Z30E型裝載機(jī)動臂參數(shù)三維環(huán)境下的有限元分析

張?jiān)鲇?/p>

(合肥通用職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控與材料工程系，合肥 230000)

Z30E型裝載機(jī)動臂在碼頭、制造加工以及裝卸貨物的場合得到了廣泛應(yīng)用，如今國內(nèi)的裝載機(jī)主要用于生產(chǎn).文獻(xiàn)[1]采取測繪仿制抓木機(jī)的算法，雖然提高了工作效率，但是在裝載機(jī)設(shè)計(jì)上缺少科學(xué)性分析；文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)的裝載機(jī)具有很長的動臂，但在實(shí)際工作中難以承擔(dān)過重的負(fù)載；所以文獻(xiàn)[3]在對裝載機(jī)設(shè)計(jì)中增加了動臂的強(qiáng)度與剛度，因?yàn)閆30E型裝載機(jī)動臂的剛度以及強(qiáng)度，直接對裝載機(jī)的安全性和穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響.文獻(xiàn)[4]利用Pro/E工具對Z30E型裝載機(jī)采取參數(shù)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者使用智能、基于特性的功能實(shí)現(xiàn)模型的重建，后期也可以隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整模型大小.

本文使用功能較強(qiáng)的建模軟件Pro/E建立動臂實(shí)體模型，把建好的動臂模型直接導(dǎo)入ANSYS系統(tǒng)中，再利用有限元分析軟件ANSYS分析Z30E型裝載機(jī)模型的強(qiáng)度與剛度，最后獲得動臂的應(yīng)力圖，確定裝載機(jī)動臂的應(yīng)力匯集區(qū)域，以便其他科研人士對其進(jìn)行進(jìn)一步的研究與分析提供可靠的理論依據(jù).

1 動臂的受力分析

圖1 動臂三維模型

利用Pro/E軟件構(gòu)建的動臂三維模型如圖1所示.

使用有限元分析軟件ANSYS與Pro/E能夠完成模型的完美銜接，兩者軟件可以實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)和相關(guān)數(shù)據(jù)的共享，并且接口只有一個(gè)，為了在模型轉(zhuǎn)換的過程中不丟失數(shù)據(jù).文獻(xiàn)[5-6]轉(zhuǎn)換的大致步驟為：模型，單擊ANSYS一欄下的ANSYS Work-bench13.0、Workbench、New Simulation即可將模型準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換到ANSYS Workbench之中.最后針對動臂模型進(jìn)行分類，進(jìn)入ANSYS分析的界面.

2 動臂有限元分析

2.1 減點(diǎn)計(jì)算

在對實(shí)際工作中的裝載機(jī)進(jìn)行研究中，文獻(xiàn)[7]考慮到動臂承受的力和變形最大，易于斷裂，所以對其進(jìn)行有限元分析時(shí),對單元格進(jìn)行減點(diǎn)、增點(diǎn)運(yùn)算非常重要.

圖2 刪掉度為2的內(nèi)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化操作

(1)刪掉單元格度為2的內(nèi)節(jié)點(diǎn).如圖2所示.No=2，那么刪掉此節(jié)點(diǎn)和它隸屬邊oa,oc以及四邊形單元oabc,ocda,與此同時(shí)，重新組成一個(gè)全新的單元abcd.

(2)關(guān)閉單元.如圖3所示,如果

(1)

那么刪掉內(nèi)點(diǎn)o和它隸屬的3條邊(oa,oc,oe)以及3個(gè)四邊形單元(oabc,ocde,oefa),并與六邊形abcdef的對角線cf進(jìn)行連接,重新組成一條邊和2個(gè)四邊形單元abcf和cdef.剩余的優(yōu)化處理過程幾乎相同,可由圖直接獲得.

(3)刪掉單元內(nèi)兩處端點(diǎn)度為3的邊.如圖4所示,如果

(2)

那么處理過程為：

圖3 關(guān)閉單元的優(yōu)化操作

圖4 刪掉兩端點(diǎn)度為3的邊

2.2 增點(diǎn)操作

(1)打開單元.與上節(jié)關(guān)閉單元處理不同的是它通過添加一個(gè)單元來減少不規(guī)則點(diǎn)的數(shù)目、對有限元網(wǎng)格并行結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化.如圖5所示,如果

(3)

(2)在對六邊形內(nèi)部的單元增點(diǎn)處理時(shí)，它將度為5，3和3的這3個(gè)不規(guī)則點(diǎn)f,a和e轉(zhuǎn)換成僅含有度為3的不規(guī)則點(diǎn)o,同時(shí)增加1個(gè)六邊形內(nèi)的單元數(shù).還有一種情況如圖6所示,如果

(4)

(3)在對八邊形進(jìn)行打開單元處理時(shí)，將圖6中的3個(gè)不規(guī)則點(diǎn)h,a和e進(jìn)行優(yōu)化處理，使其轉(zhuǎn)換為規(guī)則點(diǎn)，使得節(jié)點(diǎn)h的度減少2，并增加1個(gè)八邊形內(nèi)的單元數(shù).

圖5 打開單元的優(yōu)化操作實(shí)例1

圖6 打開單元的優(yōu)化操作實(shí)例2

3 實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述方法對Z30E型裝載機(jī)動臂構(gòu)建基于參數(shù)的有限元模型，同時(shí)對其參照表1進(jìn)行模型分析.在有限元計(jì)算中由桿件的特性可以計(jì)算出臂架自身重量，然后與臂架提升沖擊系數(shù)1.1相乘，最后添加在桿件上.對安裝后的實(shí)驗(yàn)裝置添加水平力之后，能夠獲得對應(yīng)的動臂的3個(gè)不同位置的應(yīng)力情況，如表2所示.通過對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖7～圖9所示，從而得到正載插入情況下動臂各個(gè)位置處的應(yīng)力與外界其他載荷之間的關(guān)系.

動臂位置1處應(yīng)力σ與水平力Fx之間的關(guān)系：σ=0.844Fx+49.94

動臂位置2處應(yīng)力σ與水平力Fx之間的關(guān)系：σ=0.450Fx+13.51

動臂位置3處應(yīng)力σ與水平力Fx之間的關(guān)系：σ=0.523Fx+12.83

表1 Z30E型裝載機(jī)有限元計(jì)算情況

圖7 位置1應(yīng)力與水平力關(guān)系

圖8 位置2應(yīng)力與水平力關(guān)系

圖9 位置3應(yīng)力與水平力關(guān)系

表2 各水平力下3個(gè)位置處的應(yīng)力情況 (MPa)

4 結(jié)論

通過對Z30E型裝載機(jī)動臂進(jìn)行有限元強(qiáng)度和剛度分析，利用工具軟件Pro/E與ANSYS詳細(xì)分析Z30E型裝載機(jī)的動臂.通過系統(tǒng)的接口將其輸入到ANSYS中，再使用ANSYS對動臂進(jìn)行靜力學(xué)分析.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：裝載機(jī)動臂上應(yīng)力主要集中在連接梁附近，需要對連接梁進(jìn)行安全措施保護(hù)，上述對裝載機(jī)的有限元分析，為后期科研人員對動臂的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，提供了理論依據(jù).

[參 考 文 獻(xiàn)]

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