液压挖掘机动臂动力数值仿真研究及优化设计

1、长沙理工大学硕士学位论文液压挖掘机动臂动力数值仿真研究及优化设计姓名：朱奇申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：朱福民;李自光20071001摘要动臂是挖掘机的关键部件，也是主要承力部件。在施工过程中，动臂常常受到复杂的瞬态冲击载荷，造成其结构出现裂纹或强度、刚度超出范围，而动臂强度、刚度是否满足要求将直接影响挖掘机的工作安全。因此，很好的全面了解动臂在工作过程中承载时的应力、应变水平、振动频率和刚度、强度分布情况，发现薄弱环节和过剩部分，然后在此基础上对动臂进行优化设计，对于我们改进动臂结构具有十分重要的作用。本论文出于新型挖掘机研发的需要，以韩国“现代”某型号挖掘机动臂为研究对象

2、，以有限元和机械动力学为理论基础，利用舢和对挖掘机动臂结构进行动力数值仿真研究及优化设计。主要研究工作如下：（）根据挖掘机动臂的实际结构尺寸，利用三维建模软件建立动臂的实体模型。（）利用对动臂在不同工况下进行强度校核。（）利用和对动臂进行模态分析、瞬态动力学分析和谐响应分析，得到其固有频率和振型，分析出动臂在瞬态激励下的应力应变情况，得到可靠的分析参数。（）对挖掘机动臂进行应力应变及振动测试试验得出数据，与有限元分析数据相比较，验证有限元分析的可靠度，得出相应的结论。（）利用对动臂模型进行灵敏度分析和优化设计，得到优化模型。随着计算机技术和数值分析方法的发展，有限元法在结构分析中得到广泛应用，

3、取得了令人瞩目的成果，已成为现代机械产品设计的一个重要工具。在工程机械的有限元分析中，一般较多利用或其他常用有限元软件，而利用的比较少，特别是将和两种软件结合起来分析的，更是不多见，本文做了一个较好的尝试。关键词：动臂；姒软件；有限元法；动力数值仿真；优化设计，仔，：（），（）（）（），丘，（），（），证巧：；（够“）；：长沙理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本

4、声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期肝月驷学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于、保密口，在年解密后适用本授权书。、不保密回。（请在以上相应方框内打“）名：舷日强：獗年怕逸日翩虢膨，、嗍秒钏月功日第一章绪论研究背景挖掘机是土方工程中的主要施工机械，在建筑、水利、筑路、露天采矿和国防工程中都有着广泛的应用。挖掘机可用来开挖和装卸

5、土石方、采石和其他建筑材料，它是土石方工程施工机械化中最重要的机械之一。我国是一个发展中国家，在其辽阔的土地上正在进行大规模的经济建设，需要大量的土石方施工机械，因此存在着一个巨大的液压挖掘机现实和潜在市场。随着国家经济建设的不断发展，对液压挖掘机的需求量将逐年大幅度增加。与此同时，挖掘机用户对液压挖掘机的要求越来越高，以高性能价格比作为选择机型的一个重要参数来获取最大的经济效益和社会效益。国内液压挖掘机市场形势不断趋好：首先是国内基础设施建设项目的陆续启动，投资不断加大，扩大了内需；其次是按照国外同一标准，由合资、独资企业生产的液压挖掘机产品，在不降低质量要求的前提下，随着国产化率的提高，产

6、品成本有所下降，其性能价格逐步得到用户的认可和接受；另外，国外挖掘机的进口得到有效遏制，新机进口严格审批，扩大了国内挖掘机市场空间。还有一个重要原因，那就是广大用户，各级施工单位对液压挖掘机在施工中的重要性和不可缺少性的认识，用液压挖掘机在众多场合替代装载机、推土机进行施工作业的合理性也越来越明显。在液压挖掘机的设计过程中，工作装置的设计是重要内容之一，其中动臂又是挖掘机工作装置中的主要承载受力部件，动臂的设计优劣，对挖掘机工作效率及使用寿命影响极大。传统的液压控掘机动臂的强度计算，通常是采用材料力学的方法，把动臂假定为梁，计算若干截面的弯曲强度。但由于动臂的结构与理想梁相差甚远，受力也较为复

7、杂，按梁来计算显然会有较大的误差，并且无法反映结构整体的变形和应力情况，难以指导设计；对模态分析也多采用试验的方法。在生产实践中，以传统方法设计生产的挖掘机，在使用过程中动臂结构往往会发生失效现象，如出现疲劳裂纹、开焊等。近年来，有限元单元分析（）法的广泛应用为解决复杂的工程分析计算问题提供了更为有效的途径。这种情况下计算机辅助工程（）分析方法和软件就成为关键的技术要素。在工程实践中采用技术可以增加设计功能，减少设计成本，缩短产品设计和分析的循环周期，提高产品和工程的可靠性；采用优化设计，还可以降低材料的消耗及成本；在产品制造或工程施工前利用此技术，可以预先发现潜在的问题、模拟各种试验方案、进

8、行机械事故分析及查找事故原因等，因此可以大大减少试验时间和经费。近年来，技术逐渐在工程机械领域得到应用与推广。优化设计方法已在我国工程设计领域得到广泛运用。它是建立在近代数学最优化方法和计算机程序之上，解决复杂设计问题的一种有效工具，是计算机辅助设计（）应用中的一个重要方面。它运用到机械设计中，能根据产品的要求，合理地确定和计算各项参数，以其达到最佳设计目标。工程机械的优化设计随着计算机软、硬件技术的发展正在迅速得到应用。不论是零部件设计还是整机设计，运用优化方法成功地提高技术经济性能的实例日益增多。结构数值仿真技术的发展现状和趋势数值仿真技术是科学计算发展的必然产物。科学计算的目的是洞察，而

9、不仅是获得数据【。通过科学计算来启发和促进人们对自然规律的更深层次认识，从而发现新规律、建立新学科，并应用于生产实践中。年初，诺贝尔奖金获得者，著名的美国物理学家文指出：科学的计算机化就是要把从牛顿以来的多年间人类在科学技术研究中获得的和正在获得的知识转化为计算机程序，应用于科研和生产实际，促进各个学科的科学家与工程师们的广泛合作。由计算机带来的当代技术革命的巨大意义，在于它继实验方法、理论方法之后，引进了第三种科学手段一计算。而科学计算的意义则在于：可以模拟客观物理世界的过程，部分取代实验或作为实验的补充。检验理论的模型，进行预测、模拟在实际中无法重复或进行实验的自然现象或社会现象：利用“数

10、值实验”发现新的规律，并对工业生产进行产品分析与设计；对那些精确性尚不够，数学模型尚未定型的问题，利用数值模拟可以进行多个方案的模拟计算和对比筛选。从而对科学定量化起到了重要作用。模拟与仿真的特征可概括为：（）具有预期的分析求解目标；（）计算分析过程具有逻辑判断能力；（）考虑多种影响结果的因素，每种因素具有简繁不同的几种模型；（）可根据问题求解的需要判断并选择影响因素的组合；（）具有直观形象的抽象数据表现形式；（）具有自含的分析系统，易补充新的信息。自年代后期以来，电子计算机的持续高速发展和各种数值方法特别是有限元方法的发展，促进科学研究方法的变革，即从理论和试验的两极转变为理论、试验和计算三

11、极。人们可能利用数值分析方法，根据精确试验得出的材料本构关系和调查得到的载荷随机过程，对各种结构进行分析，并可能结合成熟的数值图形显示技术与图像技术，进行试验过程的数值模拟与仿真。在国际上，这方面已有良好的开端，美国三里岛核反应堆的事故分析采用了计算机仿真技术，用数小时就重现了这个无法重复的事故，并找到了事故的原因：此外，美国斯坦福大学的地质现象仿真和瑞士洛柔大学的“数值混凝土”都是成功的仿真实例。仿真技术的优点在于它不受空间尺寸和时间长短的限制，可以提供人们有关结构行为的各种数据和图形（其中有些数据在试验中由于量测手段等局限性无法获得），省去了人们大量的人力物力和时间，还甚至可代替一些无法进

12、行的现场试验，另一方面，数值计算和仿真技术可使结构的重分析和再设计易于实现【。有限元分析法及软件简介有限元法简介工程中有大量的实际问题，如力场、温度场、流场和电场等是呈匀态连续变化的。然而，由于具体问题的几何形状、物理特性和干涉条件的复杂性，要得到解析解十分困难。所以，有限元分析法就成为了解决工程问题的重要方式。有限元分析法是一种以变分原理为基础的重要的数值分析方法，其基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个并且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体，从而将全求解域上待求的未知场函数分片地表示为每一个单元内假设的近似函数。该近似函数通常由未知场函数或及其导数在单元的各个节点的数值和其插值函数

13、来表达。这样，未知场函数及其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由度问题就变成离散的有限自由度的问题。求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似值。有限元法具有下列的特色：整个系统离散为有限个元素。利用势能最小原理（）与泛函数值定理（）转换成一组线性联立方程。处理过程简明。整个区域作离散处理，需庞大的资料输出空间与计算机内存，解题耗时。线性、非线性均适用。有限元分析法总体上可分成三个部分：前处理部分、主分析计算部分以及后处理部分。图为有限元分析的过程。茎兰兰塑型困困扣理槲臣困瓯丽稠卫揣啪分刃）觥蝴图分析过程有限元法在

14、工程机械中的应用结构件是各种工程机械的重要组成部分。这里所指的结构，主要是由许多单元（例如杆件、板或实体等）所组成的整体，或起承载作用，或承受、传送外部载荷，以保证整个机械的正常工作，实现预期的目的。由于要完成各自独特的功能，它们的结构各不相同，并且都是比较复杂的。如起重机的吊臂有的为簿壁箱型结构、有的为杆系结构；转台、底架一般为板架结构；挖掘机的工作装置为板梁构造，底架以为板架结构等。寻求这些结构件正确、可靠的设计与计算方法，是提高工程机械的工作性能以及可靠性与寿命的主要途径之。对工程机械的各个主要结构件进行分析，是研究其可靠性，寻求最佳结构设计方案的主要手段。工程机械的结构由于其本身结构形

15、状的多样、复杂性以及载荷系统的恶劣复杂性，以往采用经典力学进行结构分析，带有局限性。在相当长的一段时期内，工程机械结构的设计，主要采用经验设计。为了能够计算，往往采用较多的假设和简化，计算模型只能构造得非常简单，与实际的结构形状相差很大，所以计算是粗糙的、不很精确的。有一些结构件甚至用常规方法根本无法计算。这些都影响了工程机械的进一步发展【。由于有限元的一个独特优点是可以求解结构形状和边界条件都相当任意的力学问题，所以有限元法出现后，立即就应用在工程机械结构的计算之中，成为一种可靠的新的理论计算方法。应用有限元法对工程机械结构件进行分析，是一项综合性的工作。它包括从结构的物理力学模型抽象为有限

16、元计算的数学模型，计算程序的选择或修改，计算机上的实施，以及计算前后大量信息、数据的处理等这样一个全过程。这个过程最后获得的主要数据是：结构的应力分布、变形分布，内力分布，结构的固有特性（固有频率和相应的固有振型）和动态响应等。利用这些数据，对结构进行相应的分析，分析的目的包括：（）进行结构的最优方案设计在进行机械结构设计时，可以通过对可能的结构方案进行有限元法计算。根据对方案计算结果的分析和比较，按强度、刚度和稳定性要求，对原方案进行修改补充，使能得到较合理的应力、变形分布，并且经济性又好，从而得到较好的结构设计方案。（）分析结构损坏原因，寻找改进途径当结构件在工作中发生故障如裂纹、断裂、磨

17、损过大等时，可应用有限元法进行计算，研究结构损坏的原因，找出危险区域和部位，提出改进设计的方案，并进行相应的计算分析，直至找到合理的结构为止。研究表明，各种机械及其结构件都可应用有限元法进行静态分析和动态分析，并且己从原来对工程实际问题的静态分析为主转到模态分析和动态分析为主。甚至根据工程实际结构的特点要求进行非线性分析。目前利用有限元法发求解分析工程机械结构，计算规模和计算机容量、计算速度，对各种通用程序来说己不再作为主要矛盾。应用中的难题，或者说关系到有限元计算成功与否的关键，在于形成的计算模型中各种支承、连接怎样与实际结构相符，以及载荷，特别是动态分析中的激励怎样反映实际情况。和的特点目

18、前对机械结构进行有限元分析主要借助的有限元分析软件，如。它以高效的求解算法和效率闻名，并有相对独立的前、后处理模块，可独立完成多学科、多领域的分析任务。其缺点是，图形驱动技术支持界面的可管理性和操作性较差，无法完成复杂模型的建模。一些三维设计软件具有建模优势，例如、等，当前解决这一问题的主要方式是利用软件进行数据交换，即利用三维设计软件进行精确的三维造型，并通过标准数据接口转入分析系统，将模型以、或格式读入有限元分析软件中，然后用有限元分析软件进行精确计算。就我们目前常用的来说，的结构分析过程主要有以下两种情况：在软件中建立一些简单的模型，然后进行分析处理；采用在三维造型软件中建立三维模型，然

19、后将模型数据文件导入到中，进行简化处理和分析。这就决定了它有以下几个缺点。（）从自身建模看，其图形驱动技术支持的界面可管理性和可操作性的差距，决定了它无法完成复杂模型的建立，因此结构分析效果大大降低了可信度，影响工作效率。所以，自建模的方法使用得比较少。（）对利用软件数据交换的方式，在进行图形转换的过程中，有时会出现一些问题。这种方式主要是利用三维设计软件进行精确的三维造型，并通过标准数据接口或数据接口转入系统中。所采用的标准文件格式包括工，或等。这种方法所遇到的主要的问题如下：对造型软件的一些处理方法无法识别，如面一面重叠等；无法对造型软件中的一些特征进行网格划分，如细长面等；造型软件与定义

20、图元的方式不完全一致，从而产生一些特殊图形格式，并在分析中产生异议。因此，用户需要在中进行模型修补。而由于的建模能力较差，所以在进行修补的过程中，不能精确复原模型，对不识别的特征，往往只能采用简化的方式。这些都造成模型不一致，精度较低，且修补时间长，工作效率低下。通过对多个软件的分析比较，发现利用软件中的模块，可以克服上述有限元软件的缺点。当计算量较小时可直接使用生成的模型数据（包括点、线、面和体），完成有限元分析的建模工作，划分网格、加载并进行计算和后处理。当计算量较大时可生成前处理的批处理作业命令流文件。该文件可直接或稍加修改后用于有限元分析工具，大大提高了的分析处理能力。这样做的优点是：

21、由于工的特征相关联性，所以更改模型方便；在处理过程中，模型一致性好，数据完整，克服了前处理能力的不足，这大大提高了整个有限元分析工作的效率。建立精确的三维模型是以上分析的前提条件，有限元模型的质量直接影响分析精度和分析效率。小匝能仿真产品在使用环境中的实际情况，了解其机械性能以便在产品开发初期就可进行改进。在该处理部分，可以获得有限元模型的节点数、节点编码、节点坐标、单元数、单元节点编码等有关数据。卜的主要任务是针对三维模型选择有效的参考，进行基本属性的定义。其特点如下：一数据集成：是美国开发的有限元软件。该软件可以实现和的完全无缝集成。同其它有限元软件相比，软件可以完全实现几何和有限元分析的

22、集成。绝大部分有限元分析件的几何建模功能比较弱，这些有限元软件通常通过格式或者格式进行数据交换，而这样做最大的弊端在于容易造成数据的丢失，因此常常需要花费大量的时间与精力进行几何模型的修补工作。使用恰好可以克服这一点，该软件可以直接利用的几何模型进行有限元分析。由于具有强大的参数化功能，那么在小气中就可以利用这种参数化工具的优点，进行模型的灵敏度分析和优化设计，具体地说，当模型的一个或多个参数在一定的范围内变化时，求解满足一定设计目标（如质量最小，应力最小等）的最佳化几何形。因此，可以说舢岍软件可以真正使工程师们将精力集中在设计工作中，在设计初期就将设计和分析结合起来，从而实现智能设计。二网格

23、划分：传统的有限元软件采用非适应性方法划分网格单元，存在以下的缺陷：用方法划分的网格单元虽小，但并不能精确地拟合几何形状，会产生实际上并不存在的微小凹面。提高计算精度的途径是靠减小网格单元的大小、增加单元的数目来实现的。这样势必造成计算时间过长，求解效率低。分析人员需要具备丰富的有限元知识和实际经验。如根据经验判断应力集中的区域，通过加大该区域的网格密度来提高计算精度；对自动划分的网格单元进行人工干预，以期达到收敛。是基于方法进行工作的，它采用适应性技术。适应性技术有以下优点通过三阶多项式位移方程，能够比较精确地拟合几何形状，能够消除表面上的微小凹面。这种单元的应力变形方程为多项式方程，最高阶

24、次能够达到九阶。这意味着这种单元可以非常精确地拟合大应力梯度。这种网格单元数目较少，单元尺寸较大。这是因为在拟合相同的应力轮廓情况下，这种较大尺寸的高阶几何单元要比传统的低阶好的多。中四面体单元的计算结果比其他传统有限元程序中四面体的计算结果要好得多。自动收敛求解。首先单元以较低的阶次进行初步计算，然后在应力梯度比较大的地方和计算精度要求比较高的地方自动地提高单元应力方程的阶次，从而保证计算的精确度和效率。提供了强大的动力学分析工具，可以方便的进行各类动力学分析：模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析和谱分析。模块是地气软件强大的结构分析软件包，它可以使设计工作者们对设计模型在真实工作环境下的结

25、构性能和动态性能进行评估、研究和优化工作。本文将借助厄中的模块，提高的处理分析能力。本课题研究现状与发展动态随着计算机技术和数值分析方法的发展，有限元方法在机械结构分析中得到广泛应用，取得了令人瞩目的成果。已成为现代机械产品设计的一个重要工具。一些优秀的有限元分析软件如：、等凭借其功能强大的设计和优化分析软件包，受到广泛的青睐，从而推动了机械结构分析方面的迅速发展。资料文献检索发现，国外不论在挖掘机的整机还是部件的设计上都有比较成熟的技术。国外挖掘机生产企业，利用有限元与优化设计相结合进行结构的形状优化。它使液压挖掘机的设计从经验的、静止的、随意性较大的传统设计逐步发展到自动化程度高，设计周期

26、短，设计方案优越，计算精度高的现代化设计。而在国内，有关单位在液压挖掘机的研究和开发方面也做了不少工作，计算机技术在液压挖掘机产品开发、研制中的作用愈来愈大。但是由于受客观条件的限制，在产品设计制造中大多采用传统的方法和理论。引进挖掘机技术时，只注意了整机技术，将有限元分析方法应用到挖掘机动臂结构动态设计、分析及优化还不是很多，往往都是静态分析，特别是通过完整的试验进行验证的就更少。现在国内外正在通过动力学研究的方法提高产品的设计质量，以求在根本上保证产品的动强度和可靠性，另外振动和噪声被认为是工程机械作业时的两大公害，随着动臂强度要求越来越高，机械重量如何减轻也显得越来越重要，因此对挖掘机动

27、臂进行结构的动态数值仿真研究、试验验证以及进一步优化，显得越来越迫切。国内学者对挖掘机，特别是对挖掘机工作装置的性能参数与结构优化方面做了大量的研究工作。虽然液压挖掘机工作装置优化设计已经取得了长足的发展，但仍然存在不足：在参数性能优化中，有些运用复杂多变量矩阵来进行多参数的运动、动力学分析，优化时，分析效率不高。设计造型、工程分析、优化求解三大工程模块的公共数据平台问题没有解决，使得系统中的几何造型、参数造型、特征造型等与有限元方法前后处理系统之间以及用设计变量、目标函数、约束函数作为控制的优化过程之间不能直接连接。研究内容、目的及意义本课题研究的目的是出于新型挖掘机研发需要，对动臂进行动态

28、数值仿真分析和优化设计。动臂是挖掘机的关键部件，也是主要承力部件。在施工过程中动臂受到的复杂的瞬态冲击载荷，往往造成其结构出现裂纹或强度、刚度超出范围。而动臂强度、刚度是否满足要求，将直接影响工作安全，因此，很好的全面了解动臂在工作过程中承载时的应力、应变水平、振动频率和刚度、强度分布情况，发现薄弱环节和过剩部分，可以为进步优化结构、改进设计提供依据，然后通过试验进行比较验证，再根据分析结果分析动臂设计是否合理。本课题用动态的而不是静态的、用理性的而不是经验的方法对挖掘机动臂进行动力学研究，适应我国挖掘机发展的需要，给出挖掘机动臂的动态特性和工作过程中的动应变，并在此基础上提供一个完善的挖掘机

29、动臂动态特性分析方法，方便以后对挖掘机的工作装置进行全面的动力学研究。在正确的载荷分析和合理模型建立的基础上，对机械进行全面的动态分析，从而提高设计质量，减少试验环节，加快设计周期，这对我国挖掘机设计水平的提高是非常必要的，具有实际价值和长远意义。本论文以韩国“现代”某型号挖掘机（如图，其基本参数和工作参数见表、表）的动臂为研究对象，以有限元法和机械振动动力学为理论基础和分析手段，运用参数化技术和有限元分析软件对动臂进行了动力数值仿真研究及优化设计。具体工作如下：根据实物的结构尺寸，利用三维建模软件建立有限元模型，确保分析结论的可靠性。根据实际情况选择好单元，对模型进行合理的网格划分。对有限元

30、模型在不同工况下进行强度校核；利用小和对模型进行模态分析、瞬态动力学分析和谐响应分析找出其固有频率和振型，分析出动臂模型在瞬态激励下的应力应变情况，得到可靠的分析参数。通过实验得出结果，然后与有限元分析结果进行比较，验证有限元分析的可靠度，并为优化设计奠定基础。对动臂模型进行灵敏度分析和优化设计，优化模型。实施方案具体如下图所示。、图现代液压挖掘机额定功率（）操作重量（）动臂长度（）斗杆长度（）铲斗容量（优，）动臂重量（）斗杆重量（）铲斗重量（曲油缸数量缸径杆径行程（嗍）动臂一斗杆铲斗表挖掘机基本参数斗杆最大挖掘力（）最大挖掘有效范围（）最大垂直挖掘深度（删）最大挖掘高度（）最大卸载高度（）最

31、小回转、卜径（）表挖掘机工作参数图卜实施方案图第二章挖掘机动臂强度数值分析动臂是液压挖掘机的主要承载部件，实际应用中动臂结构有时候会出现破损现象。对挖掘机动臂进行结构设计时，其结构尺寸和强度是人们非常关心的问题。在以往的设计计算中，人们常常根据材料力学与结构力学的有关知识对工作装置进行相应的简化，使之成为悬臂梁结构，进而进行静力学分析，再加上保守的安全系数得到结构的尺寸数据。事实上这种设计方法是不合理的。第一，使得设计过于保守，浪费大量材料同时也增加了结构本身的质量；第二，不能预测动载荷作用下结构的受力情况。为了全面了解动臂在工作过程中的承载薄弱部位，探求其应力、位移等力学特性，本章将利用中模

32、块对挖掘机动臂进行强度数值分析。动臂模型的建立本论文采用建立挖掘机的动臂模型。是美国公司（印卜参数技术公司）开发的大型集成软件，是目前国际是专业技术人员使用最为广泛的、先进的、具有多种功能的动态设计仿真软件。该软件在工业产品造型设计、模具加工设计、加工制造、有限元分析、机械二维和三维动态造型仿真设计、结构分析、优化设计、电路设计以及关系数据库管理等方面都有着广泛的应用，是当今最优秀的三维实体建模软件之一。它是基于参数化、特征化、全相关同一数据库及采用三维参数化特征造型技术的第四代机械实体设计软件，它以参数尺寸的方式定义物理模型，为快速实现设计变化奠定了基础。从设计到加工的全过程归于单一的全相关

33、数据库，使全工程的修改实现自动化，使产品设计、研制周期缩短，它是机械设计自动化一从设计到制造的高级软件。本文将采用瓜中的进行网格划分。虽然能够自动完成绝大多数几何模型的网格划分，但当建立的几何模型存在细节问题，需要对模型适当简化，处理那些对影响分析结果而对网格划分影响较大的细节。模型的检查方法：抑制所有非必须存在的特征，减少生成单元总数，将圆角特征、未对齐特征以及变截面混成与扫描特征简化为一个点；对模型设计意图、曲面斜率、最小长度、组件的零件之间的间隙、干涉情况进行检查；清除所有存在问题的几何元素。模型简化时的特征处理：模型的简化就是对实际物理模型适当简化，通过抑制或者删除那些对实际问题研究没

34、有影响的特征，从而减少模型特征数，达到降低网格单元总数，缩短时间的目的。下面主要对倒角和拔模特征进行讨论。倒角特征：倒角特征包括圆角倒角和斜角倒角两类，简化时应考虑：外圆角通常对结构分析结果没有影响；内圆角通常对结构分析结果有较大的影响；尖锐倒角可能在分析中产生与实际情况不相符的应力集中现象；如果将模型处理成薄壳模型，那么内圆角也应该删除或者抑制掉，这是因为薄壳模型中需要定义平行的面对，而在模型中不能找到和内圆角表面平行的曲面。拔模特征：对于拔模特征，在简化时应考虑：如果分析的是实体模型，那么拔模特征的存在对于分析没有影响；如果分析的是薄壳模型，需要对拔模面进行处理，这是因为在模型中不能找到和

35、拔模面平行的表面以生成薄壳面对。处理方法：删除或抑制拔模特征；修改拔模面角度为度。挖掘机工作装置是主要承载结构件，直接关系到整机的使用性能。工作装置与前车架由动臂铰点、动臂缸连结在一起，因此，可将动臂铰点作为工作装置的支点，把动臂缸作用力作为载荷加在动臂上，动臂与斗杆的连结点，对动臂来说，将其视为外载荷，而对斗杆来说，则将其作为支点。通过对工作装置的分析，可将其零件分为承载件和非承载件。对于非承载件，如焊接上的限位板、吊耳等，在建模过程中，将其略去。对于像动臂头部及轴承座、液压缸座等结构件；由于在分析过程中主要是施加载荷的结构件，也将其简化。实体模型的倒角，对分析结果没有影响，也将其略去。综上

36、所述，在中建立的挖掘机动臂结构模型如图所示：图挖掘机动臂实体模型定义材料属性动臂由不州厚度的钢板焊接而成。（）钢低温韧性、冷冲压及切削性均很好，但缺口敏感性较碳钢差。在大型船舶、车辆、桥梁、锅炉、压力容器、大起重及矿山设备、电站及承受动负荷的焊接结构中应用广泛，其相关材料性能如表所示。抗拉强度屈服极限泊松比弹性模量密度表动臂板材属性表动臂的有限元网格划分网格划分是有限元分析的核心。（集成模式）采用（自动网格划分）进行网格划分，用户可以直接操纵进行网格划分；也可以改变的参数设置，对网格重新进行划分，系统显示网格划分信息，根据需要改进网格划分。本文将动臂处理成薄壳一实体模型。薄壳模型简介当模型的厚

37、度与模型的长度和宽度相比非常小，具体说，当模型的厚度小于模型表面剐、边时，可以将其处理为薄壳模型。在中可以将该模型处理为薄壳模型进行分析而不影响计算精度。薄壳模型由于其厚度比较薄，所以如果直接处理为三维实体模型，分析汁算时所需要的网格单元较小、单元数目较多，会降低计算效率，而对于计算精度却没有改善（相对于处理成薄壳模型而吉）。相对于实体模型，使用薄壳模型进行计算，速度非常快，而且丝毫不影响计算精度。应用薄壳模型的一般步骤在默认条件下，集成模式下的乩将所有的模型处理为实体。首先需要做的是使能够将这些模型处理成薄壳模型，可以通过定义“中间面”来实现这一目的。“中间面”是指薄壳单元所放置的面，由于薄

38、壳的厚度是相对于薄壳单元放置面对称的，所以将其形象的称为“中间面”。“中问面”的定义过程如下：（）定义薄壳面对。定义一些面对，这些面对可以被“压缩”成“中间面”。一个薄壳面对包括体积块两侧的两个或多个互相平行的表面。另外有些特征可以自动的被处理为薄壳面对，这些特征包括：（薄壳特征）、（强筋特征）、（耳特征）、（薄壁挤出特征）、（钣金）。（）测试压缩薄壳面对。完成薄壳面对的定义后，就可以通过测试压缩来观察正是否可以将这些已定义的薄壳面对压缩成用户所需要的“中间面”。定义完“中间面”后可以使用薄壳单元进行网格划分。挖掘机的动臂长度为，体积较大，如果使用实体单元划分，单元体数目较多将使计算量增大。下

39、图是使用实体单元对挖掘机动臂进行网格划分的结果。一图动臂实体单元网格模型图实体单元网格划分结果图动臂油缸铰点处网格划分由图可知，挖掘机动臂网格划分为个四面体实体单元，图是动臂油缸铰点处网格划分。笔者曾利用此实体单元网格模型进行实验计算，发现它和后面的薄壳一实体模型计算的精度几乎相同，但时间却是后者的五倍，说明其计算量较大。挖掘机的动臂箱体是由一的钢板焊接而成的，且模型的厚度小于模型表面最小边，因此可以将箱体处理为薄壳模型，使用壳单元进行网格划分；对于像动臂头部及轴承座、液压缸座等结构件可采用实体单元，所以动臂模型可处理为薄壳一实体混合模型。创建薄壳面对根据上面所述方法对挖掘机动臂箱体的上下面及

40、左右侧面分别建立薄壳面对，模型中总共有八个薄壳面对。薄壳面对创建后可使用方式对混合模型进行压缩。如图所示：图动臂薄壳实体压缩模型网格划分在对话框中的部分选择，；在部分选择，即定义使用四边形和三角形薄壳单元及四面体单元进行网格划分。网格划分结果如图所示。图为动臂薄壳一实体收缩网格划分结果。图动臂薄壳一实体网格模型图动臂薄壳实体收缩网格模型：臀戤：。）：聃菩：佃：图动臂薄壳一实体网格划分结果图网格划分检测结果由图可知整个动臂模型共划分为个三角形薄壳单元、个四边形薄壳单元以及个四面体实体单元，另外还生成了个连接单元（实体单元与薄壳单元的过渡部分）。划分网格后，系统弹出“”对话框，设置对话框的各个选项

41、后，单击“”按钮即可检测网格精度，检测结果如图所示，由图可见模型中创建的长宽比大于的单元只有，变形小于的单元只有，中比例小于的单元只有。由以上分析可知，只有少数精度较差的单元，划分的网格精度符合要求。动臂施加约束、载荷约束能够限制模型的某些自由度，以模拟真实环境进行分析。约束种类分为点、线、面、旋转对称四种。根据挖掘机工作装置的特点，对动臂与转台铰接位置处的，及动臂油缸与转台的铰接位置的，方向进行约束，释放方向的旋转约束（），用以模拟铰接运动。每一台挖掘机的挖掘工况由动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸的变化可以组成几万种，所以如何确定工作装置在外载荷作用下的一个或几个最不利工况作为挖掘机动臂强度计算

42、的工况，进行精确的强度校核和动态分析，为设计出更为经济合理、安全可靠的液压挖掘机提供依据，是非常重要的。对于结构的设计，首先要确定最不利工况，计算这个工况下构件产生的最大的内力和阻力，作为设计的依据。因此，必须首先选择计算工况。不同工况姿态的选取动臂的强度计算按挖掘工作中的动臂可能出现最大载荷的位置来计算。一般选取以下两种工况。最深挖掘位置挖掘机处于最深挖掘位置处，铲斗挖掘，铲斗在发挥最大挖掘力位置进行挖掘。此位置出现在动臂油缸全缩，即动臂位置最低处，此时斗杆与斗杆油缸铰接点、斗杆与铲斗铰接点及铲斗齿尖在同一直线上且垂直于挖掘面，如图所示。该位置处，铲斗中物料较多，土壤挖掘阻力较大，大臂、斗杆

43、与铲斗的受力都很大，同时该位置也是用于计算斗杆与铲斗的危险情况的典型受力位置。因而，此位置是整个动力学分析中较为重要的一个姿态。动臂、斗杆最大受力位置动臂、斗杆处于最大受力位置处，铲斗在发挥最大挖掘力位置进行挖掘。此位置出现在动臂油缸全缩，斗杆与斗杆油缸铰接点、斗杆与铲斗铰接点及铲斗齿尖在同一直线上且垂直斗杆油缸，如图所示。据计算，此位置对动臂与斗杆都产生最大的力矩，是动臂和斗杆出现危险截面处的工况。相同挖掘力作用时，对动臂、斗杆产生的作用力最大。对此位置进行静强度、动强度及动态分析有利于检验动臂与铲斗的最大变形与最大受力，从中得出动臂破坏的原因。图最深挖掘位置图一动臂、斗杆受力最大位置不同工

44、况下动臂的受力分析不仅能建立三维模型，而且可以由三维模型生成二维工程图，本文动臂受力分析将利用的此功能。首先在中生成挖掘机工作装置在上述两种工况下的二维工程图，再将文件另存为格式导入至专门的二维工程图软件中进行计算。在计算动臂各铰点受力时，挖掘机工作装置的最大挖掘力是已知的（），重力及重心坐标可在中计算出。表是动臂、斗杆、铲斗各模型重量及重心坐标（以油缸与各杆件的铰接点为参考坐标系）结构件模璎重量（曲重心坐标（，）设计重量（曲误著（）动臂（，）斗杆（，一）铲斗（，）表各杆件模型重量及重心坐标由上表可看出，各结构件模型重量与设计重量相比误差较小，各模型的建立是比较合理的。下面在中分别计算上述两种不同工况下动臂各铰点的受力。由于动臂铰点、