基于proe的液压挖掘机铲斗结构优化设计

基于proe的液压挖掘机铲斗结构优化设计

0液压起重机结构的合理性液压机是一项重要的工程机械。广泛应用于经济和商业工程的各个部门和军事工程中。它有助于减少繁重的体力劳动，加快施工进度，提高工作效率。液压挖掘机铲斗是完成液压挖掘机各项作业任务的主要承载部件,其结构的合理性直接影响到液压挖掘机的工作性能。本文以WY100-C液压挖掘机的铲斗(斗容量为1m3)为研究对象,结合实际作业工况,应用工程设计中的有限元分析技术对工程中易发生磨损的铲斗进行强度分析,校验了WY100-C挖掘机铲斗设计是否满足强度要求,运用参数优化设计的方法对铲斗的结构进行改进,为挖掘机的设计提出了一种较为精确、简便、经济、省时的设计方法,具有较高的实际工程价值。1最关键的作业工况参考文献根据液压挖掘机工作几何状态和各种可能组合,对铲斗在所有作业工况及其挖掘过程中的各个位置进行作用力分析;对铲斗油缸工作时施加载荷及限制,包括铲斗油缸工作时的挖掘力、动臂油缸闭锁限制的挖掘力、斗杆油缸闭锁限制的挖掘力、整机稳定性限制的挖掘力;对铲斗油缸工作时施加载荷及限制,包括斗杆油缸工作时的挖掘力、动臂油缸限制时的挖掘力、铲斗油缸工作时的挖掘力、整机稳定性限制的挖掘;得到铲斗和斗杆油缸工作时实际发挥的挖掘力,确定最危险的作业工况。根据铲斗工作情况分析可以得出,铲斗受最大应力的危险工况发生在用铲斗油缸进行挖掘的时候,动臂位于最低(动臂油缸全缩),斗杆位于斗杆油缸作用力臂最大处(斗杆油缸与斗杆尾部轴线夹角为90°时),斗齿尖位于铲斗与斗杆铰点和斗杆与动臂铰点连线的延长线上,铲斗的具体受力数值为:水平受力为83074.6N,竖直受力为49656.6N,重力为9039.27N(重力加速度取9800mm/s-2)。2拉伸、阵列操作模型铲斗模型比较复杂,首先根据已知尺寸做出精确界面曲线,然后通过拉伸、阵列等一系列操作做出实体模型如图1所示。在Pro/E中进行WY100C挖掘机的铲斗三维实体造型时,为方便划分网格,将对结果不产生影响的结构忽略,对模型进行简化。3建立网格划分有限元强度分析的过程是:a.前处理,施加材料参数和载荷约束条件,进行网格划分。b.通过软件进行有限元分析计算。c.后处理模块,将计算结果以彩色等值线、梯度、矢量等形式显示,也可以图表、曲线形式显示或输出。3.1材料的性能分析WY100C铲斗两侧板采用材料的是20CrMnMo,其它部分用16Mn材料,采用20CrMnMo主要是为了耐磨和抗疲劳,以往经验可知危险位置不在侧壁,分析时整体采用16Mn,20CrMnMo各项性能均优于16Mn,所以这样不但不影响分析的结果,还简化了分析过程。材料参数如表1所示。3.2挖掘机构的网格划分有限元分析很重要的一步就是对模型进行有限元网格划分。进入Pro/Mechanica模块,建立挖掘机铲斗的有限元网格模型,其中包括:单元类型、材料属性,选用四面体单元进行网格划分。从运算时间和精度上考虑,以网格全局单元尺寸最大175mm、最小5mm进行自动网格划分,从而生成铲斗的有限元网格模型。8021实体单元如图2所示。3.3挖掘力与侧向力的强度根据Pro/Mechanica模块分析可知,以挖掘机铲斗最大受力状态作为强度分析工况,即假设铲斗的4个销孔固定。挖掘机铲斗主要承受的力是挖掘力水平分力与竖直分力的合力、侧向力和重力,侧向力对铲斗的受力状态影响不大,在这里忽略不计。对铲斗施加的约束和载荷,建立铲斗的有限元分析模型如图3所示。3.4解算和计算结果完成了有限元分析的一系列前处理工作,准备模型、添加载荷、指定边界条件和划分网格之后进行解算,计算结果如表2所示。为了更加直观形象地将铲斗的强度分析结果表示出来,通过Pro/Mechanica分析模块的后处理程序,绘制出铲斗强度分析的应力如图4所示,位移如图5所示。3.5需求的设计强度校核强度校核条件:[σ]=σlim/[S]>σcamax铲斗经有限元强度分析的应力结果如下:σcamax=222.9N/mm2<[σ]=243.13N/mm2从强度校核计算可知:[σ]>σcamax,铲斗具有足够的设计强度。铲斗的变形很小,最大位移量为5.7889mm。由图4可知,铲斗后壁耳板和侧壁受到的应力相对较小,可以通过结构优化来减小厚度,从而减轻铲斗重量,节省材料。4基于应力的机构结构优化模块挖掘机铲斗的结构优化设计,是利用Pro/Mechanica模块直接调用建模参数的优化功能,对铲斗满足最大应力小于许用应力的约束条件下进行结构优化。Pro/Mechanica模块具有强大的设计计算功能,使优化设计更为方便,缩短了设计计算的时间。4.1目标函数和约束条件在Pro/Mechanica模块中创建优化设计参数如图6所示,然后点击模型,则模型上的尺寸都显示出来,从中选择需要优化的尺寸,设后壁耳板的厚度为z1,变化范围20～40mm,侧壁后部为z2,变化范围为15～30mm,侧壁前部为z3,变化范围为5～20mm。确定目标函数为质量最小;约束条件设为最大应力小于243MPa,输入设计变量的范围,设定初值:z1为30mm,z2为24mm,z3为10mm;优化最大迭代间隔为5;其它选项接受默认值。4.2基于自动系统升级的分析根据物理内存的大小为运行分配内存,点击运行按钮,Pro/Mechanica开始自动对模型进行分析优化。如表3所示。对升级后的模型进行强度分析,铲斗强度分析的应力和位移分别如图7,图8所示。由图7,图8可知,优化后的铲斗内部最大应力不超过最大许用应力(243MPa),最大位移量(5.93mm)也完全满足设计要求。5提高扩大拉拔剂和内壁面的厚度,减轻了扩大机构的质量a.应用Pro/Mechanica模块对铲斗在满足最大应力小于许用应力的约束条件下进行结构优化,减薄了后壁耳板和侧壁的厚度,从而减轻了铲斗的质量(质量由优化前的0.92237t减小到0.90497t),节省了材料。b.升级后的模型最大应力仍然出现在铲斗后壁耳板的根部,需要在铲斗后壁增加筋板,以此来化解应力集中,提高铲斗抗偏载、抗超载的能力。c.挖掘机的工作装置在挖掘过程中具有柔性,可以缓解力的作用,设备实际更为安全。6新型铁盘盘挖掘的设计强度分析利用Pro/Mechanica模块对挖掘机铲斗的实体模型,在受力最大的