液压挖掘机结构动态特性分析

1、液压挖掘机结构动态特性分析杨先平1,刘树道2(11广东省机械设备成套局,广州510030;21华南理工大学,广州510640摘要:为了研究液压挖掘机结构的动态特性,借助有限元软件ANSYS对液压挖掘机进行了模态分析。考察了其固有频率和振型,评估其动态特性,通过改进结构,改善了其动力学性能。关键词:液压挖掘机;模态分析;固有频率;有限元;结构动力学中图分类号:T U621文献标识码:A文章编号:1001-3881(200511-087-2Ana lysis on Structura l D ynam i c Character isti cs of Hydrauli c ShovelY ANG

2、Xian2p ing1,L I U Shu2dao2(11Guangdong Pr ovince Comp lete Machinery Equi pment Bureau,Guangzhou510030,China;21South China University of Technol ogy,Guangzhou510640,China Abstract:To study the structural dyna m ic characteristics of hydraulic shovel,the mode of hydraulic shovel was analyzed in vir2

3、tue of ANSYS,the natural frequency and the model of vibrati on were studied,and the dyna m ic characteristics was evaluated and i m2 p r oved in virtue of structural dyna m ics theory1Keywords:Hydraulic shovel;Modal analysis;Natural frequency;Finite ele ment;Structural dyna m ics振动特性是衡量液压挖掘机性能的一个重要指

4、标,通过对液压挖掘机结构进行动态特性研究有利于了解液压挖掘机的振动特性,有限元法为液压挖掘机结构动态特性研究提供了有力的工具,借助ANSYS 对液压挖掘机结构进行模态分析,找出结构设计上的薄弱环节,通过结构动力学修改来改善其结构动态特性。1建立有限元模型建立的有限元模型必须真实地反映挖掘机结构的力学特性,在有限元建模过程中须考虑实体模型的建立、单元类型的选取、单元数量的控制、连接方式的模拟等问题。由于液压挖掘机具有结构复杂、部件多、连接关系复杂等特点,因此采用混合建模的方法,即用PRO/E生成工作装置、行走装置、转台、液压件及连接件等主体部分,而像驾驶室、配重、发动机及水箱等非承载件直接在AN

5、SYS中生成节点和单元,然后通过布尔操作,完成建模。像用钣金件焊接而成的部件,在Pro/E中建立surface特征来完成建模,而像液压件、连接件等部件,则建立cure特征来完成建模,而对于非承载件则在ANSYS中直接生成点模型。考虑到液压挖掘机结构的实际工况和力学特性,行走装置、回转台、工作装置用SHELL63单元模拟;驾驶室、配重、发动机及水箱等等非承载件用MASS21单元模拟;而液压件及连接件则用BEAM4单元模拟。在保证计算的目的和精度的前提下,单元数量的控制是出于减少计算对硬件的要求和节省计算费用的考虑。模态分析所关心的是整体结构的刚度、质量分布及约束关系,对结构的网格划分可以使网格密

6、度尽量的低,不同的区域采用不同的网格密度,所关心的区域和变化梯度较大的区域,采用小尺寸的网格单元;而在非关心的区域和变化梯度较小的区域,则采用大尺寸的网格单元。因为液压挖掘机工作装置各部件之间、回转台与行走装置之间存在着传动关系,所以它们之间必须进行节点自由度耦合才能准确反映它们之间的力学特性,除去传递方向的自由度之外,其它自由度施加位图1有限元模型移约束。另外,挖掘机车身主要部件是通过钣金件采用缝焊工艺加工而成,用节点融合的方法能准确反映它们的力学特性。最终建立的有限元模型如图1所示。建立的有限元模型共SHELL63单元9127个,BEAM4单元578个,MASS21单元5个。2有限元模态计

7、算结果分析表1固有频率及振型描述阶数固有频率/Hz振型描述101645车身弯曲21179车身扭转,33128车身扭转,动臂与斗杆连接轴处振型突变44199车身弯曲,56149车身弯曲,61015车身扭转,动杆与回转台连接轴处振型突变71817车身扭转,挖斗与斗杆连接轴处振型突变82213车身整体弯曲有限元模态分析采用lanczos算法,取前8阶模态,由于车身结构在模态分析时不施加约束,前几阶为刚体模态,其固有频率可以忽略,固有频率从大于0101Hz开始算起,表1为固有频率及振型描述。通过对固有频率和振型分析,可以对车身结构进行动态性能评估,一般准则如下:车身结构的低阶频率,即整体一阶扭转和一阶

8、弯曲频率值应该低于发动机怠速的频率,以避免发生车体与发动机产生共振现象;车身结构的频率应该低于发动机经常工作的频率,以避免发生共振现象;车身结构的振型应该尽量光滑连续,避免发生突变现象;子结构之间要避免模态耦合。从模态分析结果可以得出:一阶扭转频率值和一阶弯曲频率值相差较大,它们不会发生相互耦合的情况。根据发动机爆发频率公式计算出发动机怠速工作频率为35Hz左右,它远高于挖掘机车身的一阶、二阶频率值,能够避免与整车产生共振现象。发动机正常工作的爆发频率为105Hz左右,高于挖掘机前8阶固有频率,也不会产生共振现象。但是车身的扭转振型不够光滑连续,在连接轴处的扭转振动突变明显,产生的原因主要是因

9、为连接轴处的刚度偏小,导致液压挖掘机振动变形较为严重。3结构的改进在结构的动力学分析中,结构的刚度、质量、阻尼构成了三个基本参数,且这三个变量是相互关联的,只是对改变结构的动态特性影响程度不同。对于液压挖掘机结构而言,改变结构的阻尼较为困难,通过结构灵敏度分析可知:结构对刚度的改变较结构对质量的改变更为敏感。因此在进行修改时,选择敏感部位进行刚度修改可作为结构修改变量,通过修改动臂与回转装置之间、挖斗与斗杆之间等处的连接轴的轴径后重新计算出其固有频率和振型,表2为结构修表2结构修改前后固有频率对照表1234567 从修改前后的扭转振型(篇幅有限,仅仅列第七阶振型对照图和频率可以看出,修改后的扭

10、转振型的扭转变形得到一定程度的收敛,在增加了连接轴处的轴径之后,刚度得到加强,修改后的弯曲频率没有明显变化,而扭转频率有显著降低,这说明连接轴处的刚度对车身扭转变形有显著影响。4小结采用ANSYS对液压挖掘机结构进行模态分析,建立精确的有限元模型至关重要,通过模态分析结果评估其动态特性,发现连接轴处的振型易产生突变现象,通过修改敏感部位的刚度,改善了车身结构的动态特性,从而提高了液压挖掘机的性能。参考文献【1】日大久保信行1机械模态分析1上海交通大学出版社,1985191【2】ANSYS公司1ANSYS技术指南1ANSYS公司广州办事处,20031【3】傅志方1振动模态与参数辨识1机械工业出版

11、社, 19901【4】冯国胜1客车车身结构的有限元分析1机械工程学报,1999(11作者简介:杨先平,工学硕士,主要从事车辆设计方法与CAE研究。E-mail:atf05241631com。收稿时间:2005-09-16(上接第86页通过对汽车直接横摆力矩控制系统液压回路的建模、仿真可以看出,当车辆处于横向不稳定状态时,液压回路可以根据电子控制单元指令的要求,不断地通过压力状态的高速切换,实现所需要的压力调节,保持汽车的横向稳定性。参考文献【1】郭孔辉,刘溧,丁海涛,李玉旋1汽车液压制动系统的液压特性J1吉林工业大学自然科学学报,1999(4:151【2】李锋,马长林1液压系统动态特性的Si m ulink仿真与优化研究J