元結(jié)構(gòu)理論在快速連接器上的分析及應(yīng)用

許盛輝

(廈門恒立興機械有限公司，福建 廈門 361026)

元結(jié)構(gòu)理論在快速連接器上的分析及應(yīng)用

許盛輝

(廈門恒立興機械有限公司，福建 廈門 361026)

利用元結(jié)構(gòu)理論對快速連接器進行了有限元分析計算，并利用快速連接器的CAE分析，驗證了采用Solid Works建立三維數(shù)學(xué)模型，再導(dǎo)入ANSYS Workbench模塊進行機械構(gòu)件的有限元分析計算方法和步驟的正確性，為相關(guān)工程技術(shù)人員提供了一種分析方法。

Solid Works； ANSYS Workbench； 快速連接器； 靜力學(xué)分析

挖掘機配備的快換連接器又稱快速接頭，安裝在挖掘機工作裝置前端[1]?？梢詫崿F(xiàn)不用人工拆卸銷軸就能迅速完成各種挖掘機屬具如挖斗、松土器、破碎錘、液壓剪、抓木器、抓石器等的更換，使挖掘機擴展破碎、剪切、清除、壓實、銑刨、推運、夾送、抓取、鏟刮、疏松、吊裝等多種作業(yè)[2]。整個屬具更換過程操作簡便、安全可靠，大大提高了挖掘機的工作效率。

由于快速連接器承擔(dān)了挖掘機屬具快換的功能，使用頻率高容易造成疲勞破壞，故對快速連接器的靜力分析，受力形變顯得尤為重要[3]。

1 元結(jié)構(gòu)理論

元結(jié)構(gòu)理論，就是以單元晶體的結(jié)構(gòu)性能預(yù)測整體機械結(jié)構(gòu)性能的方法。國內(nèi)外許多學(xué)者利用元結(jié)構(gòu)理論對機械結(jié)構(gòu)做設(shè)計分析，不僅節(jié)省設(shè)計建模的工作量，而且提高分析效率，是一種由局部結(jié)構(gòu)特性推導(dǎo)整體結(jié)構(gòu)特性的有效方法。

徐燕申[1]等發(fā)現(xiàn)筋格的動態(tài)性能對機床床身的動態(tài)性能有較大影響，但未充分利用筋格元結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性分析結(jié)果對床身結(jié)構(gòu)進行參數(shù)優(yōu)化，在一定程度上依然未能達(dá)到快速優(yōu)化設(shè)計的要求。有限單元法是元結(jié)構(gòu)理論應(yīng)用的具體方法，BUTLER[2]等使用有限元軟件分析了元結(jié)構(gòu)尺寸和振動的關(guān)系，以此為基礎(chǔ)，提出整體設(shè)計的方案，并用有限元軟件做了驗證。

設(shè)系統(tǒng)的自由度為N，阻尼為比例阻尼，系統(tǒng)的運動方程為：

系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣為：

由此傳遞函數(shù)矩陣可知，只需得到矩陣中的某一行或某一列單元，則包括了矩陣的全部信息。

對于結(jié)合部單元的動力學(xué)模型，首先分別建立子結(jié)構(gòu)的動力學(xué)有限元模型,然后組裝成系統(tǒng)方程。子結(jié)構(gòu)1的動力學(xué)方程為：

其中，結(jié)構(gòu)節(jié)點位移為u；u11是子結(jié)構(gòu)內(nèi)部節(jié)點位移；u21是彈簧-阻尼單元與子結(jié)構(gòu)連接節(jié)點位移。

同理,子結(jié)構(gòu)2的動力學(xué)方程為：

其中，結(jié)構(gòu)節(jié)點位移為u；u33是子結(jié)構(gòu)內(nèi)部節(jié)點位移；u23是接觸面上與彈簧-阻尼單元連接的節(jié)點位移。

結(jié)合部由等效的彈簧-阻尼單元模擬，不考慮質(zhì)量，動力學(xué)方程為：

式(1)、(2)、(3)分別為結(jié)合部單元的兩個子結(jié)構(gòu)和彈簧-阻尼的動力學(xué)模型，有f21=-f12，f23=-f32，u12=u21，u23=u32。綜合以上3個方程可以得到結(jié)合部單元的動力學(xué)方程為：

2 元結(jié)構(gòu)分析

利用SolidWorks建立快速連接器的模型，如圖1所示。

圖1 快速連接器Solid Works模型Fig.1 Solid Works model of quick connector

快速連接器在自由狀態(tài)下，通過ANSYSWorkbench軟件對快速連接器進行有限元靜力學(xué)分析，以便優(yōu)化設(shè)計快速連接器。選取有限元分析模型如圖2所示。

圖2 快速連接器有限元模型Fig.2 Finite element model of quick connector

圖2中，6根軸實際工件并無此軸，在受力時通過其它工件上的軸傳到此工件上，故在此標(biāo)出，受力可在軸表面上加載。ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)軟件，ANSYSWorkbench是ANSYS軟件一個模塊，包括前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊3部分。

2.1 網(wǎng)格劃分

快速連接器材料為45鋼，密度7.85g/cm3,彈性模量210GPa,泊松比0.3；有限元模型采用四面體和六面體實體單元進行網(wǎng)格劃分，整機節(jié)點總數(shù)為552 739個，有限元單元個數(shù)為130 115，劃分網(wǎng)格如圖3。

圖3 快速連接器網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh generation of quick connector

2.2 給快速連接器添加約束及載荷

軸1、2 為固定軸，軸3、4有30t力，軸5、6相向20t力。如圖4(圖中每個受力箭頭都有所標(biāo)力的大小)自重600kg。

圖4 快速連接器受力圖Fig.4 Force diagram of quick connector

設(shè)置軸1、2為固定軸，如圖5，軸3受力情況如圖6中A、F，分別為300 、200kN,軸4如圖6中B，受力300kN,軸5如圖6中C，受力200kN,另外軸6如圖6中D、E，受力均為200kN(圖中每個受力箭頭都有所標(biāo)力的大小)。

圖5 固定軸設(shè)置Fig.5 Fixed axis setting

圖6 各軸受載設(shè)置Fig.6 Axle load setting

2.3 求解

點擊運行，開始求解。得到快速連接器的應(yīng)力應(yīng)變圖解如圖7、8所示。展示了快速連接器的應(yīng)力應(yīng)變分布。

圖7 快速連接器應(yīng)變圖解Fig.7 Strain diagram of quick connector

圖8 快速連接器應(yīng)力圖解Fig.8 Stress diagram of quick connector

從計算結(jié)果可看出，快速連接器的靜力最大總變形為0.297 08mm，最大應(yīng)力為311.16MPa。從整機的受力變形來看，快速連接器的靜力最大總變形在軸4上，單獨對軸4靜力分析，結(jié)果如圖9、10所示。

對軸4進行靜力分析可知，其最大靜力變形為0.297 08mm，最大應(yīng)力變形為187.22MPa。

3 結(jié)論

通過元結(jié)構(gòu)理論對快速連接器進行了分析計算，并根據(jù)分析結(jié)果對原有快速連接器結(jié)構(gòu)進行了改進。分析結(jié)果表明，快速連接器的軸4受力變形最大，這與快速連接器在實際使用中受到變形破壞的位置一樣。在工程實踐中把軸4的直徑加大3%左右后，在近1年的時間內(nèi)沒有發(fā)生失效現(xiàn)象?？梢姡谠Y(jié)構(gòu)理論的分析方法具有較好的推廣價值，對相關(guān)工程技術(shù)人員有一定的指導(dǎo)性。

圖9 軸4應(yīng)變圖解Fig.9 Strain diagram of axis 4

[1]徐燕申，張興朝，牛占文，等．基于元結(jié)構(gòu)和框架優(yōu)選的數(shù)控機床床身結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計研究[J]．機械強度，2001，3(1)：1-3．

[2]ButlerSL，DhingraAK.Integratedstructureandcontroldesignofactivelycontrolledstructuresusingsubstructuredecomposition[J].EngineeringOptimization，2003，35(4)：325-340.

[3]陳國俊.液壓挖掘機(原理、結(jié)構(gòu)、設(shè)計、計算)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011.

[4]羅銘.工程機械屬具發(fā)展及中國市場展望[J].工程機械文摘，2009(6):19-21.

[5]劉春麗.挖掘機快換裝置的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計[D].大慶：東北石油大學(xué)，2013.

[6]滿佳，張連洪，陳永亮.基于元結(jié)構(gòu)的機床結(jié)構(gòu)可適應(yīng)優(yōu)化設(shè)計方法[J].中國機械工程，2010，21(1)：51-54，66.

[7]李小彭，趙志杰，聶慧凡，等．某型數(shù)控車床床身的模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]．東北大學(xué)學(xué)報，2011，32(7)：988-991．

(責(zé)任編輯： 陳雯)

The application of element structure theory in quick connectors analysis

Xu Shenghui

(Xiamen Everbooming Machine Co., Ltd., Xiamen 361026，China)

Finite element analysis of quick connector was conducted in terms of element structure theory. A 3D mathematic model was constructed via Solid Works, and ANSYS Workbench modules were introduced to the model to perform finite element analysis of mechanical components. The feasibility of the finite element method was verified with ANSYS Workbench.

Solid Works; ANSYS Workbench; quick connector; statics analysis

2016-11-16

許盛輝(1970- )，男，福建沙縣人，工程師。

10.3969/j.issn.1672-4348.2016.06.010

TH122

A

1672-4348(2016)06-0563-04