第四章有限元分析

河北工程大学毕业设计（论文）PAGEPAGE36第四章反铲工作装置有限元分析4.1有限元理论4.1.1有限元法是一种可以获得工程问题近似解的数值计算方法，它与经典的弹性力学解析法不同。尽管对于简单结构，弹性力学可以获得解析解，但对大多数工程实际问题来说，由于结构几何形状不规则、载荷复杂等原因，求解析解往往是很困难的，有时甚至是不可能的。而有限元法运用离散化的概念，把具有无限个自由度的连续体理想化为有限个自由度的单元集合体，从单元分析入手，找出单元内的位移、应变、应力以及结点对单元的作用力与单元结点位移的关系，建立每个单元的刚度方程，然后进行结构的整体分析，即组集联系整个结构的结点位移与结点载荷的总刚度方程。由于总刚度方程是包含有限个未知结点位移分量或结点力的线性代数方程组，可以利用计算机来求解。最后根据所求得的各单元结点位移或结点力，利用单元分析得到的关系，就可求出各单元内的应力、应变和位移。综上所述，连续体的有限单元离散化、单元分析、整体分析，是有限元分析的三个主要步骤。由于WZ30-25液压挖掘装载机工作装置各构件主要由高强度钢板件焊接而成，故本次计算采用了空间板壳单元。因此，这里简述一下板壳单元。4.1.2薄板弯曲问题：在工程中，把高度远小于底面尺寸的棱柱体，称为平板或板。设a为板面内的最小尺寸，则当厚度h≤a/5时，就称为薄板。研究厚度h等于常量的等厚度薄板时，以平分板厚的中面作为坐标面XY，以任意一根垂直于中面的直线为Z轴，建立右手坐标系。薄板的变形与载荷的作用方式有关。若受到平行于板面且沿板厚均布的载荷的作用时，就是平面应力问题，若受到垂直于板面的横向载荷作用时，就是薄板弯曲问题。在横向载荷作用下，薄板发生弯曲变形，中面变成曲面。在弹性变形范围内，变弯曲了的中面称为弹性曲面。由于薄板弯曲变形而使中面内各点在Z轴方向上发生的线位移称为板的挠度。当挠度远小于薄板厚度时，属于薄板弯曲的小挠度问题。薄板小挠度问题的研究方法和材料力学中直梁纯弯曲问题的研究方法相似，也采用了由实验观察中提出来的一些附加的计算假设，使问题得到很大的简化，而其分析结果又能被实验所证实。这些假设是：1)直线法假设：变形前薄板的中面法线在变形后仍然是弹性曲面的法线。2)假设薄板中应力分量和应变分量可略去不计。也就是假设薄板内在平行于中面的各平面之间无挤压力作用，并忽略厚度的变化。这相当于纯弯曲梁中各纵向纤维之间无挤压作用的假设。3)假设薄板变形后，中面内各点没有平行于板面的位移，也就是没有中而内的应变。这相当于假设中面是一个只发生弯曲形而不发生伸缩的中性层。(三个应变都在板面之内,垂直板面无应变)4.1.31.强度理论(研究材料破坏的规律)材料破坏的两种类型。脆性断裂：没有明显的塑性变形情况下发生突然断裂。塑性屈服:产生明显的塑性变形,而使构件丧失正常的工作能力。2.屈服准则：对单向受拉试件，我们可以通过简单的比较轴向应力与材料的屈服应力来决定是否有塑性变形发生，然而，对于一般的应力状态，是否到达屈服点并不是明显的。屈服准则是一个可以用来与单轴测试的屈服应力相比较的应力状态的标量表示。因此，知道了应力状态和屈服准则，程序就能确定是否有塑性应变产生。屈服准则的值有时候也叫作等效应力，一个通用的屈服准则是VonMises屈服准则，当等效应力超过材料的屈服应力时，将会发生塑性变形。可以在主应力空间中画出Mises屈服准则,在3－D中，屈服面是一个以为轴的圆柱面，在2－D中，屈服面是一个椭圆，在屈服面内部的任何应力状态，都是弹性的，屈服面外部的任何应力状态都会引起屈服。Mises屈服准则是一种除了土壤和脆性材料外典型使用的屈服准则。3.形状改变能密度理论的相当应力VonMises应力4.2反铲工作装置各主要部件的受力分析液压挖掘机在工程机械行业发展很快，其技术含量较高，对结构件的要求很高。结构件的工作稳定性直接决定整机的工作时间和效率。因此合理设计工作装置的几何尺寸，对其进行抗弯、疲劳强度校核有很大的实际意义。工作装置包括动臂、斗杆、铲斗、连杆。4.2.1如图4-2所示，由上盖板、下盖板、左侧板、右侧板焊接而成的箱形结构。上、下盖板均由前、后两块板拼焊而成，每块板都采用厚度为8m的Q235接形式为“45度斜线”焊缝。左、右侧板分别由前、中、后三块钢板拼焊而成。前、后板都采用厚度为8m的Q235钢板，中侧板采用厚度为10m的Q235钢板。侧板间的焊接形式为斜线焊缝。动臂与转台、斗杆联接的轴座均用Q235材料铸造而成；与动臂油缸联接的轴座也是用Q235材料铸造而成，在轴座四周焊有两块筋板以提高强度。上述轴座分别与箱形框架焊接成为动臂。图4-1反铲装置简图图4-2动臂结构图工作装置与挖掘机回转机架连接的关键部件(参见图4-1)，其工作原理依靠P处油缸来调节动臂以P为定点的上下运动；通过P处油缸来调节以P处为定点的斗杆的上下运动；因此，动臂在工作状况下受力较复杂，除P处油缸座为拉伸压缩交变力外，P,P,P处受力均为拉压剪切复合应力作用，其力的方向均以三处孔心为圆心的放射状分布。对整体构件，在动臂的不同工作状况下其内部应力场的分布在不断变化。其最大受力状态及危险工作状态均出现在铲斗挖掘时(即产生最大挖掘阻力)。通过动臂应力分布图可看出其危险截面的存在位置在动臂后部接近处，发生断裂方式主要为剪切弯断。4.2.2如图4－3所示，板、下盖板、左侧板、右侧板各一块焊接而成的箱形结构.每块板均是厚度为8m的Q235钢板。与动臂联接的轴座采用Q235材料铸造而成，在圆周上焊有两块筋板以提高强度。与铲斗、连杆联接的轴座均由35钢管加工而成。在框架的不同位置还焊有四块筋板以提高强度。斗杆为动臂与铲斗中间连接部件，是铲斗在工作时的主要实现部件，其结构形式与动臂相比，前后端跨度较小，但安装孔位较多。如图所示，P处与动臂连接，P处与动臂P处通过油缸连接，P处通过油缸同连杆连接，P为连接铲斗处。连杆与铲斗、斗杆形成4点四边形，通过P处油缸的伸缩来完成铲斗挖掘。其最大受力状态同样为铲斗产生最大挖掘阻力时，P处所受拉伸力和P处部件所受剪切力。而P和P处均受平行压力或斜压力作用。因而其构件发生断裂破坏在P、P处，P处部件为剪切破坏，P处为拉伸破坏，最终表现为疲劳断裂。图4-3斗杆结构图4.2.3铲斗为易损件，其在工作装置中的受力较简单，前后支座交替受压、拉应力作用，主体在挖掘时磨损破坏为主要破坏形式，故在此不再分析其断裂破坏方式的原因。4.3不同工况下姿态的选取4.3.1图4-4有限元工况I当工作装置处于最大挖掘深度，铲斗机构以最大挖掘力作业，如图4-4示，此时斗杆油缸和铲斗油缸全缩，动臂位于最低，动臂油缸作用力臂最短，斗齿尖在铲斗与斗杆铰点和斗杆与动臀铰点延长线上。斗杆油缸和动臂油缸闭锁，该位置也是校核动臂油缸闭锁力及整机稳定性的重要位置。由ADAMS原样机仿真研究得到，动臂油缸闭锁力1.65E+05N，斗杆油缸闭锁力1.017E+05N,铲斗油缸作用力4.35E+04N,显然动臂的结构强度应当重点研究。1..动臂上作用的载荷：工作部件的重量，动臂油缸闭锁力,斗杆油缸的闭锁力。2.边界条件：对动臂与转台铰接处的UX,UY,UZ,ROTX,ROTY，释放Z方向的旋转约束（ROTZ），用以模拟铰接约束。3.最大VonMises应力出现在动臂与转台铰接处，数值为191.5N/mm，如图4-7所示，工作装置的应力没有超出极限应力的范围，设计是安全的。但是在该点发生应力集中并接近屈服极限的情况，说明该点受力已到极限状态，如果受到较大冲击载荷，可能发生断裂和屈服破坏，要注意此位置的结构及制造工艺。(Q235屈服极限为235N/mm)。4.3.2图4-5有限元工况II反铲装置的斗杆(尤以标准和加长斗杆)强度主要为弯矩所控制，故共计算位置可根据反铲工作中挖掘阻力对斗杆可能产生的最大弯矩来确定。根据斗杆工作情况的分析印试验说明，斗杆危险断面最大应力发生在采用铲斗挖掘的工况下。如图4-5示，动臂位于最低(动臂液压缸全伸)；斗杆液压缸作用力臂最大，斗齿尖位于铲斗与斗杆铰点和斗秆与动臂铰点连线的延长线上，注意有侧齿遇障碍作用有横向力。铲斗机构以最大挖掘力作业，动臂位于最低，动臂油缸作用力臂最短，斗齿尖在铲斗与斗杆铰点和斗杆与动臀铰点延长线上。斗杆油缸和动臂油缸闭锁，该位置也是校核动臂油缸闭锁力的重要位置。由ADAMS原样机仿真研究得到，动臂油缸闭锁力1.65E+05N，斗杆油缸闭锁力8.58E+04N,铲斗油缸作用力4.97E+04N,显然斗杆与动臂的结构都应当作强度分析。1.对反铲装置作用的载荷：各个工作部件的重量，铲斗最大挖掘阻力。2.边界条件：对动臂与转台铰接处的UX,UY,UZ,ROTX,ROTY，释放Z方向的旋转约束（ROTZ），用以模拟铰接约束。3.如图4-8所示，动臂上最大VonMises应力出现与动臂油缸铰接处，数值为117.6N/mm，最大应力小于极限应力，设计是安全的。如图5-9所示，斗杆上最大VonMises应力出现在与动臂铰接处及不同板厚焊接处，但最大应力96N/mm小于极限应力，设计是安全的。只是要注意焊接不同厚度板单元时焊缝处的工艺处理。(Q235屈服极限为235N/mm,35号钢的屈服极限315N/mm)。4.3.3图4-6有限元工况III如图4-6所示，动臂位于动臂液压缸最大作用力臂处；斗杆位于斗杆液压缸最大作力臂处，斗齿尖位于铲斗与斗杆铰点和斗秆与动臂铰点连线的延长线上，正常挖掘，即挖掘阻力对称于铲斗，无侧向力作用，铲斗机构以最大挖掘力作业。斗杆油缸和动臂油缸闭锁，该位置也是校核斗杆油缸闭锁力和动臂油缸闭锁力的重要位置。由ADAMS原样机仿真研究得到，动臂油缸闭锁力1.69E+05N，斗杆油缸闭锁力1.37E+05N,铲斗油缸作用力8.62E+04N,显然斗杆与动臂的结构都应当作强度分析。1.对反铲装置作用的载荷：各个工作部件的重量，铲斗最大挖掘阻力。2.边界条件：对动臂与转台铰接处的UX,UY,UZ,ROTX,ROTY，释放Z方向的旋转约束（ROTZ），用以模拟铰接约束。3.如图4-10所示，动臂上的最大VonMises应力出现在与转台铰接处，数值为232.6N/mm最大应力接近许用应力，设计不安全。如图4-11所示，斗杆上的最大VonMises应力出现在与动臂铰接处及不同板厚焊接处，数值为186N/mm，但最大应力小于屈服极限，设计是安全的，只是要注意焊接不同厚度板单元时焊缝处的工艺处理。(Q235屈服极限为235N/mm,35号钢的屈服极限315N/mm)4.4挖掘装载机生产中所采用的最新工艺材料目前几大国际著名挖掘机生产企业，在制造水平上有了进一步提高，新结构、新材料、新工艺广泛应用，大大提高了产品质量、使用寿命和可靠性。主要有以下几方面:1、强化树脂止推片—接触面的耐磨性优于传统的不锈钢止推片，具有防止出现噪音的效果；2、WC（碳化钨）溶射—斗杆前端与铲斗连接部分的接触面溶射WC，在部件表面形成硬质膜，大大减少了接触面的磨损；3、新型日N衬套—在传统的日N衬套内表面加开了油脂槽，提高了油脂保持量，使加油间隔延长到500小时；4.5有限元计算小结本文首先利用ADAMS的后处理测量功能，确定了三组油缸施力于动臂和斗杆上的作用力的大小和方向，然后再利用美国公司推出的ALGOR有限元分析软件，对动臂进行实体建模，网格划分，加载和求解以及后处理，绘出了动臂和斗杆的应力图，从图上可明显地看出最大应力作用位置及最大应力的大小，据此可合理布置横隔板及肋板以增加抗扭刚度及侧板的稳定性，避免在内力较大的断面附近拼接钢板，以免应力集中和削弱结构强度，并注意对结构薄弱部分作适当的加强处理。完成了对动臂和斗杆的强度分析，并对WZ30-25液压挖掘装载机的强度进行校核，证明其原始设计尺寸和横断面形状变化合理。通过以