挖掘機動臂有限元分析與優(yōu)化設(shè)計論文

1、 .PAGE56 / NUMPAGES64 .碩士學(xué)位論文 挖掘機動臂有限元分析與優(yōu)化設(shè)計摘要工作裝置是液壓挖掘機的重要部件，對挖掘機性能有著十分重要的影晌。國外 工程機械企業(yè)都十分重視工作裝置的設(shè)計。要使工作裝置的結(jié)構(gòu)件設(shè)計得到比較可靠 而又經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)尺寸和形狀，就必須采用先進(jìn)的設(shè)計手段。而借助計算機硬件和軟件 技術(shù)用是實現(xiàn)設(shè)計優(yōu)化的重要途徑。本文首先分析了挖掘機的市場需求和技術(shù)現(xiàn)狀，提出了提高挖掘機產(chǎn)品質(zhì)量的重 要性和意義。通過挖掘機工作裝置設(shè)計的分析技術(shù)介紹，針對挖掘機動臂設(shè)計存在問 題，引出了挖掘機工程分析的有關(guān)理論，闡述了運動仿真和有限元分析的方法和步驟。本文提出了運動仿真的方法，在

2、不同工況和載荷組合下對動臂指定部位進(jìn)行應(yīng)力 普查分析，然后根據(jù)分析結(jié)果，從中選出對結(jié)構(gòu)強度影響最大的工況和載荷，作為下 一步有限元分析的工況和載荷。并根據(jù)有限元分析結(jié)果對動臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。然 后以CLG806動臂為例，闡述了在設(shè)計過程中，如何利用有限元方法分析動臂的應(yīng)力分 布、發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題并與時解決，成功地對其動臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而縮短設(shè) 計、研發(fā)時間，降低設(shè)計過程中對物理樣機的依賴程度，降低開發(fā)成本。并將有限元 方法推廣運用到其它老產(chǎn)品動臂設(shè)計改進(jìn)與新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件設(shè)計優(yōu)化中去，從而提高產(chǎn) 品結(jié)構(gòu)件的可靠性，取得了良好的運用效果，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益和社會價關(guān)鍵詞：挖掘機動臂仿

3、真有限元優(yōu)化設(shè)計AbstractWorking equipment is the key component of the hydraulic excavator, it plays a great influence on excavators performance. And the importance of its design has raised by the domestic and abroad construction machinery enterprises. So advanced technologies must be applied to design the d

4、evice which make its structure dimensions and shape be reliable and economical. And aiding by the computer hardware and software technologies is the most important way to realize the design optimization.Firstly, this thesis analyzes the market demand for excavators and gives the importance and meani

5、ngs on improving excavator manufacturing quality. With introduction to the analysis of excavator working devices design, the problems companying with the boom design is presented and the theory of excavator engineering analysis is discussed. And then the methods and steps using movement simulation a

6、nd finite element analysis are well elaborated.A new computer simulation method is figured out in this thesis. With the simulation, general stress on the appoint position of boom which various operating status and loads is put on are investigated, and the corresponding operating status and loads wil

7、l be use for Finite Element Analysis in next phrase. And then the optimization design for the structure of boom is took place according to the Finite Element Analysis9s result.The boom of CLG806 excavator is took as example. With the analysis of the stress distribution using Finite Element Analysis,

8、 the problems during design phrase are found and then the boom structure is succeeded to optimize. By this application, the RD time is shortened，the cost is saved and the dependence to the prototype is reduced. With the method which optimize design using the Finite Element Analysis is greatly promot

9、ed into the development of new products and the evolvement of the old products，the reliable of products structure is raised, and considerable economical values is gained.Keywords: Excavator Boom Simulation Finite Element Design Optimization獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作與取 得的研究成果。盡我所知，除文中己標(biāo)明引用的容

10、外，本論文不包含任何其他 人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻(xiàn)的個人和集體， 均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名:日期：2006年4月日學(xué)位論文使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有 權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和 借閱。本人授權(quán)華中科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分容編入有關(guān)數(shù)據(jù) 庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。,在年解密后適用本授權(quán)書。 本論文屬于Z 不isT(請在以上方框打“V”）學(xué)位論文作者簽名：指導(dǎo)教

11、師簽名;日期：2006年i月日緒論文論位學(xué)士碩學(xué)大科中華1.1前言近年來國家基本建設(shè)的加速發(fā)展，工程機械市場火爆，為工程機械生產(chǎn)商提供了發(fā) 展的機遇。挖掘機是工程機械中的一個主要機種，是土石方施工工程中的主要機械設(shè)備 之一，在國民經(jīng)濟建設(shè)的許多行業(yè)里被廣泛采用，如在工業(yè)與民用建筑、交通運輸、水 利電力工程、農(nóng)田改造、礦山采掘以與現(xiàn)代化軍事工程等行業(yè)的機械化施工中。特別是 最近幾年來，挖掘機是整個工程機械行業(yè)中產(chǎn)、銷量增長最快的一個機種。隨著國民經(jīng) 濟的高速發(fā)展，挖掘機在各種工程建設(shè)領(lǐng)域，特別是在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中起的作用越來越 明顯，挖掘機作為一種快速、高效的施工作業(yè)機械愈來愈被人們所接受。據(jù)統(tǒng)計

12、，工程 施工中約有60%以上的土石方量是靠挖掘機來完成的，在國家基本建設(shè)中發(fā)揮著其他工 程機械產(chǎn)品所不能替代的作用，其國市場迅猛增長，2002年銷量達(dá)19710臺，年增長 率約為59/。2003年猛增到32862臺，年增長率約為66%。但是，其中，國外合資企業(yè)的 市場占有率在8590%;而國企業(yè)的市場占有率僅占1015%。市場占有率如此之大的 合資企業(yè)與外資企業(yè)，給國挖掘機企業(yè)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如何提高國企業(yè)挖掘機 的市場占有率，成為當(dāng)今國所有挖掘機企業(yè)的首要任務(wù)。1.2國挖掘機的發(fā)展?fàn)顩r和柳工挖掘機現(xiàn)狀從20世紀(jì)60年代起，液壓挖掘機進(jìn)入推廣和蓬勃發(fā)展階段，各國挖掘機制造廠和 品種增加很快，

13、產(chǎn)量猛增。早在七十年代末期，中國開始研究挖掘機，1978年至1986 年期間國液壓挖掘機平均年產(chǎn)量為1230臺，1987年至1993年期間國挖掘機平均 年產(chǎn)量為2000臺，從1994年開始逐年的產(chǎn)量提高見下表1-1:表1-1中國工程機械挖掘機逐年產(chǎn)量情況調(diào)查表年份1994199519961997199819992000200120022003年銷量2141236322343293423859887926123971971032862增長率（)10-4-5.547,428.74h232.456.46059,066.7從表1-1可以看出：中國的挖掘機年產(chǎn)量1996年開始進(jìn)入一個較快的發(fā)展時期， 年

14、增長由小于10%跨越為大于20%; 2000年以后又實現(xiàn)了一個新的跨越，即由原來的 年增長小于40%,實現(xiàn)了年增長大于50%;在統(tǒng)計數(shù)據(jù)中看，10年的時間翻了近四番。 國挖掘機市場的迅猛增長，與我國的西部開發(fā)戰(zhàn)略，如西氣東送，南水北調(diào)工程，高速公路的快速建設(shè)等國家重點建設(shè)項目息息相關(guān) 而年產(chǎn)量的提高，又與國外著名 工程機械公司紛紛在中國創(chuàng)建合資企業(yè)密切相關(guān),這些著名的企業(yè)有：卡特（美國）、 神鋼（日本)、現(xiàn)代（國）、日立（日本)、小松山推（日本)、斗山 (國）；國生產(chǎn)的公司有：柳工、黃工、三一重工、宣工、臨工、玉柴、山河智能 與南特為代表的國企業(yè)但國外合資企業(yè)的市場占有率在8590%;而國企業(yè)

15、的市 場占有率僅占1015%;國企業(yè)為什么市場占有率如此之低，不能在挖掘機的市場競 爭中與合資或獨資企業(yè)相提并論，究其原因國企業(yè)大部分進(jìn)入這個彳寧業(yè)的時間較晚， 起點也較低，技術(shù)研發(fā)能力與國外有一定的差距4；多數(shù)是在生產(chǎn)裝載機技術(shù)的基礎(chǔ)上 來生產(chǎn)挖掘機的，導(dǎo)致技術(shù)落后，與合資企業(yè)的差距較大，具體表現(xiàn)在產(chǎn)品的可靠性方 面，特別是工作裝置結(jié)構(gòu)件的可靠性方面，如動臂的斷裂、斗桿的斷裂、鏟斗的開裂等 成為制約國產(chǎn)企業(yè)提高知名度和市場占有率的最大障礙。因此，解決挖掘機結(jié)構(gòu)件的可 靠性，成為提高國產(chǎn)挖掘機設(shè)計制造水平的首要問題。文論位學(xué)士碩學(xué)大技科中華柳工從1992年生產(chǎn)第一臺挖掘，至今已有十余年的歷史，

16、盡管挖掘機市場從最初 的幾百臺增加到現(xiàn)在的幾萬臺，但柳工的產(chǎn)銷量卻一直沒有突破1000臺，究其原因是 產(chǎn)品的可靠性低，用戶的認(rèn)可度低。近年來，柳工高層意識到，面對強大的國際競爭對手，柳工必須以全新的觀念來對 待挖掘機。零部件不但尋求專業(yè)配套，而且從單一國配套轉(zhuǎn)向國際協(xié)作的設(shè)計思想上 來?？得魉拱l(fā)動機，日本東芝閥、川崎泵、帝人行走馬達(dá)、KYB的液壓油缸等高品質(zhì)配 套，都使產(chǎn)品的性能與可靠性均有大幅度的提高。但是，自制結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量與可靠性不高卻嚴(yán)重制約了整機水平的提高。尤其以工作 裝置結(jié)構(gòu)件表現(xiàn)得最為突出，與先進(jìn)的配套件形成極大的反差，嚴(yán)重地影響了柳工產(chǎn)品 的市場形象與柳工品牌的建設(shè)，同時也大大增

17、加了產(chǎn)品的售后服務(wù)的成本。究其原因主要是挖掘機技術(shù)研發(fā)能力較低，設(shè)計技術(shù)水平落后，設(shè)計主要采取類 比試湊等傳統(tǒng)方法。這種低水平的設(shè)計方法存在著很多問題，其中最主要的是工作裝 置結(jié)構(gòu)件強度等方面的問題。因為類比試湊法在一定程度上存在盲目性，容易形成 設(shè)計中的“人為”應(yīng)力集中點，造成機構(gòu)整體強度的削弱甚至破壞。按這種設(shè)計生產(chǎn)出 的產(chǎn)品，外觀上看上去很強壯，剛性很好，但卻存在潛在或在的設(shè)計缺陷5，使用過 程中常因工作裝置結(jié)構(gòu)強度等原因產(chǎn)生幵裂，甚至斷裂，致使整個構(gòu)件報廢，造成重大 經(jīng)濟損失。隨著國際化的步伐越來越快和國外配套市場的開放，給國挖掘機提供了前所未有 的機遇，柳工高層也意識到柳工要在競爭中

18、處于有利地位，就必須不斷地開發(fā)新產(chǎn)品， 以最快速度占領(lǐng)市場來滿足客戶的需要。傳統(tǒng)的設(shè)計方法和設(shè)計體制很難適應(yīng)現(xiàn)代化生 產(chǎn)的需要，企業(yè)必須利用各種計算機設(shè)計軟件和分析軟件來提高產(chǎn)品設(shè)計能力6，縮短 產(chǎn)品研制周期，提髙產(chǎn)品性能，改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，提高企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力和技術(shù)實力7。1.3挖掘機工作特點和工作裝置設(shè)計要求單斗液壓挖掘機的特點單斗液壓挖掘機是裝有一只鏟斗并采用液壓傳動進(jìn)行挖掘作業(yè)的機械它是目前挖 掘機中重要的機種8。單斗液壓挖掘機的作業(yè)過程是以鏟斗（一般裝有斗齒）的切削刃切削土壤并裝入斗 ，斗裝滿后提升，回轉(zhuǎn)至卸土位置進(jìn)行卸土，卸空后鏟斗再轉(zhuǎn)回并下降到挖掘面進(jìn)行 下一次挖掘。當(dāng)挖掘機挖完一

19、段土后，機械移動一段距離，以便繼續(xù)作業(yè)。因此單斗液 壓挖掘機是一種周期作業(yè)的自行式土方機械9。每一作業(yè)循環(huán)包括挖掘、回轉(zhuǎn)、卸料和 返回等四個過程。挖掘時先將鏟斗向前伸出，動臂帶著鏟斗落在工作面上，然后鏟斗向 著挖掘機方向拉轉(zhuǎn)，鏟斗在工作面上挖出一條弧形挖掘帶并裝滿土壤。隨后將鏟斗連同 動臂一起升起，上部轉(zhuǎn)臺帶動鏟斗總成與動臂回轉(zhuǎn)到卸土處。將鏟斗向前推出，使斗口 朝下進(jìn)行卸土。卸土后將動臂與鏟斗回轉(zhuǎn)并下放至工作面，準(zhǔn)備下一循環(huán)的挖掘作業(yè)u單斗液壓挖掘機的基本組成單斗液壓挖掘機為實現(xiàn)周期性作業(yè)的要求，設(shè)有下列基本組成部分：工作裝置、回 轉(zhuǎn)裝置、動力裝置、傳動操縱機構(gòu)，行走裝置和輔助設(shè)備等。挖掘機的

20、基本性能決定于 各組成部分的構(gòu)造、性能與其綜合的效果。常見挖掘作業(yè)方式反鏟挖掘機的基本作業(yè)方式有溝端挖掘、溝側(cè)挖掘、直線挖掘、曲線挖掘、保持一 定角度挖掘、超深溝挖掘和溝坡挖掘等1()。溝端挖掘挖掘機從溝槽的一端開始挖掘，然后沿溝槽的中心線倒退挖掘，自卸車停在溝槽一 側(cè)，挖掘機動臂與鏟斗回轉(zhuǎn)40。-45即可卸料。如果溝寬為挖掘機最大回轉(zhuǎn)半徑的兩倍時, 自卸車只能停在挖掘機的側(cè)面，動臂與鏟斗要回轉(zhuǎn)90。方可卸料。若挖掘的溝槽較寬，可 分段挖掘，待挖掘到盡頭時調(diào)頭挖掘毗鄰邦的一段。分段開挖的每段挖掘?qū)挾炔灰诉^大, 以自卸車能在溝槽一側(cè)行駛為原則，這樣可減少作業(yè)循環(huán)的時間，提高作業(yè)效率。溝側(cè)挖掘溝側(cè)

21、挖掘與溝端挖掘不同的是，自卸車停在溝槽端部，挖掘機停在溝槽一側(cè)，動臂 與鏟斗回轉(zhuǎn)小于90可卸料。溝側(cè)挖掘的作業(yè)循環(huán)時間短、效率高，但挖掘機始終沿溝 側(cè)行駛，因此挖掘過的溝邊坡較大。直線挖掘文論位學(xué)士碩學(xué)大技科中華當(dāng)溝槽寬度與鏟斗寬度一樣時，可將挖掘機置于溝槽的中心線上，從正面進(jìn)行直線 挖掘。挖到所要求的深度后再后退挖掘，直至挖完全部長度。利用這種挖掘方法挖掘淺 溝槽時挖掘機移動的速度較快，反之則較慢，但都能很好地使溝槽底部挖得符合要求。曲線挖掘挖掘曲線溝槽時可用短的直線挖掘相繼連接而成。為使溝廓有圓滑的曲線，需要將 挖掘機中心線稍微向外偏斜，同時挖掘機緩慢地向后移動。保持一定角度的挖掘保持一定

22、角度的挖掘方法通常用于鋪設(shè)管道的溝槽挖掘，多數(shù)情況下挖掘機與直線 溝槽保持一定的角度，而曲線部分很小。超深溝挖掘當(dāng)需要挖掘面積很大、深度也很大的溝槽時，可采用分層挖掘方法或正、反鏟雙機 聯(lián)合作業(yè)。溝坡挖掘挖掘溝坡時將挖掘機位于溝槽-側(cè)，最好用可調(diào)的加長斗桿進(jìn)行挖掘，這樣可以使 挖出的溝坡不需要作任何修整。1.3.4.工作裝置的工作原理和基本組成工作裝置采用連桿機構(gòu)原理，各部分的運動通過液壓缸的伸縮來實現(xiàn)。液壓挖掘機最普遍使用的是反鏟工作裝置。它由動臂、斗桿、鏟斗、動臂液壓缸、 斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸、連桿、搖 桿等組成（如圖1-1)。各部件之間的 聯(lián)系全部釆用鉸接u。動臂下鉸點鉸 接在轉(zhuǎn)臺上，

23、并以動臂缸來支承，通 過動臂缸的伸縮，使動臂連同整個工 作裝置繞下鉸點轉(zhuǎn)動。斗桿鉸接于動 臂上端，斗桿與動臂的相對位置由斗 桿缸控制，當(dāng)斗桿缸伸縮時，斗桿可 以繞動臂上鉸點轉(zhuǎn)動。鏟斗與斗桿前 端鉸接，通過鏟斗缸伸縮使鏟斗繞斗 桿前鉸點轉(zhuǎn)動圖1-1工作裝置結(jié)構(gòu)圖文論位學(xué)士碩學(xué)大技科中華13.S.工作裝置的設(shè)計要求挖掘機工作裝置的可靠性對整機性能影晌很大n3L挖掘機在工作過程中，其工作回 轉(zhuǎn)中心是沿著履帶行走機構(gòu)的回轉(zhuǎn)中心進(jìn)行工作的，其工作的穩(wěn)定性取決于動臂、動臂 油缸、斗桿油缸、斗桿、翻斗油缸、鏟斗等組合成的懸臂組件的重量若這部分的組 件較重，雖滿足了結(jié)構(gòu)強度剩余的需求，但回轉(zhuǎn)貫性對回轉(zhuǎn)機構(gòu)的可

24、靠性的影晌也是不 言而喻的，工作裝置重量過大會使其工作能力下降，故為了滿足其工作能力最大限度的 發(fā)揮，就應(yīng)該考慮到在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計強度的前提下，盡量減輕這部分懸臂組件的結(jié)構(gòu)設(shè) 計重量、減薄其板件板厚。所以如何使這部分結(jié)構(gòu)件的設(shè)計達(dá)到最經(jīng)濟合理而又可靠是 我們工作裝置設(shè)計時首先要考慮的。1.4挖掘機動臂存在問題本課題是在2002年下半年開始幵展的，由于挖掘機工作裝置結(jié)構(gòu)件的外反饋較高f嚴(yán)重的影響了市場的銷售。2002年柳工年產(chǎn)量WY20型挖掘機僅121臺，根據(jù)市場反饋統(tǒng) 計，動臂局部斷裂就有26臺之多，市場反饋率2L5%。更為嚴(yán)重的是CLG 906試制樣機在 試驗過程中動臂就出現(xiàn)了開裂，嚴(yán)重地拖延

25、了該產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)和市場導(dǎo)入的進(jìn)度。1.4.1.挖掘機動臂的作業(yè)工況圖1-3挖掘機承受側(cè)向載荷的作業(yè)環(huán)境挖掘機是長期在較為惡劣的工作環(huán)境下工作的，市場對產(chǎn)品的可靠性要隨著經(jīng) 濟發(fā)展建設(shè)的步伐加快而提高，開山劈石所用的振動破碎頭（見圖1-2)，其工況的惡劣 程度可想而知。傳統(tǒng)上，釆用爆破方式將山石炸成碎塊，裝運拉走完成作業(yè)，期間有較 大的石塊直接用振動破碎頭破碎，導(dǎo)致其動臂、斗桿承受較大的振動疲勞載荷。圖1-2裝有振動破碎頭的挖掘機文論位學(xué)士碩學(xué)大技科中華根據(jù)長期的用戶實際作業(yè)觀察，挖掘機在山區(qū)修路的作業(yè)環(huán)境下，其工作對象往往 是山坡上的原生土、山石，作業(yè)方式是溝坡作業(yè)，它的主要受力部件動臂、

26、斗桿，在承 受挖掘載荷的同時，還要承受來自于溝坡的側(cè)向載荷（見圖1-3)，因而要求主要受力部 件的抗彎、抗扭的能力較強。1.4.2.挖掘機動臂的失效形式和部位無論是裝有破碎頭的、還是在溝坡作業(yè)的挖掘機，其主要受力元件，均是在承受著 交變載荷，即挖掘時受載荷作用而使構(gòu)件的應(yīng)力加大，卸載時外力釋放而使構(gòu)件的 應(yīng)力減小，如此周而復(fù)始的工作，導(dǎo)致主要受力元件在應(yīng)力集中區(qū) 產(chǎn)生裂紋，最終使主要受力元件斷 裂失效，使整機無法工作，不但給 用戶帶來耽誤工期所造成的經(jīng)濟 損失，嚴(yán)重時還會造成設(shè)備、人身 安全事故。往往用戶的作業(yè)地點遠(yuǎn) 離能夠維修場所，更換備件相當(dāng)困 難，受到用戶抱怨，嚴(yán)重影響產(chǎn)品 的市場競爭能

27、力。圖挖掘機受力結(jié)構(gòu)件的失效形式動臂的失效形式以斷裂為主，失效部位易發(fā)生在應(yīng)力集中區(qū)，交叉焊縫處（如T形 焊縫處）和結(jié)構(gòu)截面突變部位。1.5論文的目的近年來，挖掘機在國家基本建設(shè)中發(fā)揮著其他工程機械產(chǎn)品不能所替代的作用，其 國市場迅猛增長，2002年銷量達(dá)19710,年增長率為59%。但國外合資或獨資企業(yè)產(chǎn) 品的市場占有率在8590%,而國企業(yè)的市場占有率僅占1015%。這是甶于國企 業(yè)大部分進(jìn)入這個行業(yè)的時間較晚，技術(shù)研發(fā)能力較低、制造技術(shù)水平落后，特別是工 作裝置結(jié)構(gòu)件的可靠性方面存在較大問題，如動臂的疲勞、斗桿的疲勞斷裂等。而結(jié)構(gòu) 件的可靠性，從力學(xué)角度講，就是結(jié)構(gòu)件的強度、剛度、穩(wěn)定性

28、要滿足使用工況的要求。 本課題所取得的研究成果在提高工作裝置結(jié)構(gòu)強度和減少應(yīng)力集中方面得到了較好成 效。從現(xiàn)場施工表現(xiàn)看，在結(jié)構(gòu)件可靠性方面達(dá)到或超過了國同類產(chǎn)品的品質(zhì)，并向 日美同類產(chǎn)品靠近。以柳工挖掘機近兩年來在國市場占有率穩(wěn)步上升，可為側(cè)證。液壓挖掘機工作裝置的動臂、斗桿為了實現(xiàn)等強度設(shè)計與對危險截面和應(yīng)力集中部位的加強作用，一般設(shè)計成不規(guī)則的箱形焊接結(jié)構(gòu)16。而我們以往在進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)時， 對動臂、斗桿的強度計算，通常采用材料力學(xué)的方法，把動臂、斗桿假定為梁，計算若 干截面的彎曲強度。但由于動臂、斗桿結(jié)構(gòu)與理想梁相差甚遠(yuǎn)，且在工作時通常承受拉 (壓)、彎、扭等幾種外力，斷面應(yīng)力分布十分復(fù)

29、雜17。，按梁來計算顯然會有較大的誤 差，并且這種方法無法反映結(jié)構(gòu)整體的變形和應(yīng)力情況，難以指導(dǎo)設(shè)計1S。文論位學(xué)士碩學(xué)大技科中華隨著世界先進(jìn)水平的液壓挖掘機紛紛涌入中國，柳工等國挖掘機制造商以傳統(tǒng)設(shè) 計方法和制造工藝生產(chǎn)出來的挖掘機其可靠性差的缺點被暴露出來。本課題關(guān)于現(xiàn)代設(shè) 計方法在挖掘機結(jié)構(gòu)件設(shè)計中的具體應(yīng)用，使柳工在挖掘機結(jié)構(gòu)件設(shè)計方面達(dá)到了一個 新的水平，基本滿足了與狼共舞的階段性要求。當(dāng)然，用有限元法解決結(jié)構(gòu)件強度設(shè)計 方面的問題，只是現(xiàn)代設(shè)計方法在柳工產(chǎn)品設(shè)計中的初步應(yīng)用，隨著更多現(xiàn)代設(shè)計方法 被研究和應(yīng)用，我們有信心使柳工的產(chǎn)品設(shè)計水平達(dá)到更高的高度。在對CLG 906液壓挖掘

30、機試制樣機進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計時，釆用有限元方法來計算動臂 和斗桿的強度，以準(zhǔn)確校核其強度，評倍設(shè)計的合理性。在本文后續(xù)章節(jié)中將以CLG 906 液壓挖掘機的動臂為例，來具體說明有限元法在挖掘機結(jié)構(gòu)件設(shè)計中的應(yīng)用。1.6論文的主要容在本文中，詳細(xì)介紹了挖掘機工作裝置的設(shè)計分析技術(shù)，挖掘機工程學(xué)分析、運動 仿真，強度計算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化和有限元法和分析步驟，以與如何運用計算機軟件對挖掘機 的動臂進(jìn)行有限元分析的過程以與相關(guān)的技術(shù)難點和解決辦法。首先利用挖掘機運行仿 真模擬挖掘機各種作業(yè)工況，找出動臂的最不利工況作為有限元分析的計算工況，然后 利用有限元分析軟件分析動臂在此計算工況下的應(yīng)力分布。最后對分析結(jié)果進(jìn)

31、行評價， 并對動臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以與改進(jìn)后的再分析。1.7論文的主要組成本文分成以下六個部分進(jìn)行介紹：第一部分：緒論，通過分析國挖掘機市場的發(fā)展?fàn)顩r和柳工挖掘機現(xiàn)狀和動臂存 在問題，以與傳統(tǒng)設(shè)計方法的盲目性，提出了論文研究的主要性和必要性，闡述了課題 的研究目的和主要工作；第二部分；簡要介紹工作裝置的工程分析計算和有限元分析方法與其相關(guān)理論； 第三部分：挖掘機動臂計算方法研究；第四部分.利用挖掘機輔助設(shè)計程序系統(tǒng)和有限元分析動臂的應(yīng)力分布，評價動臂結(jié)構(gòu)的合理性，并根據(jù)分析結(jié)果對動臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并對修改后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行再分析和 評價；文論位學(xué)士碩學(xué)大支科中華第五部分：有限元設(shè)計方法的效果評估；第六

32、部分：總結(jié)與展望，總結(jié)了全文，并對成果運用做了展望。挖掘機工作裝置設(shè)計的分析技術(shù)挖掘機的工程分析計算文論位學(xué)士碩學(xué)大技科中華挖掘機的工程分析包括：挖掘機運動仿真、動力學(xué)分析和主要結(jié)構(gòu)件的強度計算 和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等。工程分析在提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量過程中的重要作用越來越多地 被企業(yè)和研究部門所認(rèn)識，可以幫助設(shè)計人員在新產(chǎn)品建造和成型之前，在產(chǎn)品開發(fā)的 早期就能了解產(chǎn)品的有關(guān)特性、整體質(zhì)量水平、可靠性和安全性，發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題， 并與時解決，可縮短設(shè)計、研發(fā)時間，降低產(chǎn)品開發(fā)過程中對物理樣機依賴程度，降低 產(chǎn)品開發(fā)成本2.1.1.挖掘機的運動仿真和動力學(xué)分析在設(shè)計階段，對生成的挖掘機的零部件和整機的三

33、維實體給出邊界約束、動約束和 施加工作載荷等計算參數(shù)輸入計算機，在物理樣機沒有進(jìn)行制造前用計算機就能十分完 善和精確地仿真分析出挖掘機的運動規(guī)律，如運動仿真、運動軌跡、位移、速度、加速 度、力、力矩等參數(shù)計算和干涉檢查，從而把從前需要數(shù)月才能完成整機實體物理實驗， 縮短到數(shù)小時就能在計算機上完成2U2。2.1.2*強度計算與結(jié)構(gòu)優(yōu)化在挖掘機主要結(jié)構(gòu)件設(shè)計時，設(shè)計人員關(guān)心的是結(jié)構(gòu)件的安全系數(shù)、應(yīng)力分布、變 形大小、固有頻率等。為了使計算準(zhǔn)確，應(yīng)準(zhǔn)確地確定：（1)挖掘機實際工作載荷；（2) 結(jié)構(gòu)件不利工作位置；（3)機構(gòu)計算模型的精確描述；（4)正確的計算方法。采用有限 元法，對挖掘機各部件進(jìn)行靜

34、力學(xué)分析、動力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。靜力學(xué)分析用來求解 結(jié)構(gòu)與時間無關(guān)的靜力學(xué)載荷作用下的響應(yīng)，并得出所需節(jié)點的位移、節(jié)點力、單元力、 單元應(yīng)力和應(yīng)變等23。動力學(xué)分析不同于靜力學(xué)分析，常用來確定動載荷對整個結(jié)構(gòu)和 部件的影響包括一般模態(tài)與復(fù)特征值分析,頻率與瞬時響應(yīng)分析等241通過動力學(xué)分析， 得到挖掘機工作機構(gòu)固有的特性，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計和修改提供依據(jù)。設(shè)計人員通過結(jié)構(gòu)的有限元分析計算結(jié)果，在圖紙設(shè)計階段就可找出挖掘機結(jié)構(gòu)件 設(shè)計中潛在的缺陷和不足，根據(jù)這些缺陷和不足，再轉(zhuǎn)入優(yōu)化模塊，根據(jù)設(shè)計要求，給 出結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)、約束條件、性能條件，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行化設(shè)計25，對原有設(shè)計缺 陷或不足進(jìn)行修改，

35、得到最佳的結(jié)構(gòu)和外形。這樣在設(shè)計初期，設(shè)計人員就可借助于結(jié) 構(gòu)優(yōu)化模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，縮短了樣機制造一測試改進(jìn)再制造的研制周期，降低了產(chǎn)品研發(fā)的成本，同時也使產(chǎn)品盡快的推向市場，加快了市場產(chǎn)品的更新?lián)Q 代。文論位學(xué)士碩學(xué)大技科中華2.2有限元概述隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們正在不斷建設(shè)更為快速的交通工具、更大規(guī)模的 建筑物、更大跨度的橋梁，更大功率的發(fā)電機組和更為精密的機械設(shè)備&這一切都要求 工程師在設(shè)計階段就能精確地預(yù)測出產(chǎn)品和工程的技術(shù)性能，需要對結(jié)構(gòu)的靜、動力強 度以與溫度場、流場、電磁場等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析計算。近年來在計算機技術(shù)數(shù)值分析 方法支持下發(fā)展起來的有限元分析方法則為解決這

36、些復(fù)雜的工程分析計算問題提供了 有效的途徑26。在工程實踐中，有限元分析軟件與CAD系統(tǒng)的集成應(yīng)用使設(shè)計水 平發(fā)生質(zhì)的飛躍。有限元方法（FEM)作為一種非常有效的數(shù)值方法，已為工程界所普遍接受和廣 泛使用28。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，F(xiàn)EM從建模、求解到程序?qū)崿F(xiàn)，都取得了重大進(jìn)展。 尤其是隨著計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展和有限元分析軟件的逐漸改進(jìn)，F(xiàn)EM的分析功能 和分析效率日益提高，在結(jié)構(gòu)工程中，F(xiàn)EM更是一種不可少的分析工具291。目前，在 工程結(jié)構(gòu)和機械系統(tǒng)與其他各類工程問題的數(shù)字建模、分析、設(shè)計、仿真等各方面都發(fā) 揮著非常重要的作用。80年代后，由于數(shù)值方法的發(fā)展和一些復(fù)雜工程問題數(shù)值求解的需要，

37、逐漸出現(xiàn) 并形成了一些新的有限元處理方法。如自適應(yīng)有限元方法、隨機有限元方法、并行有限 元方法、智能型有限元方法、超級有限元方法等。這些先進(jìn)思想方法的發(fā)展，逐步克服 了傳統(tǒng)的FEM在物理建模、計算效率和分析精度等方面所存在的一些不足。2.2.1.有限元法起源有限元法的基本思想最旱出現(xiàn)于20世紀(jì)40年代初期，但是直到1960年，美國的 克拉夫在一篇論文中首次使用“有限元法”這個名詞1。在20迸紀(jì)60年代末70年代 初，有限單元法在理論上己基本成熟，并開始陸續(xù)出現(xiàn)商處化的有限元分析軟件。有限元法的出現(xiàn)與發(fā)展有著深刻的工程背景。20世紀(jì)4050年代，美、英等國的 飛機制造業(yè)有了大幅度的發(fā)展，隨著飛機

38、結(jié)構(gòu)的逐漸變化，準(zhǔn)確地了解飛機的靜態(tài)特性 和動態(tài)特性越來越顯得迫切，但是傳統(tǒng)的設(shè)計分析方法己經(jīng)不能滿足設(shè)計的需要，因此 工程設(shè)計人員便開始尋找一種更適合分析的方法，于是出現(xiàn)了有限單元法的思想。有限單元法的基本思想是將連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散成有限個單元31，并在每一個單元中 設(shè)定有限個節(jié)點，將連續(xù)體看作是只在節(jié)點處相連接的一組單元的集合體；同時選定場函數(shù)的節(jié)點值作為基本未知量，并在每一單元中假設(shè)一近似插值函數(shù)以表示單元中場函 數(shù)的分布規(guī)律；進(jìn)而利用力學(xué)中的某些變分原理去建立用以求解節(jié)點未知量的有限元法 方程，從而將一個連續(xù)域中的無限自由度問題化為離散域中的有限自由度問題。一經(jīng)求 解就可以利用解得的節(jié)點值

39、和設(shè)定的插值函數(shù)確定單元上以至整個集合體上的場函數(shù)。 有限元求解程序的部過程可從圖2-1中看出。圖2-1有限元程序圖文論位學(xué)士碩學(xué)大技科中華由于單元可以設(shè)計成不同的幾何形狀，因而可靈活地模擬和逼近復(fù)雜的求解域。顯 然，如果插值函數(shù)滿足一定要求，隨著單元數(shù)目的增加，解的精度會不斷提高而最終收 斂于問題的精確解。雖然從理論上說，無限制地增加單元的數(shù)目可以使數(shù)值分析解最終 收斂于問題的精確解，但是這卻增加了計算機計算所耗費的時間。在實際工程應(yīng)用中， 只要所得的數(shù)據(jù)能夠滿足工程需要就足夠了，因此，有限元分析方法的基本策略就是在 分析的精度和分析的時間上找到一個最佳平衡點。2.2. 2,有限元常用術(shù)語(

40、1)單元結(jié)構(gòu)單元的網(wǎng)格劃分中的每一個小的塊體稱為一個單元。常見的單元類型有線段 單元、三角形單元、四邊形單元、四面體單元和六面體單元幾種。由于單元是組成有限 元模型的基礎(chǔ)，因此單元的類型對于有限元分析是至關(guān)重要的。一個有限元程序所提供 的單元種類越多，這個程序的功能則越強大。節(jié)點確定單元形狀的點就叫節(jié)點。例如線段單元只有兩個節(jié)點，三角形單元有三個或者 六個節(jié)點，四邊形單元至少有四個節(jié)點等。載荷工程結(jié)構(gòu)所受到的外在施加的力稱為載荷。包括集中力和分葙力等。在不同的學(xué)科 中，載荷的含義也不盡一樣。邊界條件邊界條件就是指結(jié)構(gòu)邊界上所受到的外加約束。在有限元分析中，邊界條件的確定 是非常重要的因素。錯誤

41、的邊界條件的選擇往往使有限元中的剛度矩陣發(fā)生奇異，使程 序無常運行。施加正確的邊界條件是獲得正確的分析結(jié)果和較高的分析精度的重要 條件。有限元具體分析過程結(jié)構(gòu)的模型化指從現(xiàn)實物理對象中抽象出反映結(jié)構(gòu)行為特征的理想化數(shù)學(xué)模型3涉與多個層 次，包括根據(jù)對物理問題的理解抽象出物理模型并轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)挠嬎懔W(xué)模型。即包括 物理模型化和數(shù)值模型化兩個階級33。在物理模型化階段，需確定結(jié)構(gòu)的所有典型的物 理特征與基本的力學(xué)特征，識別主要載荷等。在數(shù)值模型化階段，需定義結(jié)構(gòu)的幾何形 狀，選擇表達(dá)結(jié)構(gòu)物理行為特征的數(shù)學(xué)描述與模型的離散化。由于FEM不受幾何形狀 和邊界條件與材料特征的限制，因而適用性很強。模型的

42、求解完成數(shù)值模型的求解，涉與計算方法、分析軟件與模型參數(shù)的選擇和大量代數(shù)方程 的求解運算34。數(shù)值模型求解還包括有限元的精度估計與據(jù)此修改模型后的重新求解。有限元解的解釋評價與模型修改解釋評價是將有限元數(shù)值結(jié)果與原問題的物理征聯(lián)系起來驗證模型中的假設(shè)與結(jié) 果的合理性，一般首次有限元解很少能滿足要求，通常需根據(jù)檢驗結(jié)果或設(shè)計要求修改 數(shù)值模型，以得到滿意的結(jié)果。有限元先進(jìn)算法自適應(yīng)有限元方法文論位學(xué)士碩學(xué)大技科中華自適應(yīng)有限元方法是一種能通過自適應(yīng)分析自動調(diào)整算法以改進(jìn)求解進(jìn)程的數(shù)值 方法3可根據(jù)求解的精度要求和誤差容限自適應(yīng)選擇有限元網(wǎng)格和形函數(shù)階次。它以 傳統(tǒng)的FEM為基礎(chǔ)，以誤差估計和自適

43、應(yīng)網(wǎng)格改進(jìn)技術(shù)為核心，是通過有限元網(wǎng)格和 形函數(shù)的自動選擇提高求解的精度和效率。自適應(yīng)FEM的發(fā)展，極提高了有限元數(shù)值分析的效率和精度。它和CAD、優(yōu) 化設(shè)計、計算機可視化等先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合，使工程設(shè)計的自動化程度大提髙。已成為 FEM發(fā)展的一個重要方向。目前對線性問題自適應(yīng)性的研究已較為成熟。對非線性問 題的研究還較少。隨著非線性工程問題的日益突出，在此領(lǐng)域發(fā)展自適應(yīng)技術(shù)非常必要， 也很有意義。隨機有限元方法隨機有限元方法是一種利用常規(guī)的確定性FEM和概率分析技術(shù)求解隨機結(jié)構(gòu)問題 的隨機數(shù)值方法36。它可以考慮材料特性、幾何特性、作用載荷等客觀上的隨機可變性。 即在物理建模上將客觀不定性描述為

44、隨機量，建立的是隨機模型。其分析過程主要包犄 隨機結(jié)構(gòu)的離散和隨機有限元控制方程的求解，最終目的在于估計結(jié)構(gòu)的可靠性。隨機有限元在物理建模上更加符合客觀實際。在模型級合理處理有關(guān)隨機效應(yīng)，將 使結(jié)構(gòu)的分析、設(shè)計更加合理9并行有限元法隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，80年代出現(xiàn)了采用新型體系結(jié)構(gòu)的大型并行計算機和可 作并行處理的微機網(wǎng)格，使計算機的運算速成度有了大幅的提高。同時，各種數(shù)值分析 算法的并行化得到快速發(fā)展。為適應(yīng)并行機的優(yōu)點，逐漸形成了并行有限元算法37。并行有限元的發(fā)展在于提高有限元分析的運算速度。由于工程非線性問題瞬態(tài)問題 和大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析非常耗時，在這些領(lǐng)域研究和應(yīng)用并行有限元很有意

45、義38。智能型有限元方法一般指以計算力學(xué)和特定工程領(lǐng)域的集體知識為依據(jù)的有限元專家系統(tǒng)，是集模型 化過程、有限元分析和解釋評價于一體的智能化分析系統(tǒng)。目前的專家按其功能分，可 包括智能化前端系統(tǒng)和模型化系統(tǒng)兩類。智能化前端系統(tǒng)主要幫助用戶根據(jù)問題的物理 特性進(jìn)行分析決策、準(zhǔn)備輸入文件、選擇適當(dāng)?shù)那蠼夥椒ê蛙浖?。模型化系統(tǒng)則幫助 用戶根據(jù)問題的拓?fù)涮匦院洼d荷特性，模型化物理問題，建立有限元模型，并結(jié)合前端 系統(tǒng)生成輸入文件。超級有限元法超級有限元法是將原多構(gòu)件系統(tǒng)假設(shè)為連續(xù)體,按實體用傳統(tǒng)有限元的離散方法離 散結(jié)構(gòu)，使每個單元含大量構(gòu)件，同時選取總體自由度。再對每個構(gòu)件進(jìn)行一般有限元 分析39

46、。由于結(jié)構(gòu)離散所形成的每個單元中包含大量構(gòu)件，因而稱為超級元，超級單元 任一點的力學(xué)量和所有部構(gòu)件的自由度被總體自由度所約束，可將所有部自由度 轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的總體自由度求解。從而可有效地降低求解模，減少計算工作量。文論位學(xué)士碩學(xué)大技科中華2.2.5.有限元分析軟件介紹ALGOR作為世界著名的大型通用工程仿真軟件，被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)的設(shè) 計、有限元分析、機械運動仿真中包括靜力、動力、流體、熱傳導(dǎo)、電磁場、管道、工 藝流程設(shè)計等，能夠幫助設(shè)計人員預(yù)測和檢驗在真實狀態(tài)下的各種情況，快速、低成本 完成更安全更可靠的設(shè)計項目。ALGOR以其分析功能齊全，使用操作簡便和對硬件的要 求低，在從事設(shè)計分析和科

47、技工作者中享有盛譽。作為中高檔CAE分析工具的代表之一， ALGOR在汽車、電子、航空航天、醫(yī)學(xué)、日用品生產(chǎn)、軍事、電力系統(tǒng)、石油、大型建 筑以與微電子機械系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域中均有廣泛應(yīng)用。工程師們通過使用ALGOR進(jìn)行設(shè) 計，虛擬測試和性能分析，縮短了產(chǎn)品投入市場的時間，并能以更低的成本制造出優(yōu)質(zhì) 而可靠的產(chǎn)品。ANSYS程序是美國ANSYS公研司制的大型有限元分析軟件，現(xiàn)在已發(fā)展成為 全球圍一個多用途的設(shè)計分析軟件。ANSYS程序是一個功能強大的設(shè)計分析與優(yōu)化軟 件包。ANSYS是完全的WINDOWS程序，從而使應(yīng)用更加方便，產(chǎn)品系列由一整套可擴展 的、靈活集成的各模塊組成，因而能滿足各行各業(yè)

48、的工程需要。不僅可以進(jìn)行線性分析， 還可以進(jìn)行各類非線性分析，是一個綜合的多物理場耦合分析軟件，用戶不但可用其進(jìn) 行結(jié)構(gòu)、熱、流體流動、電磁等的單獨研究，還可以進(jìn)行這些分析的相互影響研究4()，41。23挖掘機工作裝置設(shè)計方法現(xiàn)狀分析隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展各種分析技術(shù)和分析軟件的發(fā)展，挖掘機的設(shè)計水平發(fā)生了質(zhì) 的飛躍。但是我公司挖掘機的設(shè)計卻沒有跟上科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是工作裝置的設(shè)計 非常落后。多年來，工作裝置的設(shè)計一直釆用類比法，這種設(shè)計方法在一定程度上存在著盲目 性，容易形成設(shè)計中的“人為”應(yīng)力集中點，造成結(jié)構(gòu)整體強度的削弱甚至破壞。而工 作裝置各結(jié)構(gòu)件的強度校核也一直沿用材料力學(xué)等提供的傳

49、統(tǒng)計算方法。雖然這些方法 有一定的科學(xué)性和可靠性，但由于各構(gòu)件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在進(jìn)行計算時對計算模型要進(jìn) 行許多簡化，計算精度較差，應(yīng)用時即使取較大的安全系數(shù)，也沒法消除人為的應(yīng)力集 中點。按這種方法設(shè)計生產(chǎn)出來的產(chǎn)品，只是外觀上看上去很強壯，剛性很好，但在使用過程中常發(fā)生開焊、開裂等現(xiàn)象，致使整個工作裝置報廢，造成重大經(jīng)濟損失。從WY20 (現(xiàn)在叫CLG 200-3)的工作裝置設(shè)計和使用情況就足以說明這種設(shè)計方法 存在很多問題。WY20工作裝置設(shè)計時，各結(jié)構(gòu)件板材厚度，截面形狀等都是參照國外 同類先進(jìn)水平挖掘機進(jìn)行設(shè)計的，但其使用效果卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到先進(jìn)挖掘機的水平。動 臂后支座、中支座，油缸耳

50、板處甚至板材都出現(xiàn)開裂；斗桿后支座、油缸耳板處也出現(xiàn) 開裂現(xiàn)象；更嚴(yán)重的是鏟斗側(cè)板和切削板、側(cè)板和斗底板焊縫經(jīng)常幵裂。其中制造水平 低是其中一個因素外，但更重要的是設(shè)計方法落后，特別是工作裝置結(jié)構(gòu)件的載荷和強 度計算方法落后。工作裝置動臂、斗桿、鏟斗以與連稈機構(gòu)和各種工作液壓缸組成。對這些結(jié)構(gòu)件的 分析計算，首先應(yīng)確定各結(jié)鉤件的最不利工況，即在這工況下對某一構(gòu)件可能出現(xiàn)最大 的應(yīng)力，以這工況作為設(shè)計該結(jié)構(gòu)件的依據(jù)，也就是強度設(shè)計中計算位置的選擇，計算 圖式和載荷的確定。然后根據(jù)這一計算位置，對構(gòu)件進(jìn)行作用力分析，進(jìn)行強度的校核。 從這可以看出最不利工況的選取成為結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度校核的關(guān)鍵，最不利

51、工況選取的準(zhǔn) 確與否也就關(guān)系到強度校核的準(zhǔn)確性。其次是強度校核的準(zhǔn)確性，尤其是結(jié)構(gòu)件中斷面 突變、外形突變處的準(zhǔn)確性是結(jié)構(gòu)件設(shè)計的另一重要方面。WY20工作裝置設(shè)計時，工作裝置各結(jié)構(gòu)件的最不利工況根據(jù)教科書提供的方法逬 行選取。動臂、斗桿各選取兩個典型位置作為最不利工況。如動臂選取以下兩個位置：I動臂液壓缸全縮，動臂位于最低，斗齒尖、鏟斗與斗桿鉸點、斗桿與動臂鉸點三 點位于垂直線上，鏟斗挖掘，斗邊齒遇到障礙時II動臂位于動臂液壓缸作用力臂最大值處，斗桿液壓缸作用力臂最大（斗桿壓缸 與斗桿尾部軸線夾角90度時)，鏟斗發(fā)揮最大挖掘力位置，進(jìn)行正常挖掘。由于影響挖掘機挖掘力的因素很多，如三個工作液壓

52、缸的匹配、整機穩(wěn)定性問題等， 并且各機型的工作裝置各結(jié)構(gòu)件的形式不一，這兩個典型位置不一定是WY20動臂出現(xiàn) 最大應(yīng)力的位置。按這樣選取出來的工況作為最不利工況進(jìn)行強度校核，其計算的準(zhǔn)確 性當(dāng)然不能保證。WY20設(shè)計時，工作裝置動臂、斗桿的強度校核也只是選取幾個斷面（鉸點所在斷 面、外形突變處以與力較大的斷面）逬行強度的校核,然后根據(jù)這幾個斷面的強度推 斷整個構(gòu)件的強度。設(shè)計人員不能準(zhǔn)確地了解整個構(gòu)件的應(yīng)力水平，更發(fā)現(xiàn)不了構(gòu)件的 應(yīng)力集中點，沒法消除設(shè)計的在缺陷。這樣設(shè)計出來的動臂、斗桿出現(xiàn)斷裂是難免的。 鏟斗由于外形復(fù)雜，加上載荷情況較復(fù)雜，設(shè)計時根本就沒有進(jìn)行強度校核。因此實際 工作時到處

53、焊縫幵裂。從以上分析可以看出.要想提高挖掘機工作裝置的設(shè)計水平，首先最不利工況的選取要準(zhǔn)確，其次是提高各構(gòu)件的強度分析計算精度。要找出最不利工況，最好的辦法是 對挖掘機所有工況與其挖掘過程中的千百個位置進(jìn)行作用力分析和對各結(jié)構(gòu)件進(jìn)行較 多的可能危險斷面進(jìn)行應(yīng)力計算，從而找出應(yīng)力最大的工況。隨著電子計算機的普與和 應(yīng)用，這已經(jīng)可以實現(xiàn)。我公司和重型機械學(xué)院聯(lián)合研制的液壓挖掘機輔助設(shè)計 程序系統(tǒng)（簡稱EXCAD)，其中有一項應(yīng)用程序運動仿真分析，可以模擬實際挖掘 工況，進(jìn)行工作裝置各構(gòu)件的受力分析和挖掘全過程的強度普査。通過該軟件的運動仿 真分析可以更準(zhǔn)確地找出最不利工況。隨著有限元分析方法的發(fā)展

54、和各種分析軟件的出 現(xiàn)，對于斷面變化較大，外形復(fù)雜的工作裝置各結(jié)構(gòu)件，不僅可通過有限元法進(jìn)行分析 全面地了解整個構(gòu)件的應(yīng)力水平，而且能找出應(yīng)力集中點予以消除，使工作裝置的結(jié)構(gòu) 設(shè)計獲得可靠而又經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)尺寸和形狀。文論位學(xué)士碩學(xué)大技科中華2.4本章小結(jié)首先簡要介紹挖掘機工作裝置設(shè)計分析的工程分析計算和有限元法概述。然后簡 要分析現(xiàn)有工作裝置設(shè)計方法的缺點，并指出提高設(shè)計水平的方法。挖掘動臂計算方法研究文論立學(xué)士碩學(xué)大技科中華3.1挖掘機動臂計算工況選取由于挖掘機工作裝置作業(yè)速度比較低，試驗結(jié)果表明靜應(yīng)力測試值與動態(tài)測試的高 峰值很按近，所以工作裝置結(jié)構(gòu)的強度分析主要采用靜強度法，因此確定結(jié)構(gòu)的

55、最大應(yīng) 力或最危險載荷成為結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度校核的關(guān)鍵。關(guān)于挖掘機動臂載荷與強度計算，過 去基本上都是采用典型工況方法。一般認(rèn)為在挖掘工作中，以下兩種工況動臂可能出現(xiàn) 最大載荷：動臂液壓缸全縮，動臂位于最低，斗齒尖、鏟斗與斗桿鉸點、斗桿與動臂鉸 點三點位于垂直線上，鏟斗挖掘，斗邊齒遇到障礙時；動臂位于動臂液壓缸作用力臂最大值處，斗桿液壓缸作用力臂最大（斗桿壓 缸與斗桿尾部軸線夾角90度時)，鏟斗發(fā)揮最大挖掘力位置，進(jìn)行正常挖掘a所以傳統(tǒng)方法計算時將這兩種作業(yè)位置和載荷工況作為動臂強度計算的典型工況。 但實際作業(yè)時，真的是這兩種工況動臂的應(yīng)力最大嗎？直觀分析會提出這樣的疑問，對于不同的動臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)

56、和動力學(xué)參數(shù)，其所有部 位最大應(yīng)力所對應(yīng)的工況都一定是上述的“典型工況”嗎？通過對多種挖掘機與不同作 業(yè)方式、作業(yè)位置和載荷型式進(jìn)行仿真,結(jié)果顯示上述典型工況不一定是最大應(yīng)力工況, 由于動臂機構(gòu)尺寸和動力學(xué)參數(shù)的不同以與結(jié)構(gòu)特征不同，最大應(yīng)力工況也不一樣。3.1.1.運動仿真運動仿真就是應(yīng)用計算機方法，模擬各種作業(yè)過程，將挖掘機作業(yè)時的真實性態(tài)反 映出來，普查和分析動臂在作業(yè)過程中的載荷和強度狀況。方法與模型如下：將連續(xù)作業(yè)過程離散化。挖掘機工作裝置有三組油缸構(gòu)成了三個自由度，因 此作業(yè)方式（工況）變化多樣。采用恰當(dāng)?shù)囊?guī)劃方法，將無限個作業(yè)工況歸納為有限個 工況，將每個工況的作業(yè)性態(tài)計算出來，

57、就能反映挖掘機的實際作業(yè)性能。如將動臂、 斗桿、鏟斗作業(yè)過程中的轉(zhuǎn)角圍離散化為n個轉(zhuǎn)角位置，整個工作裝置就有n3個作 業(yè)位置，也就代表著n3個作業(yè)工況。計算每個作業(yè)位置動臂的載荷和結(jié)構(gòu)給定部位的 應(yīng)力，整個作業(yè)過程動臂的強度情況就能反映出來。載荷型式取三種典型的組合挖掘阻力W均布在切削板上，.按集中載荷W作用于斗刃的中部（圈3-la);挖掘阻力W作用于鏟斗的邊齒，作用于鏟斗的外側(cè)（圖3-lb);文論位學(xué)士碩學(xué)大技科中華III.挖掘阻力W作用于鏟斗的邊齒，同時有橫向力WK的作用（圖3-lc)。 WK=min(WKl，WK2)式中：WKlMZ/XV; WK2=MG/YV MZ回轉(zhuǎn)制動力矩；XV斗齒

58、到回轉(zhuǎn)中心的水平距離；MG機器重量對一側(cè)履帶的重力矩 注：三種載荷均不考慮法向阻力。圖3_1三種典型動臂載荷組合圖(a)(b)(c)第II種載荷組合可以簡化為第一種載荷組合的基礎(chǔ)上再附加一個力偶矩，第ni種 載荷組合又是在第n種載合組合上多了個WK力。仿真時，分別按三種載荷組合方式，n個動臂、斗桿、鏟斗轉(zhuǎn)角進(jìn)行，組合起來就 有3 n3個作業(yè)工況。顯然，n取值越大，就越接近連續(xù)作業(yè)過程或覆蓋所有作業(yè)工況。 設(shè)計人員可以選取適當(dāng)?shù)膎值進(jìn)行仿真計算，從中選取最大應(yīng)力工況。挖掘機在某作業(yè)工況下能實現(xiàn)的斗齒尖的挖掘力的計算按下列假定：考慮機器自重，各構(gòu)件重量簡化到重心；挖掘過程中斗中土重心與鏟斗重心一致

59、；考慮液壓系統(tǒng)和連桿機構(gòu)的效率；不考慮液壓缸小腔背壓；不考慮土壤阻力和結(jié)構(gòu)強度的限制；不考慮停機面坡度、風(fēng)力、慣性力、動載等的影響。挖掘力能否實現(xiàn)要考慮以下因素：1)作液壓缸的閉鎖能力的限限制；整機的工作穩(wěn)定性的限制；文論位學(xué)士碩學(xué)大技科中華整機與地面的附著能力的限制只有在充分考慮了上述因素后求得的挖掘力則是該工況下實際產(chǎn)生的挖掘力。3.1.2-動臂載荷與應(yīng)力計算仿真過程中每個工況下動臂所受載荷與應(yīng)力的計算釆用下列步驟：取整個工作裝置為隔離體求鉸點力；對動臂取隔離體求鉸點力；經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，變?yōu)閯颖圩陨碜鴺?biāo)系下的鉸點力；應(yīng)力計算采用常規(guī)的材料力學(xué)方法。一般動臂取5個截面（圖3-2)，分別計算截面

60、的上邊緣和下邊緣。動臂、斗桿、鏟 斗、搖桿、連桿等都預(yù)先輸入強度計算的截面位置和特性參數(shù)。圖3-2動臂應(yīng)力計算截面選取圖 3.13.強度普查與有限元加載載荷的確定釆用運動仿真，對上述三種載荷組合工況進(jìn)行仿真，計算動臂在各種工況下的載荷 和給定部位的應(yīng)力，經(jīng)過比較后分別按不同的載荷組合、截面的上邊緣和下邊緣輸出最 大應(yīng)力與其對應(yīng)的工況參數(shù)（動臂轉(zhuǎn)角、斗桿轉(zhuǎn)角、鏟斗轉(zhuǎn)角）。以圖3-2中截面2下文論位學(xué)士碩學(xué)大技科中華邊緣為例，若選第I種載荷組合進(jìn)行仿真，共有n3個工況，可以得到n3個不同的應(yīng)力， 從中選出絕對值最大的應(yīng)力值以與對應(yīng)工況輸出，于是得到該載荷組合截面2下邊緣部 位可能達(dá)到的最大應(yīng)力。同