基于有限元的挖掘機(jī)動(dòng)臂性能優(yōu)化分析

楊彩紅，馬永杰

（1.河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院 電子信息工程系，河南 鄭州 451450；2.河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，河南鄭州 451450）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，優(yōu)化分析技術(shù)已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。如何在設(shè)計(jì)方案過(guò)程中找到一組最合適的設(shè)計(jì)變量，在性能最優(yōu)的范圍內(nèi)，使所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)最合理、質(zhì)量最高、成本最低，同時(shí)又能快速滿(mǎn)足客戶(hù)的個(gè)性化需求，是本文所要解決的問(wèn)題。借助于有限元分析系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確又快捷地對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行性能的優(yōu)化分析，并直接決定產(chǎn)品的最終設(shè)計(jì)結(jié)果，因此，快速、有效地建立有限元模型，將對(duì)產(chǎn)品的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)起到積極的作用。

液壓挖掘機(jī)是現(xiàn)代工程機(jī)械的重要設(shè)備，挖掘機(jī)工作裝置中的動(dòng)臂結(jié)構(gòu)直接決定了機(jī)器的整體性能、工作可靠性和安全性能。本文以挖掘機(jī)工作裝置的動(dòng)臂為目標(biāo)進(jìn)行了性能優(yōu)化，在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)要求的同時(shí)，降低了應(yīng)力，提高了局部剛度。

1 參數(shù)化建模

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，如果在設(shè)計(jì)階段就能夠?qū)Ξa(chǎn)品性能有深入的了解，并在此基礎(chǔ)上建立合理的有限元模型，在隨后的優(yōu)化分析過(guò)程中就能達(dá)到事半功倍的效果。優(yōu)化分析時(shí)若對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)點(diǎn)單獨(dú)建立幾何模型，工作量大，故需要采用參數(shù)化建模方法以滿(mǎn)足產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)過(guò)程。參數(shù)化建模一般應(yīng)用在有限元技術(shù)上，其最終目標(biāo)是能使模型按照產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖進(jìn)行靈活的修改。結(jié)構(gòu)參數(shù)的提取是參數(shù)化建模的基礎(chǔ)，包括長(zhǎng)、寬、高、關(guān)鍵點(diǎn)、邊界條件、板材厚度、型材截面積、材料及相關(guān)物理特性、不同載荷下的工況等。

參數(shù)化建模方法主要有兩種：①在CAD軟件中建立參數(shù)化模型，然后導(dǎo)入有限元分析軟件中并利用電子表格等方式對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的管理；②通過(guò)編寫(xiě)腳本形式直接建立參數(shù)化模型，在有限元分析軟件中進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化分析。

2 基于有限元技術(shù)的性能優(yōu)化過(guò)程

2.1 有限元分析技術(shù)

隨著CAD技術(shù)、參數(shù)化建模和有限元分析技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用有限元法對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析、優(yōu)化已經(jīng)有了很大的進(jìn)步。有限元法在我國(guó)應(yīng)用較晚，并主要集中在力學(xué)領(lǐng)域，因此對(duì)挖掘機(jī)這類(lèi)復(fù)雜的工程機(jī)械進(jìn)行有限元分析還存在一定的局限性。本文主要在ANSYS環(huán)境下利用有限元技術(shù)對(duì)挖掘機(jī)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并以性能為目標(biāo)在后處理過(guò)程中完善和優(yōu)化產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)。圖1為在ANSYS軟件中的有限元分析過(guò)程。

2.2 性能優(yōu)化設(shè)計(jì)與有限元技術(shù)的結(jié)合

優(yōu)化設(shè)計(jì)是在計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門(mén)先進(jìn)技術(shù)，它能夠保證產(chǎn)品具有最優(yōu)性能、減輕產(chǎn)品重量或體積、降低成本。首先需將工程實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)數(shù)學(xué)模型的特性，選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)、約束、特征等建立模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)求得最優(yōu)解。

功能是反映客戶(hù)對(duì)于產(chǎn)品個(gè)性化需求的某種行為的能力，性能則成為對(duì)實(shí)現(xiàn)功能的程度和持久性的度量。性能驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)循環(huán)收斂的過(guò)程，通過(guò)分析產(chǎn)品生命周期不同階段的性能需求，進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的重組及多次分析以求得最合理設(shè)計(jì)。有限元分析軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能在參數(shù)化建模的基礎(chǔ)上能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中的約束機(jī)制和初始參數(shù)設(shè)置的不合理性，并通過(guò)提取產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的參數(shù)及約束重新組織層次結(jié)構(gòu)，反驅(qū)動(dòng)優(yōu)化過(guò)程，形成一個(gè)模型優(yōu)化的循環(huán)過(guò)程，從而得到最優(yōu)的模型，提高優(yōu)化效率，以達(dá)到快速響應(yīng)客戶(hù)個(gè)性化需求、縮短設(shè)計(jì)周期的目的。圖2為以性能為目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖，其中的設(shè)計(jì)變量、約束條件、目標(biāo)函數(shù)均是圍繞產(chǎn)品性能而設(shè)定，并在優(yōu)化過(guò)程中不斷改進(jìn)以求得最優(yōu)解。

圖1 有限元分析過(guò)程

圖2 性能優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖

3 挖掘機(jī)動(dòng)臂性能優(yōu)化分析

液壓挖掘機(jī)的工作裝置主要由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、油缸和一組連桿機(jī)構(gòu)組成，在工作過(guò)程中承受著很大的外載荷，在不同的工況下會(huì)產(chǎn)生不同的應(yīng)力及變形，其性能的優(yōu)劣將直接決定挖掘機(jī)的可靠性和安全性。本文以動(dòng)臂為分析對(duì)象，其主要由側(cè)板、蓋板、動(dòng)臂油缸、吊耳等組成，在建模過(guò)程中，為了適應(yīng)有限元分析系統(tǒng)對(duì)模型簡(jiǎn)化的要求，省略了不影響分析結(jié)果的圓角、螺紋孔、倒角等特征。

3.1 動(dòng)臂強(qiáng)度分析

在挖掘機(jī)工作過(guò)程中，工作裝置的三組油缸變化會(huì)形成很多種工況，最具代表性的工況有3種：最大挖掘半徑、最深挖掘位置和最大作用力臂位置。

在不同工況下挖掘機(jī)工作裝置承受的載荷及著力點(diǎn)各有不同，其應(yīng)力集中部位、危險(xiǎn)截面位置也不同，在施加載荷和約束時(shí)要具體問(wèn)題具體分析。工況三工作裝置的狀態(tài)是動(dòng)臂油缸全縮，在對(duì)其施加載荷時(shí)，各鉸點(diǎn)處均是通過(guò)銷(xiāo)軸連接的，載荷難以確定，因此，采用通過(guò)銷(xiāo)軸傳遞載荷的加載方式，同時(shí)選擇受力物體的內(nèi)圓柱面，且方向只能沿徑向。圖3為優(yōu)化前動(dòng)臂的應(yīng)力圖。由圖3可以看出，動(dòng)臂的最大應(yīng)力為18.4 MPa，發(fā)生在與斗桿的連接處，在后續(xù)工作的優(yōu)化過(guò)程中要著重考查這一部分的性能變化。

圖3 優(yōu)化前動(dòng)臂應(yīng)力圖

3.2 動(dòng)臂優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于挖掘機(jī)動(dòng)臂的優(yōu)化方案就是尋找一個(gè)能夠最節(jié)省材料且強(qiáng)度能夠符合工作要求的方案。根據(jù)相應(yīng)的性能要求，在ANSYS輔助下進(jìn)行了優(yōu)化分析，根據(jù)優(yōu)化分析結(jié)果，動(dòng)臂的寬度對(duì)應(yīng)力及變形的影響不大，從節(jié)省材料方面考慮，將寬度適當(dāng)減小20%；動(dòng)臂上銷(xiāo)軸的直徑相應(yīng)增大10 mm，以滿(mǎn)足強(qiáng)度要求；與斗桿相連接的耳板厚度增加5 mm，以減小應(yīng)力集中影響。

優(yōu)化完成后再次對(duì)動(dòng)臂進(jìn)行強(qiáng)度分析，得到的應(yīng)力及變形云圖如圖4所示。優(yōu)化后最大應(yīng)力值為16.1 MPa，小于優(yōu)化前的數(shù)值，仍在工作安全范圍內(nèi)，并且應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯減弱，最大應(yīng)力均布在與斗桿連接的耳板部分?？梢钥闯?，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，大大減少了動(dòng)臂的材料及質(zhì)量，但其危險(xiǎn)截面的應(yīng)力卻相應(yīng)減小，符合性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的“最優(yōu)化”設(shè)計(jì)思想。

圖4 優(yōu)化后動(dòng)臂應(yīng)力圖

4 結(jié)論

（1）本文采用參數(shù)化建模方式建立了挖掘機(jī)動(dòng)臂模型，當(dāng)在后續(xù)優(yōu)化過(guò)程中需要更改結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，只需要根據(jù)分析結(jié)果輸入相關(guān)數(shù)據(jù)即可以快速重生成模型，縮短了設(shè)計(jì)過(guò)程。

（2）利用有限元技術(shù)以強(qiáng)度性能為目標(biāo)對(duì)挖掘機(jī)的動(dòng)臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，最終結(jié)果顯示優(yōu)化后節(jié)省了材料，減輕了整機(jī)重量，同時(shí)性能卻更符合實(shí)際工況，使動(dòng)臂結(jié)構(gòu)達(dá)到了一個(gè)最優(yōu)的設(shè)計(jì)組合，為設(shè)備制造企業(yè)降低了成本，加快了設(shè)計(jì)過(guò)程，能快速滿(mǎn)足客戶(hù)的個(gè)性化需求，提高產(chǎn)品可靠性。

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