基于ANSYS的滑移裝載機(jī)動(dòng)臂有限元分析與優(yōu)化

錢珍寶　 汪琰　周良稷　花豪　劉勇濤

摘? ?要：研究了滑移裝載機(jī)在典型工況下動(dòng)臂靜力的有限元分析與優(yōu)化方法，使用ANSYS有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行靜力分析，通過(guò)有限元模型的建立、網(wǎng)格劃分、邊界條件及載荷的處理得出動(dòng)臂的應(yīng)力及應(yīng)變?cè)茍D，針對(duì)局部應(yīng)力較大的區(qū)域進(jìn)行分析和優(yōu)化，使得動(dòng)臂結(jié)構(gòu)應(yīng)力的安全系數(shù)均大于1.5，得出合理的動(dòng)臂結(jié)構(gòu)，可供后續(xù)滑移裝載機(jī)動(dòng)臂的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供新的方法。

關(guān)鍵詞：滑移裝載機(jī)? 動(dòng)臂? ANSYS? 優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TH243? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）02（a）-0116-02

動(dòng)臂是滑移裝載機(jī)的關(guān)鍵部件之一，也是主要的受力部件，在設(shè)計(jì)之初一般存在局部應(yīng)力較大，如何快速地識(shí)別應(yīng)力較大區(qū)域并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，是產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)占領(lǐng)市場(chǎng)的關(guān)鍵性因素。本文應(yīng)用ANSYS有限元分析元件，在柳工某滑移裝載機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中快速確定動(dòng)臂的應(yīng)力較大區(qū)域，并進(jìn)行了優(yōu)化，滿足了設(shè)計(jì)要求，該分析方法對(duì)于滑移裝載機(jī)動(dòng)臂的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

1? 有限元模型的建立

伴隨著科學(xué)技術(shù)快速進(jìn)步，三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的運(yùn)用越來(lái)越普遍[1]。本文利用三維PRO/E軟件提供的拉伸、旋轉(zhuǎn)、陣列、鏡像等建模功能建立動(dòng)臂的三維實(shí)體模型。模型中省略焊縫，按相同板材連續(xù)處理[2]。為了使有限元分析結(jié)果可靠，盡量按實(shí)際模型的形狀和尺寸建模，同時(shí)為了便于網(wǎng)絡(luò)劃分和減少局部的網(wǎng)格數(shù)量，對(duì)動(dòng)臂的模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，去掉了不受力的部分，去掉了螺紋孔及不影響計(jì)算結(jié)果的倒角等因素[3]。

本文中動(dòng)臂采用高強(qiáng)度鋼板焊接而成，材料為Q345（16Mn），其屈服極限σs=345MPa，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3。

2? 網(wǎng)格的劃分

該焊接件是由6～12mm鋼板組成的，采用薄板單元對(duì)動(dòng)臂模型進(jìn)行有限元模型的劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果：?jiǎn)卧獢?shù)129321，節(jié)點(diǎn)數(shù)229121。

3? 邊界條件及載荷的處理

整車平置地面、鏟斗處于水平放平狀態(tài)時(shí)，規(guī)定各構(gòu)件的坐標(biāo)系：

X（水平方向載荷）：車輛前進(jìn)方向?yàn)椤?”

Y（豎直方向載荷）：垂直水平地面向上為“+”

Z（垂直方向載荷）：垂直紙面向上為“+”

經(jīng)分析滑移裝載機(jī)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用材料力學(xué)中關(guān)于力和力矩平衡原理，可計(jì)算出鏟斗平置地面轉(zhuǎn)斗作業(yè)時(shí)，動(dòng)臂正載、偏載各鉸點(diǎn)的作用力，用來(lái)加載模型。

4? ANSYS有限元求解分析

按照上述3步驟，對(duì)有限元模型施加載荷及約束，計(jì)算結(jié)果 （應(yīng)力云圖）如圖1所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，動(dòng)臂在正載掘起力的作用下時(shí)，其最大應(yīng)力為310.1MPa，最大變形量為26.2mm，安全系數(shù)為n=1.11（345/310.1）;當(dāng)動(dòng)臂在偏載掘起力的作用下時(shí)，其最大應(yīng)力為321.9MPa，最大變形量為29mm，安全系數(shù)為1.07，雖然最大應(yīng)力均沒(méi)有超過(guò)材料的屈服極限強(qiáng)度，但安全系數(shù)均小于1.5，局部區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，存在失效風(fēng)險(xiǎn)。

5? 動(dòng)臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分析

5.1 動(dòng)臂危險(xiǎn)點(diǎn)識(shí)別

如圖2所示，動(dòng)臂的前部和下部存在危險(xiǎn)點(diǎn)1和危險(xiǎn)點(diǎn)2，兩處區(qū)域應(yīng)力較大，且應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，需要進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注和優(yōu)化改進(jìn)。

5.2 動(dòng)臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)上述危險(xiǎn)點(diǎn)，我們本著減小應(yīng)力集中，增大平滑過(guò)渡區(qū)域的原則，對(duì)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。如危險(xiǎn)點(diǎn)1處我們加大動(dòng)臂外側(cè)板過(guò)渡角度，并在折彎處增加貼板;如圖3（a）、（b）危險(xiǎn)點(diǎn)1優(yōu)化前后示意圖，危險(xiǎn)點(diǎn)2處通過(guò)增大耳板與動(dòng)臂側(cè)板過(guò)渡圓弧處搭接長(zhǎng)度，如圖3（c）、（d）危險(xiǎn)點(diǎn)2優(yōu)化前后示意圖。

5.3 優(yōu)化后有限元分析

按照本文所述的1～4步驟進(jìn)行實(shí)施，動(dòng)臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，偏載危險(xiǎn)點(diǎn)1處最大應(yīng)力為204.68MPa，安全系數(shù)為1.69>1.5，危險(xiǎn)點(diǎn)2處最大應(yīng)力為191.06MPa，安全系數(shù)為1.81> 1.5。安全系數(shù)相比優(yōu)化前得到有效的提升，動(dòng)臂失效風(fēng)險(xiǎn)降低。

使用ANSYS有限元分析軟件在典型工況下，對(duì)動(dòng)臂有限元模型的建立、網(wǎng)格劃分、邊界條件及載荷的處理，得出動(dòng)臂的應(yīng)力及應(yīng)變?cè)茍D，針對(duì)局部應(yīng)力較大的區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，使得動(dòng)臂結(jié)構(gòu)應(yīng)力的安全系數(shù)均大于1.5，得出合理的動(dòng)臂結(jié)構(gòu)。

6? 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)模型的有限元分析及試驗(yàn)機(jī)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果可以驗(yàn)證，本文所采用的有限元模型是可靠、合理的，并說(shuō)明利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)滑移裝載機(jī)關(guān)鍵部件：動(dòng)臂進(jìn)行典型工況靜力學(xué)模擬分析，是一種行之有效的方法，它可以在設(shè)計(jì)初期找出模型中的危險(xiǎn)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，從而加速研發(fā)進(jìn)程和降低關(guān)鍵零部件失效風(fēng)險(xiǎn)，為今后滑移裝載機(jī)的動(dòng)臂設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)方法，由此說(shuō)明了ANSYS在工程機(jī)械設(shè)計(jì)中的重要性[4]。

參考文獻(xiàn)

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[2] 林明智，邢樹(shù)鑫.液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂有限元分析[J].工程機(jī)械，2010（1）：19-20.

[3] 崔國(guó)華，張艷偉.張英爽.土方機(jī)械工作裝置整理結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（1）：157-161.

[4] 丁新兵.基于ANSYS的傳動(dòng)軸有限元分析[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2017（2）：65.