后分網(wǎng)時(shí)，此聯(lián)接軸座不是平滑曲面過(guò)渡，所以不能分網(wǎng)。因此，將此油缸聯(lián)接座簡(jiǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)方體。油缸聯(lián)接座底下箱體內(nèi)的筋板，在建模完成后，始終無(wú)法將所有體相加為一體，故將其省略，為了彌補(bǔ)強(qiáng)度的削弱，將此筋板處到斗桿連接處的箱體側(cè)板加厚到20 mm(原來(lái)為12 mm)。最終建模結(jié)果保存文件為boom.db(見(jiàn)圖2)。

圖2 ANSYS建模所得挖掘機(jī)動(dòng)臂

圖3 模型的單元類型選取

4 ANSYS定義單元類型、實(shí)常數(shù)、材料屬性、劃分網(wǎng)格

4.1 定義單元類型

因?yàn)槟Ｐ褪侨S實(shí)體的，而且不規(guī)則，所以單元類型選擇Solid 92(10節(jié)點(diǎn)四面體單元)，其在四面體每條邊上都有中間節(jié)點(diǎn)，是2階單元，精度比1階單元要高，如圖3所示。

4.2 定義實(shí)常數(shù)

單元中包含了基本的幾何和自由度信息。分析中，單元事實(shí)上代表了物體，所以還可能具有其他一些幾何和物理信息。這種單元本身不能描述的信息用實(shí)常數(shù)(Real Constants)來(lái)描述。但是，不是所有單元都要實(shí)常數(shù)，如PLANE42單元在默認(rèn)選項(xiàng)下就不需要實(shí)常數(shù)，還有Solid 92也不需要定義實(shí)常數(shù)。

4.3 定義材料屬性

實(shí)常數(shù)在m單位制，(即模型尺寸單位為m)時(shí)輸入到ANSYS。

彈性模量 EX=2.1e11 MPa;泊松比 PRXY=0.3

最終得到導(dǎo)出單位:位移單位m;壓力單位Pa(N/m2);如圖4。

圖4 模型的材料屬性選取

4.4 劃分網(wǎng)格

網(wǎng)格劃分的好壞會(huì)直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度，根據(jù)動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)和尺寸將自行劃分網(wǎng)格尺寸為0.08。經(jīng)過(guò)提的自由分網(wǎng)，得節(jié)點(diǎn)數(shù)34 888，單元數(shù)18 212。(分網(wǎng)結(jié)果、節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)如圖5，6)

圖5 模型的分網(wǎng)結(jié)果

圖6 模型分網(wǎng)后的節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)

5 定義邊界條件并求解

定義邊界條件在ANSYS軟件運(yùn)用中，是最難、最復(fù)雜、最關(guān)鍵的步驟，在這里只簡(jiǎn)要概述選取結(jié)果，不做過(guò)細(xì)解釋。

5.1 施加位移約束

通過(guò)對(duì)某些節(jié)點(diǎn)加以約束來(lái)消除動(dòng)臂模型的剛體位移，達(dá)到消除總剛度矩陣奇異性的目的。具體約束條件為:所加的約束正好消除全部剛體自由位移，或者把約束改為剛度足夠大的邊界元，作為校核載荷平衡的補(bǔ)充辦法。三維實(shí)體結(jié)構(gòu)單元為三自由度UX，UY，UZ。根據(jù)邊界條件分別施加約束，對(duì)車身連接端C施加約束:沿三個(gè)坐標(biāo)軸方向的位移(U，V，W);對(duì)動(dòng)臂油缸后軸座B施加約束:沿三個(gè)坐標(biāo)軸方向的位移(U，V，W)。

施加約束時(shí)，將約束施加在C、B處的內(nèi)圓環(huán)面上。

5.2 施加壓力載荷

本文是動(dòng)臂的強(qiáng)度校核，故選取挖掘機(jī)動(dòng)臂兩種典型特殊工況進(jìn)行分析，這兩種工況及其對(duì)應(yīng)各處的力分別為:

(1)工況一:挖掘機(jī)動(dòng)臂位于最低(動(dòng)臂液壓缸全縮);斗桿液壓缸作用力臂最大(斗桿液壓缸與斗桿尾部夾角為90°);鏟斗斗齒尖位于F，Q兩鉸點(diǎn)連線的延長(zhǎng)線上，即F，Q，V三點(diǎn)共線;側(cè)齒遇障礙作用有側(cè)向阻力。如圖7所示。

(2)工況二:動(dòng)臂位于動(dòng)臂液壓缸對(duì)鉸點(diǎn)C有最大作用力臂處;斗桿液壓缸作用力臂最大;鏟斗位于發(fā)揮最大挖掘力位置(連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比最大)。如圖8所示。

圖7 挖掘機(jī)動(dòng)臂工況一

圖8 挖掘機(jī)動(dòng)臂工況二

根據(jù)上面計(jì)算得到兩種工況下的各點(diǎn)受力及角度(單位kN)，如圖9所示，表2所列。

圖9 挖掘機(jī)動(dòng)臂兩種工況各點(diǎn)受力及角度示意圖

表2 挖掘機(jī)動(dòng)臂兩種工況各點(diǎn)受力大小及角度值表/kN

兩種工況下各點(diǎn)的分力，如表3。

表3 挖掘機(jī)動(dòng)臂兩種工況各點(diǎn)受力大小 /kN

5.3 進(jìn)行求解

按照表3在斗桿油缸連接座D處，動(dòng)臂與斗桿連接處F處的內(nèi)圓環(huán)面上的一點(diǎn)施加載荷。

操作中出現(xiàn)一些錯(cuò)誤，因?yàn)榧虞d的力應(yīng)為一點(diǎn)上的力，而第一次加載各點(diǎn)力時(shí)，錯(cuò)誤的選擇了Pressure選項(xiàng)來(lái)加載，而Pressure表示在整個(gè)圓環(huán)面上均勻加載，這導(dǎo)致最終得到的結(jié)果應(yīng)力和應(yīng)變非常小。隨后改正問(wèn)題，選擇Current LS選項(xiàng)進(jìn)行求解。

6 查看結(jié)果

ANSYS在不同工況下得到的結(jié)果如下:

(1)動(dòng)臂在工況一的有限元分析結(jié)果

根據(jù)圖10得，動(dòng)臂在工況一的最大應(yīng)力發(fā)生在動(dòng)臂和動(dòng)臂油缸鉸點(diǎn)處，最大應(yīng)力為93.3 MPa，其他地方應(yīng)力較小。此時(shí)動(dòng)臂最大變形為4.778 mm。

圖10 挖掘機(jī)動(dòng)臂工況一分析結(jié)果圖

(2)動(dòng)臂在工況二的有限元分析結(jié)果

根據(jù)圖11得，動(dòng)臂在工況二的最大應(yīng)力發(fā)生在連接斗桿的兩耳板的鉸孔處，其值為198 MPa，由于沒(méi)有側(cè)向力作用，兩耳板應(yīng)力對(duì)稱分布。動(dòng)臂的最大位移為4.726 mm，其變形也在平行于動(dòng)臂的縱向平面內(nèi)。

圖11 挖掘機(jī)動(dòng)臂工況二分析結(jié)果圖

7 結(jié)語(yǔ)

著重介紹了挖掘機(jī)在工程機(jī)械行業(yè)中所處的重要地位，并簡(jiǎn)單介紹了挖掘機(jī)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程，對(duì)國(guó)內(nèi)挖機(jī)市場(chǎng)情況進(jìn)行簡(jiǎn)要分析解讀，明確了挖掘機(jī)行業(yè)發(fā)展所面臨的重大問(wèn)題，即不斷提高整機(jī)可靠性。隨后，利用ANSYS軟件進(jìn)行挖掘機(jī)動(dòng)臂有限元靜強(qiáng)度分析，通過(guò)對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行簡(jiǎn)化得到合理的計(jì)算模型，再進(jìn)行有限元計(jì)算分析得出結(jié)果，通過(guò)直觀的結(jié)果圖，得出此液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求，并且用實(shí)體單元建立的該有限元模型是可靠、合理的。說(shuō)明利用ANSYS對(duì)液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂進(jìn)行有限元靜強(qiáng)度分析是一種行之有效的方法，它可在設(shè)計(jì)階段全面掌握動(dòng)臂的強(qiáng)度和剛度，從而指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、縮短設(shè)計(jì)周期、減少后期試驗(yàn)次數(shù)，滿足現(xiàn)代設(shè)計(jì)快速發(fā)展的需求。

［1］ 趙京星.挖掘機(jī)動(dòng)臂有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2006.

［2］ 中國(guó)行業(yè)研究網(wǎng).中國(guó)挖掘機(jī)制造產(chǎn)銷需求與投資預(yù)測(cè)［EB/OL］.http://www.chinairn.com/news/20130911/103937783.html，2013-9-11.

［3］ 中國(guó)新聞網(wǎng).中國(guó)挖掘機(jī)自主品牌市場(chǎng)份額升至四成以上［EB/OL］.http://finance.chinanews.com/cj/2012/11-25/4356008.shtml，2012-11-25.

［4］ 王慶五.Ansys 10.0機(jī)械設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用實(shí)例［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.