基于ANSYS的SEM650B型裝載機動臂分析

□高 碩 □曹 巖 □王強鋒 □劉長柱

西安工業(yè)大學機電工程學院 西安 710021

1 研究背景

SEM650B型液壓裝載機在作業(yè)時會承受扭轉、拉壓等多種載荷作用，對裝載機工作裝置的強度和剛度有較大影響。工作裝置是帶液壓缸的空間多桿機構，在作業(yè)過程中，施加在關鍵部件動臂上的載荷變化多樣，易產(chǎn)生應力集中，使液壓缸開裂，所以正確分析動臂 的受力狀況，對改善動臂工作性能非 常重 要[1-2]。筆 者應用SolidWorks軟件建立了SEM650B型裝載機工作裝置三維模型，如圖1所示。應用ANSYS軟件創(chuàng)建裝載機動臂有限元模型[3]，并對動臂進行靜力學仿真分析，最終得到應力與變形云圖[4]。所做研究對合理使用現(xiàn)有機型或進行創(chuàng)新，具有借鑒作用。

▲圖1 裝載機工作裝置三維模型

2 分析流程

仿真分析主要包括以下4個步驟：①根據(jù)液壓裝載機圖紙在SolidWorks中進行三維建模；②將裝載機工作裝置的三維模型導入ANSYS，并建立動臂的有限元模型；③根據(jù)工況計算，對動臂施加約束和載荷；④在ANSYS中進行有限元仿真，后處理得出應力與變形云圖，并進行分析。

具體分析流程如圖2所示。

3 工況介紹

由于SEM650B型裝載機工作裝置結構特殊，各裝置鉸接點處軸線相互平行，因此用數(shù)學函數(shù)來近似替代[5]。動臂位置UG和鏟斗位置角U確定后，裝載機工作裝置的作業(yè)狀態(tài)就是唯一的。選擇UG和U作為自變量，建立SEM650B型裝載機工作裝置作業(yè)過程動態(tài)模擬數(shù)學模型：工作裝置作業(yè)狀態(tài)=F（UG，U）。

SEM650B型裝載機工作裝置的循環(huán)作業(yè)過程如下：地面鏟掘工況→地面收斗工況→運輸工況→動臂舉升過程→上限收斗工況→上限卸料工況→動臂下降，鏟斗自動放平至地面鏟掘工況，并為下一循環(huán)作業(yè)過程做好準備。

SEM650B型裝載機工作裝置各構件之間由鉸銷連接，有相對轉動。動臂下鉸點與裝載機前車架鉸接，動臂中部鉸點與動臂液壓缸鉸接，動臂上鉸點與斗桿鉸接[6]。當鏟斗挖掘力最大時，動臂可能出現(xiàn)最大彎矩，此時可確定動臂危險工況的位置。

4 動臂有限元分析

4.1 實體模型

實體模型建立是分析的重要一步，可以保證有限元模型的準確性和可靠性。鑒于SolidWorks建模簡單、快捷等優(yōu)點，選擇SolidWorks進行建模。動臂主體框架由上、下蓋板和左、右側板焊接而成[7]。在建立有限元模型時，對整體剛度影響較小的限位板、吊耳等構件均予以忽略。動臂三維模型如圖3所示。

▲圖3 動臂三維模型

4.2 有限元模型

將三維模型導入 ANSYS，單元選擇 Solid185。Solid185單元用于構造三維固體結構，并且具有超彈性、應力剛化、蠕變等優(yōu)點。在定義單元類型時，選擇Element Type 中的 Add/Edit/Delete 來添加單元類型[8]，應用表面效應單元加載，選擇Material Props中Material Models來定義材料屬性，動臂材料為Q345鋼，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。

對動臂采用自由網(wǎng)格劃分，選擇四面體結構[9]，如圖4所示。在鉸銷孔等特征處需要對網(wǎng)格進行局部加密，因為鉸銷孔為主要受力區(qū)域，易產(chǎn)生應力集中。圓孔只有加密后才能體現(xiàn)出圓弧的特征，如果網(wǎng)格較少，圓孔體現(xiàn)出多邊形特征，則結構實際情況會失真。劃分網(wǎng)格總數(shù)為42 804，節(jié)點總數(shù)為9 479，如圖5所示。

▲圖4 動臂網(wǎng)格劃分

▲圖5 動臂節(jié)點網(wǎng)格加密

4.3 邊界條件

對動臂結構施加約束，動臂結構在實際工作中并沒有固定約束部分，處于動平衡狀態(tài)[10]，外載荷主要作用在鉸銷孔處。施加的所有約束可以消除結構的全部剛體自由度，同時也不會對動臂產(chǎn)生附加約束。如果在動臂節(jié)點上直接施加約束，由于約束本身會引起附加剛度，這樣會影響計算結果。實際采用彈簧方式，在節(jié)點上建立對地彈簧，約束彈簧端部，通過調整彈簧剛度來避免約束節(jié)點對結構產(chǎn)生的附加剛度，同時還可以通過約束彈簧端部來消除剛體位移，打開慣性釋放，如圖6所示。

對鉸銷孔進行加載，如圖7所示。

▲圖6 動臂施加約束

▲圖7 鉸銷孔加載

4.4 后處理與結果分析

經(jīng)過后處理的動臂結構有限元分析位移云圖和應力云圖分別如圖8和圖9所示。

▲圖8 動臂位移云圖

由圖8、圖9可見，動臂最大變形量為0.45 mm，說明動臂的變形在正常范圍內。最大等效應力為96.511 MPa，小于材料屈服強度（345 MPa）。

▲圖9 動臂應力云圖

可見，動臂結構滿足強度和剛度要求。在動臂與斗桿的連接處出現(xiàn)應力集中，因此在制造過程中應控制焊接位置，保證焊接質量。

5 結束語

基于ANSYS對SEM650B型液壓裝載機動臂進行有限元分析，動臂應力較大之處主要是動臂與斗桿的鉸接處，以及動臂與斗桿液壓缸鉸接的附近區(qū)域，變形出現(xiàn)在動臂與斗桿液壓缸接觸區(qū)域及靠近底座的一段區(qū)域，分析結果為裝載機設計優(yōu)化提供了參考。利用SolidWorks與ANSYS之間良好的接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，避免數(shù)據(jù)丟失，彌補了ANSYS建模功能的不足，有效提高了設計效率。