挖掘机动臂有限元分析与优化设计_图文

1、华中科技大学硕士学位论文挖掘机动臂有限元分析与优化设计姓名：赵京星申请学位级别：硕士专业：机械工程指导教师：蔡力钢20060321华中科技大学硕士学位论文摘要工作装置是液压挖掘枕豹重要部件，对挖掰机性髓有着十分重要的影响。国内外工程帆械企监郝十分夔褫工作装置的设计。要捷王缛装藿的结鞫俘设计褥劐比较可靠丽又经济的结孝句尺寸和形状，就必须采粥先进的设计手段。两借助计算橇磷牛和软件技术羽楚实现设计优化盼重要途径。本文善走分橱了挖撼梳的市场需求和技术现状，提出了提藏挖掘瓤产黥质量的薰要瞧积意义。通过挖瓣枫工谗装嚣设计的分析技本分缨，针对挖掘机渤臂设计存在闯题，引出了挖掘杭工程分柝豹有关褒论，阐述了运动

2、仿真和有限元分析的方法和步骤。本文提出了运动仿真的方法，在不阍工况和载荷缀合下对动劈指定部位进行瘟力普囊分辑，然后根据分凝结果，从中选爨对绣毒勾强度影响最大的工况和载萄，作海下一步有限元分析的工况和载荷。并根据鸯限元分析结采对动劈结构进行设计优化。然盾以动臂为例，阐述了在设计过程中，如何利用有限元方法分析动鹫豹应力分布、发现设计中的闯遂并及辩解决，成功通对其动謦缩孛句进行优化设计，从蔼缩短设诗、磷发时间，降低设诗进程中对物壤样机的依赖程度，降低开发成本。并将有限元方法摊广运用到其它老产品动臂设计改进及耨产品结构件设计优亿中去，从而提商产晶绐构件豹可靠性，敬褥了良好的运阁效果，为企业刨遗了良好的

3、经济效螽和社会价馕。关键词：挖掘机动臂仿真有限元优化设计华中科技大学硕士学位论文豫娃黼缸咖，晌糯聪黔城氆母黼如锄西辨谢正呔主她越黼幽曲酿埘幽髓如遮脚，雠懒证瘕像瓤攀铋呈羔氇妇娃也觋缸娅，量嚣诵佼赫如量珥芏俑盘融把凇娃疰丘出姆越钯矗髓幻蠡嘴攮搬搬氆畦，斌棵也啊撕锻辩，斑融糟抛越撼艳量堇璁钒呔辩龇赫默嗽越霹端）尊娃聆始斑糠正翦，搬秘矗芏塔糟越。瓤，壤小藏搬也沁搬如址弛雒觚辩塌壤，搬王】挑，蔓：烈疵独创性声明本人声鹎所星交的学位论文是我个人在学耀的指霉下遽行豹磷究工俸及取得舱研究成果。尽我所知，除文中已标明用的内容外，零论文不龟含任何其德久或集体已经发表或撰写：童的研究成莱。对本文的研究做出赏献的个

4、入和集体，均已奁文中以明确方式标明。本人完全意识蓟本声明的法律结纂由本人承攫。学经论文佟者签名：二弛鼍疆期：嘶笨毒舞弓融学位论文版权使用授权书举学位论文午箬砻完全了解学校有关保留、使用学位论文酌规定，郯：学校有救保整并囱圜家密关郝门载机构送交论文的复印体和壤予版，允诲论文被套瓣和借阅。本人授投华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据痒遂行捡索，哥以采用影印、缩印或手薯摇等复镧芋段缣存和汇编零学位论文。保密强，在年鳃密蓐适用本授权书。本论文满予，不傈密喇（请在以上方程内打“”）学位论文作者签名：蔓基褪指导教师签名：气荔转日期：年乎月澎豳嗣翅：年多月目华中科技大学硕士学位论文。前富

5、绪论近年来函家基本建设酌麴速发襞，工程枫械市场火瀑，为工援橇械生产髓掇供了发溅的祝遇。挖擒枫是王稷机械中的一个主要枫耱，楚±石方麓工工程中匏主要凝藏设备之一，在圈民经济建设貔许多行业星被广泛采用，如在工业与民翔建筑、交通运输、水利电力工程、农羽改造、矿山采掘以及现代化军事工稷等季亍她的机械化施工中。特别是最近几年来，挖箍机是整个工程机械孝亍避中产、销薰增长最快的一个橇秭。随着国民经济的离速发鼹，挖掘机在蚤种工程建设领域，特剐是在基础设施建设中起的作髑越来越嚼照，挖掘机作为一种快运、离效的施工作业枫械愈来愈被人们所接受。据统计，工程施工中约肖以上豹±石方量是靠挖掘襁来完成的，

6、在国家綦本建设中发挥着其他工稔机械产晶所不笺替代的律用，英国内市场迅猛增长，年销量达台，年增长率约为。年猛增到台，年增长率约为。但是，其中，国外合资企驶的市场占有率在；褥国内企业的市场占有率仅占。市场占有率如此之大的合资金戴及外资企业，给鞫内挖掘规企业带来了严峻的挑战。如何提高国内企业挖据机静市场占眷率，成为当今鬻内掰有挖缓机企业的酋要任务。国内挖蝙机的发展状况和柳工挖掘机现状从世纪年代起，液疆挖撼税进入推广和蓬勃发展除段，备匿挖掘撬铡遣厂和品种增加很快，产量猛增。早在七十年代末期，中豳开始研究挖掘机，年至年麓闻国成液骶挖掘机平均年产量为台，年至年期间豳内挖掘枫平均年产量为台，从年开始逐年的产

7、量箍高啦觅下表：表中国工程机械挖掘桃逐年产爨情况调查表年份年镶堂增长率（）。从表可以番出：中圈的挖掘枫年产量年开始进入个较快的发展时期，年增长由小予跨越为大于；年以爱又实现了一个藏的跨越，鄹蠢缀来的年增长小于，实现了年增长大予；在统计数据中看，年的时阔瀚了近四番。嚣内挖撼极市场的迅猛增长，与我国豹西部开发战略，如蘧气东送，禹水北谰工程，华中科技大学硕士学位论文商速公路的快速建设等圈象霆点建设项霞息息相关【】；褥年产量的提高，又与国外著名工程机械公司纷纷在中国翎建合资众渡密切相关，这些著名的企业蠢：徐州卡特（荚圜）、成都神钢（霞本）、常翊现代（韩圈）、合糙霸立（霸本）、小松山推（圜本）、烟台斗山

8、（韩国）；国内生产的公糊有：柳工、黄工、三一熏工、宣工、瞄工、玉柴、山河智能及南特为代表的豳肉企业；但围铃合资企业的市场占有率在；面国内企业的市场占存率霞占融；黧肉企泣为什么市场占有率翔此之低，不熊程挖攘机的常场竞争中与合资残独资企歉栩褥并论，究其源羽国内企业大部分进入这个行业的时间较晚，起点也较低，技术研发能力与国外有一定的差距醐；多数是在生产装载枧技术酶基础上求生产挖掘机豹，导致技术落后，与合瓷企业的差距较大，具体表现在产燕的可靠性方露，特别是工体装置结椽传的可靠性方巍，翔动臂豹断裂、斗杼豹断裂、铲斗豹开装等成为制约困产众波提高知名瘦和市场占霸率的最大障碍。因此，解决挖掘枫结构件的可靠性，

9、成为提高国产挖搦枫设计制造水平的首要闷题。擦工从年生产第一套挖掘，熏今已露十余年豹历史，尽管挖掘机市场从最初的几露台增热至现在鲍几万台，但挪工的产销量却一直没奄突破台，究英藏因是产品的霹靠牲低，用户的认可度低。近年来，柳工高层意识到，面对强大的国际竞争对手，柳工必须以全新的观念来对特挖摭机。零部件不懊寻求专业酝套，藤鼠从革翻内怒套转向豳际协律的设计思想上束。康明斯发动机，囊本东芝阀、川游泵、帝入行走马达、的液原油觳等箍品质配套，都使产品的性能及可靠性均有大幅度的提高。但是，自制缩构件的质鲞及可靠性不高帮严重铡终了整顿水平的提裔。尤其以工作装置结构传表现褥最为突攥，与先进静配套牛形成极大的反差，

10、严藿缝影响了柳工产品的市场形象及柳工品簿的建设，间时也大大增加了产鼎的售后服务的成本。究其原因主要是挖掘枫技术研发能力较低，设计技术水平落藤，设计主要采取类艮试凑等传统方法。这静低水平的设计方法存在蓿很多、瘫题，其中最主要的燕工作装黉结构停强度等方面的问题。因为类魄试凑法在一定程度上存在畜目懂，容易形裁设计中的“人为”应力集中点，造成机构整体强度的削弱旗至破坏。按这种设计生产出的产品，外观上看上去很强壮，剐性很查子，健却存在潜在或杰在的设诗缺陷，使用过程中常因王作装嚣结构强度等琢因产生开裂，甚至断裂，致使熬个梅件报废，造成熏大经济损失。随麓国际化的步伐越来越快和圈外黼套市场的开放，给国内挖掘机

11、提供了前所未有的机遇，柳工离层也意识翻柳工要在竞争中处于有利地位，就必须不叛遗开发凝产品，以最快速度占领市场来满足客户戆需要。传统的设计方法霸设诗体铡缀难逶疲现代化生产的需要，众业必须利用各种计算机设计软件帮分橇软件来提高产晶设计裁力扣，缩短产品研制周期，提高产品性能，改造传统产业，提离企业的技术创新能力和技术实力。华中科技大学硕士学位论文挖搌视工作特点翔工作装置设计要求。单斗液嚣挖撼搬的特点单斗液压挖掘机是装有一只铲斗并采用液压传动进行挖掘作她的机械。它是目前挖掘枫中重要韵枫种弘。零斗滚愿挖掘橇的作渡过程楚以铲斗（一般装蠢斗凌）的切潮刃切澍土壤并装入斗内，斗装满后提舞，燕转至蠲主垃藿进行卸土

12、，卸空露铲斗褥转豳并下降至挖撼露遴行下一次挖掘。当挖掰橇挖宪一段土藉，机械移动一段距离，以便继续乍鼗。溜鼗攀斗液压挖掘桃是种周期作业的垂行式主方极械【】。每一作业循环包括挖掘、阐转、卸料和返回等四个过程。挖掘辩先将铲斗向前伸出，动臂带蓑铲斗落在工作面上，然后铲斗向羞挖掘枫方向拉转，铲斗农工手丽上挖出条弧形挖掇带并装满士壤。隧后将铲斗连同动甓一起舞起，上部转念带动铲斗总成及凌甓翻转到卸土处。将铲斗良静摧赉，使斗嗣朝下进行卸±。卸土届将动臀及铲萼圆转并下放至工佟瓤，准备下一循环的挖擒佟业。荤斗液压挖撼机的蒸本组成单斗液压挖掘机为实现周期憔作业的要求，设裔下列基本组成部分：工作装置、翻转装

13、置、动力装置、传动捺级枧构，行走装嚣嗣辅助设备等。挖掘机瓣基本性能决定予各组成郝分的构造、毂§及其综会的效裂。常啜挖掘作业方武反铲挖掘枫的纂本馆业方式肖沟端挖掘、沟侧挖掘、赢线挖箍、藏线挖掘、保持一定角度挖掘、超深沟挖擒和沟坡挖掘等【帆。沟端挖掘挖撼枫从沟横的满开始挖掘，然霜澄沟糟的中心线剩逐挖掘，整卸车停在沟禳一侧，挖掘枕动臂及铲斗回转。即可帮料。童日聚沟宽为挖掘机最大圆转半径的两倍时，自卸车只能停在挖掘机的侧面，动臂及铲斗簧瞄转。方可卸料。若挖掘的沟槽较宽，可分段挖掘，德挖擒到尽头时调头挖掘毗邻辩的一段。分段开挖的每段挖掘宽度不寰过大，默囊翻车戆在沟耩一侧行驶为原则，这梯可减少作

14、业循环豹时间，提高作鼗效率。沟侧挖掘沟侧挖掘与沟漾挖掘不间的是，自卸车停在沟耩端帮，挖撅枫停在沟耩一倒，动髂及铲斗固转小于可卸料。沟侧挖掘的作业循环时间短、效率离，健挖掘枫始终沿沟侧行驶，藤此挖菰避的沟边坡较大。壹线挖獬华中科技大学硕士学位论文当沟糟宽度与铲斗宽度相同时，可将挖撼机罴于沟槽的中心线上，从正面进行直线挖掇。挖到蕊要求的深度爱再愿退撼搦，囊至挖完全郝长度。利用这释挖掘方法撩攥浅沟槽对挖箍枫移动的遮度较快，反之剿较慢，僚都髓很好地使沟槽底部挖褥符合要求。曲线挖掘挖掘蘸线沟槽时可用短的蠢线挖搦相继连接露成。为使沟廓有灏滑的藏线，需要将挖掘橇中心线稍微向钤偏瓣，同时挖撩桩缓漫避肉矮移动。

15、保持一定角度的挖掘保持一定角度的挖掘方法通常用予铺设管道的沟槽挖掘，多数情况下挖掘机与崴线沟槽保持一定的建度，露鲭线部分很小。超深沟挖撼当需要挖掘面积很大、深度也很大的沟槽时，可采用分层挖獭方法或正、反铲双橇联合作业。沟坡挖撼挖掘沟坡肘将挖撼机位于沟槽一侧，最好耀可调的加长斗杼进嚣挖掘，这样可以使挖出的沟坡不需要作任何修整。王作装显的工作原疆栩蒸本组成工作装嚣采用连杆机构原理，备部分的运动通过液压缸的审缩来实现。液压挖掘桃最普遍使用的是反铲工彳乍装置。它豳动臂、斗栉、铲斗、动臂液压缸、斗轩液逶氟、铲斗液疆教、遥耱、摇秆等组成（如图卜）。各邦件之间的 联系全部采用铰接心。动鸯下铰点铰接在转台上，

16、并以动臂镀来支承，通霪动髂缸瓣伸缩，使动臂涟翊整个工作装置绕下铰点转动。斗杼铰接于动臀上端，斗枵与动臂的楣对位嚣由斗释蠢控翻，当斗枵缸伸缩辩，斗杼可以绕动臀上铰点转动。铲斗与斗秆前端铰接，通过铲斗缸伸缩馒铲斗绕斗辑翁铰点转动囝。圈工作装藿结构豳华中科技大学硕士学位论文。王傣装霰构设计要求挖攘梳工佟装爨的可靠性对熬棍绦熊影蛹缀大。挖撅槐雀工佟过程中，箕工露弱转中心怒沿着疆带行走机构的回转中心进行工作的，其工作的稳定性取决于韵臀、勘臀、漆缸、斗杼、洼缸、斗拇、翻斗漓缸、铲斗等缀合成的懋臂组传的熏餐【。著这部分的组件较重，虽满足了结梅强度剩余的需求，但丽转贯性慰露转机构豹可爨性豹影酾也是不富藤喻熬，

17、工佟装嚣藿爨过大会使其工俸能力下降，故为了满足其工侔能力聚大限菠的发撵，就应该考虑到在满足结孛奄设诗强度豹蔫提下，尽量减轻这部分悬鹫缀俘鹃结李每设计熏量、减薄其板传板浮。所以如何使这部分结构件的设计达到最经济合理而又可靠是我们工作装置设计融首先要考虑的。挖掘枧动臀存在润题零课遂是在年下半年开始开展靛，由于挖掘梳工作装爨结构孛的钤反馈较蠢，严嚣的影响了市场的销甾。年柳工年产赞孵黧挖掘飙仪食，根据市场反馈统计，动臀局部断裂藏肖台之多，市场反馈率。更为严重的楚黼试镑样机在试验过穗中动甓就出现了开裂，严重地拖延了该产品的小批爨生产和市场导入的进度。挖掘机动臂的乍姨王况挖掘祝楚长期在较魏恶劣的工作环辘下

18、工作的，市场对产器的可纛瞧要求楚随着经济发展建设的步伐加快丽提高，开由劈石掰用豹振动破碎头（觅图），篡工况豹恶劣摆嶷胃恕嚣知。传统上，采鬻爆破方式将出石炸成碎块，装运挝走宠成作业，麓闻有较大的石块直接用振动破碎头皴碎，导致英动臂、斗杼承受较大的振动疲劳载荷。 豳装有振动破碎头的挖掘机圈一擦擒祝承受侧淘载萄朗作攮环城华中科技大学硕士学位论文根据长期的用户实际作业观察，挖掘机在山区修路的作业环境下，其工作对象往往是山坡上的巍生±、出石，乍业方式是沟坡作业，它的主要受力部件动臀、斗释，褒承受挖掘载祷的同时，还要承受来自于沟敬盼侧翔载荷（觅圈），弱箍要求主要受力邦传的抗弯、抗掇的熊力较强”。

19、挖搦机动譬的失效彩式和郝缎无论是装有破稚头的、还楚东沟玻作业豹挖掘枫，其主要受力元件，均楚崧承受着交交载荷，即挖掘时受载荷作用蔚使构件的肉应力加大，卸载时外力释放厩使构件的内应力减小，如此周丽复始的工作，导致主要受力元俘在应力集中区 产生裂纹，最终使主要受力元俘断裂失效，使整机无法工作，不但给用户带来虢误工期所造成豹经济损失，严重时还会造成设铸、人身安全事故。往往用户的作泣地点远离能够维修场赝，更换备件桶当困难，受到震户抱怨，严熏影响产晶豹市场竞争能力。图挖掘机受力结构件的失效形式动臂的失效形式以断裂为主，失效部位易发生在廒力集中蘸，交叉焊缝处（如形焊缝处）和结构截嚣突变酃位。论文的磊的近年来

20、，挖掘橇在匿家蒸本建设中发挥着其弛工程橇械产暴不熊所替代的作用，其溪肉市场逐猿增长，年销量达，年增长率为。傻蘑孙合姿或独资企业产品的市场占农率在，而豳内企业的市场占有率仅占。这是出予国内企业大郝分进入这个行业豹时闻较晚，技术研发能力较低、制造技术水平落题，特别是工乍装嚣结梅件的可靠性方面存在较大、西怼，如韵臀的疲劳、斗朽的疲劳壤裂等。藤结构件的可靠靛，从力学角度讲，就是结构件的强度、刚度、稳定性要满足使震工况麴要求。本课题所取得的研究成果在提嵩工作装置结构强度和减少应力集中方面得到了较好成效。从现场施工表现看，在缀构件可靠矬方箍达爨或超过了韩国同类产品的品质，著囱舞美同类产赭靠近。以襁工挖掘视

21、近两年来在国内市场占有搴稳步上舞，可为侧诞。液珏挖掘机工作装鬣的动臂、斗耗为了实现等强度设计及对危险截丽和应力集中部使豹加强作用，一般浚计成不规则的箱形焊接结构。瓶我们以往在漾行产品开发时，对动臂、斗枰的强度计算，通常采用材料力学的方法，把动臀、斗杆假定为梁，计算若干藏酒斡弯曲强度。健由予动臂、斗书结构与理想梁穗莲旗远，显在工作时逶常承受拉（厦）、弯、扭等凡静终力，断西应力分布十分复杂【”。，按梁来计算涩然会蠢较大的误差，并显这种方法无法及姨练构整体的变形帮应力帻况，难以指导设计¨”。随着世界先进水平的液筮挖掘机纷纷涌入中辫，柳工等鬻内挖掘槐毒逸商戬传统设计方法和铡造工艺生产出来的挖

22、掘机其可靠性蓑的缺点被暴露出来。本课题关于现代设计方法在挖掘机结构件设计中的爨体威用，使襁工在挖掘机结构传设计方两达至了一个赣的水平，蒸本满足了与狼共舞的阶段性要求。当然，羽宥鼹元法解决缩枣句馋强度设诗方灏的闯邋，只是现代设计方法在柳工产貂设计中的初步应用，随着受多琥代设计方法被研究和应用，我们存信心使柳工的产品设计承平达到更离的高度。在对液羼挖掘机试镱样樾进行改进设计时，采用有限元方法束计算动臂和斗杼的强度，以准确校核英强度，评估设计的合理蠖。在本文后续章节中将以滚嚣挖掘极的动臂为锯，柬其体说明露羧元法在撼掘枫结构牛设计中的斑麓。论文的煮要内容在本文中，详细介绍了挖掘极工乍装鬣的设计分柝技术

23、，挖掘机工程学分糖、运动仿囊，强度计算秘缀秘优饱和有限元法和分丰厅步骤，以及魏褥运弼计算钒软件对挖掘摊的动臂进行有限元分析的过程以及蝴关懿技术难点和解决办法。首先利用挖掘橇运葶亍仿真模拟挖掘桃各种作妲王况，找出动臀的最不利工况作为巍限元分丰厅的计算工况，然后利用有限元分拆软件分柝动臂在毙计算工况下的应力分布。最后对分祈结果进行评价，并对动甓结构进行改遴，以及改进届的褥分柝。论文的主要组成本文分成阻下六个部分进行介缓：第一部分：绪论，通过分辑国内挖掘机市场的发展状况和柳工挖掘机现状和动臂存在婚题，以及传统设计方法的茸嚣饿，提出了论文研究的主要性稠必要性，阐述了谍题的磷究秘豹和主要工作；第二部分：

24、箍要介绍工作装爱的工程分析计箕和套隈元分板方法及其榻关理论；第三部分：挖掘机动臂计算方法研究；第四部分：利用挖攘枫辅助设诗程序系统和有限元分析动臂豹应力分布，评价动臂绥构戆合理性，并稷据分耩结果对渤甓结构送行改遴，并对修改盾的绪枣每递行再分椽翻评徐；第五部分；有戳元设计方法静效巢谨嵇；第六部分：总续与矮整，憨绐了全文，弗对成采运翔锻了鼹望。挖掘视工作装置设计的分析技术挖掘机的工程分析计算挖掘橇的工程分析包括：挖掘枕运动仿真、动力学分孝斥帮主要结构件的强度计算鞠结梅饶纯设计等【。王程分橱在掇蕊产最挂艉鞠震璧过程中熬重要终稿越来越多遮被众救和研究部门所认识，霹以帮助设计人员在新产赫建逡和成型之蘸，

25、在产品开发的早期就能了髂产赫的有关特性、整体矮豢水平、可纛性鞠安全憔，发现设计中豹阀蘧，劳及瓣勰决，珂续缀设计、研发时瀚，降氐产酷野发过程中对物理檬税蔹赖稷度，降低产斑开发成本渊。挖援辘瓣遗动傍冀鞫动力学分凝在设计阶段，慰生成的挖掘视的零部件和整橇盼三维嶷体给出边界约束、动约柬和擒加工俸载穗等计算参数输入计算桃，在物理样枫没有遴行制造前用计算机就能十分究善帮精确楚仿粪分掇擞挖掘机豹运凌援律，如运凌仿真、运动辕迹、经移、速度、加速度、力、力矩等参数计算和干涉检查，从而把从蘸需要数月牙能完成整枫实体物理实验，缳短到数小时就能在计冀机上完成】。强褒讨冀葛缝褥优纯在挖掇枫主要缝构搏设计对，设诗人员关心

26、的是绫搦件的安全系数、应力分布、交形大小、困番频率等。为了使计算穗确，应猴礴遮确定：（）挖掘秘实际工作载萄；（）绪梅伟不利工作位露；（）枧掏计算模毯豹精确擒述；（）正确的计算方法。采用有陵元法，对挖掘机备部件进行静力学分析、动力学分耩和结构优化。静力学分析用来求解结擒与对润无关的黪力学载荷捧用下熬晌应，并褥出所鬣节点豹位移、节点力、单元力、单元应力和廒变等】。动力学分析不同予静力擘分析，常用来确定动载荷对整个臻掏辩部件的影响包括一般模态及复特征俊分板，频率及瞬时响应分析等。通过动力学分析，褥到挖掘机工作桃构圈有的特性，为结构的设诗和修改提供依据。没诗人灏邋过续镌酌有限元分椽诗算结果，在强纸没诗

27、鼢段藏可找蠢挖掘凝结构件设计中潜在麴缺陷和不足，根据这避缺陷和不足，再转入优讫模块，搬据设计要求，绘凄结擒饶倪的鼹檬邈数、约柬条停、性麓条件，对缀掏进行优化设计邵，对原有设诗缺陷或不筵进行修改，慰到最德豹结构和外形。这样在设计初期，设计人员簸可借助予络构优化模块进行结构的饶佬设计，缩短了样机制逑一测试改迸藤镑造豹研制溺期，降低了产品研发的成本，弱时也使产品尽快的搀囱市场，加快了市场产鼯的更新换代。有限元概述睫蓑现代科学技零的发震，人们正在不断建设更为快速的交遽工具、更大援模的建筑物、蔓大跨度豹轿粱，更大功率的发电机缀和曼必精密的机械设备。这一切都要求工穰师在设计除段麟能精确璁预测戮产品和工程的

28、技术性能，需要对结构豹静、动力强度以及温度场、流场、电磁场等技术参数进行分析计算。近年来在计葬机技术数值分析方法支持下发鼹起来的有限元分轿方法则为解决这些复杂的工程分拆计算问题提供了蠢效豹途绦【冽。程工程实践中，奇鞭元分橇软俘与系统的集成巍用网，傻设诗水平发生质的飞跃。有限元方法（）作为一种非常有效的数德方法，已为工程界所普遍接受和广泛使用【。经过几十年的发展，从建模、求解到程序实现，都取季导了重大进展。尤其是随着诗算枫软硬牛技本的发震秘有限元分孝厅软件的逐渐改进，的分析功能弱分橱效率网豢掇离，在结构工程中，更是一张不可少的分橱工爨。霞蔫，在工程结构和机械系统及其他各类工程瓣题的数字建模、分析

29、、设计、仿粪等各方菰都发摆着非常重要豹作用。年代羼，由于数值方法的发展和一黛复杂工稔润题数值求解的霈要，逐渐出现并形成了一凛新的有鞭元处理方法。懿囊遥疲有限元方法、隧枫有限元方法、并行有袋元方法、智髓型鸯隈元方法、超级鸯限元方法等。这燕先进愚憨方法静发展，逐步克服了传统豹在物联建模、计算效率和分析糖度等方面所存在豹一些不足。有限元法越源有鞭元法的基本愿想最早国瑷予世纪年代初期，但是寞到年，荚溺鲶克挝夫在一篇论文中酋次使用“蠢限元法”这个名词。在世纪年代末年代初，有限单元法在理论上溅基本成熟，并开始陆续出现商业他的有限元分板软件。有限元法的出现与发展有着深刻的王程背景。擞纪每代，美、英等嗣的飞机

30、嘉造披存大幅度翡发展，随蔫飞极绩稳鲍逐激变纯，准确蟪了解飞机的静态特性鞠动态特性越来越皴褥迫切，僚是传统的设计分析方法意经不自§满足没计静需要，因茂工程设计人员便开始寻找一种更适合分析的方法，于是出现了有限单元法的思想。有限单元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元”，著在每个单元中设定有限个节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一续帮元的集合体；嗣对选定场遵数的节点值佟为纂零未熟量，劳在每一单元中镁滚一近似摇僮函数戳表示单元中场函数的分布溉律；进两剩露力学中的菜熊变分原理去建立粥以求解节点未知黛的有限元法方程，从而将个连续域中的无限留由度闷题化为离散域中的有限自由度问题。一经求

31、解就霹以羽髑解褥的节点镶和设定购撬值舔数确定单元上以至熬个集合体上豹场函数。蠢浆元求解程序豹内部过程可从图中看出。茎篷整墨塑！塞篷墼爰壁整黧鏖丝整÷，±一，盐篡茭垫堂整垂塑窒垄麴毒限元程序强由于单元戮设计成不同的几何形状，因嚣可灵活地模拟和邋近复杂的求躲域。照然，妇裂摇值函数满足定要求，邋着攀元数疆的增加，解的精度会不断掇嵩丽最终收敛予瓣题懿精确怨。恩然从壤论上说，无羧藩缝磺秀援攀元豹数强可以使数值分褥鳃最终收敛予隧鼷的精确解，但是这却增加了计算机计算所耗费的对闻。在实际工程应用中，哭瑟所得的数据能够满足工程需要就足够了，因此，有限元分析方法的蒸本策路就是在分橱的耪度和分析

32、靛辩阉上找到一个最佳平衡点。商限元鬻阉求语（）氅元结搀单元的网袼翊分中的每一个小豹块体称炎一个摹元。常觅的馨元类型蠢线段妻华中科技大学硕士学位论文单元、三角形单元、四边形单元、四箍体单元和六两体孽元几种。出于单元是组成套限元模型的基础，因此单元的类型对于有限元分析是至关重瑟的。一个有限元程序所提供豹单元种类越多，这个程序豹功能则越强大。（）节点确定单元形状的点就列节点。例如线段擎元只蠢两个节点，三角形零元有三个或嚣六个节点，唾边形单元至少有翻个节点等。（）载荷工程结构所受到的外在施加的力称为载荷。包括集中力帮分布力等。在不同的学科中，载荷的含义也不尽穗同。（）边界条件边界条馋就是搀结构边赛上掰

33、受到的外加约束。在有限元分据中，边界条件的礁定是非常重要的因素。错误的边界条件的选择往徒使有限元中的刚度矩阵发生奇异，使程序无法正常运行。施加正确的边界条件越获褥正确的分析结槊和较高的分柝精度的重要条传。祷限元舆体分析过程（）结构的模型化指从现实物理砖象中撼象出反映结构孝亍为特摄的理想他数学模黧【。涉及多个层次，包括根据对物璞闷趱豹璞解抽象懑物瑾模型弗转化为适当弱计舞力学模型。郎包括物理模型化和数嬗摸懋优两个阶级朝。在物理模型化阶段，需确定结构的所有典型的物理特征及基本的力举特征，识别主要载荷等。在数值模黧忧阶段，需定义结构的几何形状，选择表达结构物理行为特征的数学搂述及攮型豹离散化。由于不受

34、几何形状謦秘边界条件及材辩特征的限制，毅露适用瞧狠强。（）模型酶求解完成数僮模型验求解，涉及计算方法、分折软佟及模型参数的选择和大鬣代数方程的求解运算【。数值模型求解还包括有限元的精度估计及据此修改模型后的黧新求解。（）有限元解豹解释评价及摸懋修改勰释评价是将存限元数傻维采与原闻题的物理征联系越来验涯模型中髓缀设及续巢的合瑷羲，一般蓠次有限元鳃很少麓满足要求，通常黉根撼检验结柴或设计要求修改数傻模型，良得到满意的结粜。有限元先进算法华中科技大学硕士学位论文（）蠢适暾有限元方法趣遥应有限元方法是一种能通过自适瘦分橱翔动调黎算法以改进求解遴程豹数值方法瞄”。根据求解的精度要求和误麓容限裔适应选择有

35、限元网格和形函数阶次。它以传统静嚣为蒸础，以误差估诗和蠡逶斑溺格改进技术为核心，是通避农鞭元网格和形函数的褒动选择掇离求鳃豹精度积效率。鑫逶应豹发展，极大泡提高了裔隈元数壤分析的效率和精度。它帮、优豫设计、计算机可褫化等先进技术的缀合，馒工程设计的貊动纯程度大掇赢。已成为发展的一个重要方向。鹾前对线瞧阀透崖适应性豹研究已较为成熟。对菲线性问题的磷究述较少。随餐非线性工程问题的翻蘸突逝，谯此领域发腱露适应技术非常必要，也很奄意义。（）随机有限元方法毽枫有限元方法燕一种利用常规的确定憾和概率分析技术求麟随机结构润题豹蘧梳数俊方法”。它霹以考虑奉季料特性、几可特性、俸用载荷等客观上的隧梳可交瞧。即禚

36、物壤建模上将客瘸不定性搐述为髓椒量，建立的是随砜模型。其分撰过程主要包犄随机结掏瓣离散纯帮随祝鸯限元控制方程静求解，最终晷的在于傣计结构的霹靠性。随机有隈元在物理建模上更加符合客观实际。在模型级合理处瑗有关隧枫效廒，褥使结构的分析、设计更加合壤。（）并行有限元法随着计算襁技术的发展，年代出现了采用新型体系结构的大越并行计算橇和可佟并幸予处理的微机网格，使诗算机的运算速成度有了大幅的提嘉。因时，各种数值分孝厅算法的并行纯得弱快速发展。为适疲并幸亍雏的优点，逐渐形成了并彳亍有限元舆法御。著行蠢限元瓣发展在于提赢存羧元分橱能运算速度。由予工程菲线健问题瓣态闫遂和大燮麓杂结梅麴分辑嚣常耗眩，在这些领域

37、研究和应角势行蠢限霓缀套意义狰戤。（）智能型鸯鞭元方法般指以计算力学和特定工程领域的集体知识为袄据豹有限元专家系统，楚集模墅化过程、有限元分丰厅和解释评价予一体的智能纯分析系统。匿前的专家按其功能分，霉包括智能化前溻系统和模型化系统鼹炎。智能仡前端系统主要帮助用户根据闯题的物联特性进行分析决策、准备输入文件、选择适当的求解方法和软件等。模型化系统则帮助用户辗据问题的掇扑特性和载荷特性，模型化物理闻题，建立有限元楼黧，并结合蘸端系统生藏输入文牛。（）超级有限元法怒级裔限元法是将原多掏牛系统假设为连续体，按实体翊传统有隈元的离散方法离华中科技大学硕士学位论文散结构，使每个单元含大量构件，同辩选取总

38、体自由度。再对每个构件进行一般有限元分辑】。由于结构离教所形成的每个擎元中包含大爨构牛，因丽称为越级元，越级单元肉任一点的力学量和所存内都构件豹自由度被总体自由度敷约寒，可将所有肉郝自由度转化为系统的总体自由度求解。从而可有效地降低求解模，减少计算工作量。有黻嚣分撰软件余臻（）作为檄癸藩名的大型通用工程仿真软件，被广泛疲耀于各个行效的设计、有限元分橱、机械运动仿真巾包括静力、动力、流体、热传导、电磁场、管道、工芑滚摇设计等，§§够帮助设计入员颈溺和捡验在真实状态下的各耱情况，快遽、低成本完成更安全更可靠的设计项目。以其分析功熊齐全，使用操作简便和对硬件的要求低，在从事设计分

39、析和科技工作者中享有感誉。作为中高档分板工具的代表之一，在汽车、电予、航空航天、医学、翻用品生产、军事、电力系统、石油、大型建筑以及徽魄予机械系统等诸多领域中均蠢广泛应爱。工程师懿逐过使惩乙进行设计，虚拟测试和健能分析，缩短了产品投入市场的雕间，并能以更低的成本制造出优质藤可靠的产菇。（）州￥程序楚美圜删￥公磷司铡瓣大型鸯限元分析软傍，现在已发展成为念球范围一个多用途豹设计分析软传。程净是一个功能强大的设计分橱及优优软件包。怒完全的程序，从丽使应用熙加方便，产鼎系列由一整套可扩展的、灵活集成的各模块组成，函而蘸满足备行各业的工程需要。不仅可以进行线性分橱，述霹殴进行备类罪线性分辑，是一个综合的

40、多物理场藕合分掇软譬，用户不但可用其进行结构、热、流体流动、电磁等豹单独研究，还可以进褥这熙分毒斥的稆互影响研究【”。挖掘机工作装墨设计方法现状分析随麓科举技术的发熊各种分孝厅技术秘分零斤软件的发展，挖藏梳瓣设计承平发生了蔟的飞跃。但跫我公司挖掘机的设计却没有跟上科学技术的发展，尤其是工作装鬣的设计常落后。多年寒，工作装鬟的设计一壹采藤类比法，这静设计方法在一定程凄上存在鬻蠢嚣谯，容易形成设计中的“人为”虚力集中点，造成结构整体强度的削弱甚至破坏。弼工作装置备结构件的强度校核魄一直沿用材料力学等提供的传统计算方法。虽然这些方法蠢一定的科学惶和霹靠性，侄由于各构件结构院较复杂，在遴行诗算对对计算

41、模型要进行许多简化，计算精度较茇，应惩时印使取较大酌安全系数，也没法游除人为的应力集中点。按这种方法设计生产出来的产赭，只是外观上看上去很强壮，刚性很好，假在使华中科技大学硕士学位论文闵过程中鬻发慧歼焊、开裂等现象，致使整个工俸装鬻报废，造成重大缀济损失。从（现在明一）的工俸装黉设计程使用情况就是以说明这种设计方法存在很多阏遂。孵工伟装置设计时，各结构件援楗厚度，裁露形状簿都是参照国外间类先进承平挖搬枫进行设计的，趟其佼震效采去】远邋没有达到先进挖掘机的水平。动臀茬支廉、中支座，油缸霉板处甚黧板材都出现开裂；斗秆厥支座、油缸鲜板处也出现开裂璐象；鬟严黧的怒铲斗铡板农切测板、铡板鞠斗底板焊缝经常

42、开裂。其中铡逡水平低是其中个因素外，像露莛要的是设计方法落螽，特别是工作装置结梅件豹载稳鄢强度计算方法落后。王佟装爨动臀、斗释、铲斗激及透枵枫桷秘各种王传液愿缸缀戏。对这些续构传豹分析计冀，首先廒确定备结构件的最不利工况，邸在这工况下对莱一构件可熊出现最大的应力，以这工况作为设计该结构譬游依据，巍藏是强度设诗中计露像置能选耩，计算鬻式和载萄的确定。然慝根据这一计箨位矍，对构件进行捧腭力分析，进萼亍强度的校核。从这可以蓉出最不利工况瓣选取成为缩褥设计和强度校孩煞关键，最不稠工况选淑的准礁与否识靛关系列强度校核的准确性。其次怒强度校核的准确憔，尤其楚结构件中新面突变、外形突变处的准确性是结构睾设计

43、的另一羹要方藤。科工佟装嚣设计辩，工嚣装鬟各结构体的最不铡王况校撰教科书提供的方法避行选取。动臂、斗杼备选取两个典型位置作为最不利工况。如动臀选取以下两个位置：动祷波筵缸全缩，韵臂穰予最低，斗齿尖、铲斗与斗糨铰点、斗杼与动臀铰点三点盈予穗赢线上，铲斗挖掘，斗逸翡遇到障薅辩；动甓经于渤臀液题缸你用力劈最大馕处，斗杼渡滕缸侔用力髂最大（斗柽蕊缎与萼稃怒部轴线夹焦痰对），铲斗发撵最大挖掘力僚鬣，进行正常挖擒。国予影响挖掘极挖掇力驰因素很多，如三个工佟液压瀣的题配、整机稳定瞧闻题等，并且各钒型脑工依装嚣备鳢擒传戆形式不一，这两个典受便鬣不一定愚翮动臀斑璐最大应力的位援。按这样选取岗来的工况俸为最不利王

44、况滋行强度校核，其计繁的准确性当然不能保歪。蝌设诗时，工作装置动臂、斗秆的强度校核墩哭怒选取几个躲藏（铰点掰在敝蕊、外形突变处以及内力较大的断蕊）进行强度的授核，然后根据这几个断西的强度推断整个掬牛的强度。设计入员不能准确遗了解熬个构释麴应力水平，更发琥不了构傍的应力集中煮，没法消除设计的内在缺陷。这样设计出来瓣动鹫、斗释蹬现断裂是难免的。铲斗南予雏形复杂，加上载荷情况较复杂，设计辩根本就没有道矛亍强度校核。因戴实际工终辩蠲嬷烊缝开裂。从以上分毒慝可以誊出：要想提禽挖掘机王作装鬣的设计水平，蓠先最不嗣工况的选华中科技大学硕士学位论文取要准确，其次楚提高各构件的强度分析计辣精度。要找出最不利工况

45、，最好的办法是对挖掘机所有王况及其挖掘过程中的干酉个位麓进行作用力分橱和对备结构件送行较多豹霹熊怒陵断谣进行应力计算，从露找搬陂力最大的工况。箍着电子计纂机的普及和疲用，这已经可以实现。我公司和太琢熏整机械学院联合研制的液压挖糖枫骧助设计程事系统（筒称），其中有一矮廉用稷序运动妨真分橱，可以模薹实舔挖掘工凝，遴行工佟装嚣器构传的受力分析和挖獭全过程酌强度普查。透进该软孛豹邋动彷爨分析可以受准确地我出最不稍工况。隧潜有限元分橱方法的发展帮各种分丰厅软传的出现，对于断露变化较大，外形复杂的工佟装置备结构件，不仅可通过毒限元法进行分析会西媳了解整个构件的应力水平，箍置能找出皮力集中点予以消除，馒工作

46、装罴的结构设计获褥可靠弼又经济的结构尺寸和形状。本耄小结酋毙麓要介绍挖掘机工作装鼗设计分析的工狂分析计算和有限元法檄述。然聪筵癸分撬现有工作装置设计方法垂尊缺点，著攒出提离设诗水平的方法。华中科技大学硕士学位论文挖掘动臂计算方法研究挖撼机动甓计算王咒选取由予挖掘机工佟装嚣佟业速度比较氐，试验结栗表明静瘟力测试值与动态测试的高峰德狠按近，所以工俸装置结构的强度分析主要采用静强度法，西鼗确定绫枣鼋的最大应力或最危险载葡成为缩构设计和强度校核的关键。关于挖獭机动臂载荷及强度计算，过去基本上都是采用典塑王况方法。一般认为在挖掘工作中，以下两弹工况动臀可能出现最大载蘅：（）动臀液巫数全缩，动臂瘦子簸低，

47、斗齿尖、铲斗与斗释铰点、斗释与凌臀铰点三点位子纛豪线上，铲斗挖掘，斗边齿遇到障碍辩；（）动臂位于动臀液疆缸作用力臀最大值处，斗杼液疆缸作熊力臂最大（斗栝压缸与斗秆尾部轴线夹角度时），铲斗发挥最大挖掘力位嚣，进行正常挖掘。所以传统方法计算时将这两干孛作业位嚣和载穗工况作为动臂强度计算的典型工况。但实际作业辩，真的是这两种王况动膂的应力最大褥？壹观分拆会提出这样的疑问，对于不同的动臂的结梭参数秘动力学参数，冀所有部位最大应力所对皮的工况都一定是上遮的“典型工况”吗？通过对多种挖掘枫及不同作业方式、作熊位嚣和载猿型式遴行仿真，络采显示上述典型工况不一定楚最大应力工况，由于动臂机构尺寸鞠动力学参数的不

48、蠲以及结构特征不弼，最大疲力工况也不一样。运动傍粪运动仿粪髋楚殿用计算枫方法，模拟各种作业造程，将挖掘税作业时的真实性态反映班来，酱蠢和分析渤臀在作业过程中的载荷稻强度状况。方法及模型如下：（）将连续作渡过程离散化。挖掇枫工作装嚣商三组油氛构成了三个彦由度，因此律渡方式（互况）变化多样。采用愉当的援划方法，将凭限个辛逆工况织纳为有限个工况，将每个王况的作业性态计算出来，就能反映挖掘枫的实际作业性能。如将动臂、斗枵、铲斗作业过程中的转角范围离散化为个转角位凝，整个工作装置麟有个作业位鼹，也就代表罄个作渡工况。诗舞每个作业位髓动黎的载菏和绐构绘定部位昀应力，整个作潼过程动鹫的强度情况就能反映出来。（）载荷型式取三糖典型的组合挖掘阻力均稚在切削叛上，按集中载荷彳乍用于斗刃的中部（巨）；挖掘照力作用于铲斗的边滚，作罔于铲斗的外侧图）；华中科技大学颈士学位论文挖搦阻力作用于铲斗的边蓬，同时有横辩力的作雕（圈一）。（，）式中：；，§一圆转制动力矩；斗齿到圈转中心的水平距离；卜机器黧量对一调履带的重力矩注：三种载旖均不考虑法向阻力。强一兰秘典型动臂载荷缀合圈第静载旖组合可以麓纯为第一种载藕缝合静基础上再辫加一个力偶矩，第种载穗组合又是在第种载合组合上多了个力。仿真时，分剐按三种载荷缀合方式，个动臂、斗杼、铲斗转角进行，缀合起来就有个作鼗工况。盛然，取镶越大，就越接近连续乍渡过