第四章有限元分析

河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）PAGEPAGE36第四章反鏟工作裝置有限元分析4.1有限元理論4.1.1有限元法是一種可以獲得工程問(wèn)題近似解的數(shù)值計(jì)算方法，它與經(jīng)典的彈性力學(xué)解析法不同。盡管對(duì)于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，彈性力學(xué)可以獲得解析解，但對(duì)大多數(shù)工程實(shí)際問(wèn)題來(lái)說(shuō)，由于結(jié)構(gòu)幾何形狀不規(guī)則、載荷復(fù)雜等原因，求解析解往往是很困難的，有時(shí)甚至是不可能的。而有限元法運(yùn)用離散化的概念，把具有無(wú)限個(gè)自由度的連續(xù)體理想化為有限個(gè)自由度的單元集合體，從單元分析入手，找出單元內(nèi)的位移、應(yīng)變、應(yīng)力以及結(jié)點(diǎn)對(duì)單元的作用力與單元結(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系，建立每個(gè)單元的剛度方程，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)的整體分析，即組集聯(lián)系整個(gè)結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)位移與結(jié)點(diǎn)載荷的總剛度方程。由于總剛度方程是包含有限個(gè)未知結(jié)點(diǎn)位移分量或結(jié)點(diǎn)力的線性代數(shù)方程組，可以利用計(jì)算機(jī)來(lái)求解。最后根據(jù)所求得的各單元結(jié)點(diǎn)位移或結(jié)點(diǎn)力，利用單元分析得到的關(guān)系，就可求出各單元內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移。綜上所述，連續(xù)體的有限單元離散化、單元分析、整體分析，是有限元分析的三個(gè)主要步驟。由于WZ30-25液壓挖掘裝載機(jī)工作裝置各構(gòu)件主要由高強(qiáng)度鋼板件焊接而成，故本次計(jì)算采用了空間板殼單元。因此，這里簡(jiǎn)述一下板殼單元。4.1.2薄板彎曲問(wèn)題：在工程中，把高度遠(yuǎn)小于底面尺寸的棱柱體，稱(chēng)為平板或板。設(shè)a為板面內(nèi)的最小尺寸，則當(dāng)厚度h≤a/5時(shí)，就稱(chēng)為薄板。研究厚度h等于常量的等厚度薄板時(shí)，以平分板厚的中面作為坐標(biāo)面XY，以任意一根垂直于中面的直線為Z軸，建立右手坐標(biāo)系。薄板的變形與載荷的作用方式有關(guān)。若受到平行于板面且沿板厚均布的載荷的作用時(shí)，就是平面應(yīng)力問(wèn)題，若受到垂直于板面的橫向載荷作用時(shí)，就是薄板彎曲問(wèn)題。在橫向載荷作用下，薄板發(fā)生彎曲變形，中面變成曲面。在彈性變形范圍內(nèi)，變彎曲了的中面稱(chēng)為彈性曲面。由于薄板彎曲變形而使中面內(nèi)各點(diǎn)在Z軸方向上發(fā)生的線位移稱(chēng)為板的撓度。當(dāng)撓度遠(yuǎn)小于薄板厚度時(shí)，屬于薄板彎曲的小撓度問(wèn)題。薄板小撓度問(wèn)題的研究方法和材料力學(xué)中直梁純彎曲問(wèn)題的研究方法相似，也采用了由實(shí)驗(yàn)觀察中提出來(lái)的一些附加的計(jì)算假設(shè)，使問(wèn)題得到很大的簡(jiǎn)化，而其分析結(jié)果又能被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。這些假設(shè)是：1)直線法假設(shè)：變形前薄板的中面法線在變形后仍然是彈性曲面的法線。2)假設(shè)薄板中應(yīng)力分量和應(yīng)變分量可略去不計(jì)。也就是假設(shè)薄板內(nèi)在平行于中面的各平面之間無(wú)擠壓力作用，并忽略厚度的變化。這相當(dāng)于純彎曲梁中各縱向纖維之間無(wú)擠壓作用的假設(shè)。3)假設(shè)薄板變形后，中面內(nèi)各點(diǎn)沒(méi)有平行于板面的位移，也就是沒(méi)有中而內(nèi)的應(yīng)變。這相當(dāng)于假設(shè)中面是一個(gè)只發(fā)生彎曲形而不發(fā)生伸縮的中性層。(三個(gè)應(yīng)變都在板面之內(nèi),垂直板面無(wú)應(yīng)變)4.1.31.強(qiáng)度理論(研究材料破壞的規(guī)律)材料破壞的兩種類(lèi)型。脆性斷裂：沒(méi)有明顯的塑性變形情況下發(fā)生突然斷裂。塑性屈服:產(chǎn)生明顯的塑性變形,而使構(gòu)件喪失正常的工作能力。2.屈服準(zhǔn)則：對(duì)單向受拉試件，我們可以通過(guò)簡(jiǎn)單的比較軸向應(yīng)力與材料的屈服應(yīng)力來(lái)決定是否有塑性變形發(fā)生，然而，對(duì)于一般的應(yīng)力狀態(tài)，是否到達(dá)屈服點(diǎn)并不是明顯的。屈服準(zhǔn)則是一個(gè)可以用來(lái)與單軸測(cè)試的屈服應(yīng)力相比較的應(yīng)力狀態(tài)的標(biāo)量表示。因此，知道了應(yīng)力狀態(tài)和屈服準(zhǔn)則，程序就能確定是否有塑性應(yīng)變產(chǎn)生。屈服準(zhǔn)則的值有時(shí)候也叫作等效應(yīng)力，一個(gè)通用的屈服準(zhǔn)則是VonMises屈服準(zhǔn)則，當(dāng)?shù)刃?yīng)力超過(guò)材料的屈服應(yīng)力時(shí)，將會(huì)發(fā)生塑性變形。可以在主應(yīng)力空間中畫(huà)出Mises屈服準(zhǔn)則,在3－D中，屈服面是一個(gè)以為軸的圓柱面，在2－D中，屈服面是一個(gè)橢圓，在屈服面內(nèi)部的任何應(yīng)力狀態(tài)，都是彈性的，屈服面外部的任何應(yīng)力狀態(tài)都會(huì)引起屈服。Mises屈服準(zhǔn)則是一種除了土壤和脆性材料外典型使用的屈服準(zhǔn)則。3.形狀改變能密度理論的相當(dāng)應(yīng)力VonMises應(yīng)力4.2反鏟工作裝置各主要部件的受力分析液壓挖掘機(jī)在工程機(jī)械行業(yè)發(fā)展很快，其技術(shù)含量較高，對(duì)結(jié)構(gòu)件的要求很高。結(jié)構(gòu)件的工作穩(wěn)定性直接決定整機(jī)的工作時(shí)間和效率。因此合理設(shè)計(jì)工作裝置的幾何尺寸，對(duì)其進(jìn)行抗彎、疲勞強(qiáng)度校核有很大的實(shí)際意義。工作裝置包括動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、連桿。4.2.1如圖4-2所示，由上蓋板、下蓋板、左側(cè)板、右側(cè)板焊接而成的箱形結(jié)構(gòu)。上、下蓋板均由前、后兩塊板拼焊而成，每塊板都采用厚度為8m的Q235接形式為“45度斜線”焊縫。左、右側(cè)板分別由前、中、后三塊鋼板拼焊而成。前、后板都采用厚度為8m的Q235鋼板，中側(cè)板采用厚度為10m的Q235鋼板。側(cè)板間的焊接形式為斜線焊縫。動(dòng)臂與轉(zhuǎn)臺(tái)、斗桿聯(lián)接的軸座均用Q235材料鑄造而成；與動(dòng)臂油缸聯(lián)接的軸座也是用Q235材料鑄造而成，在軸座四周焊有兩塊筋板以提高強(qiáng)度。上述軸座分別與箱形框架焊接成為動(dòng)臂。圖4-1反鏟裝置簡(jiǎn)圖圖4-2動(dòng)臂結(jié)構(gòu)圖工作裝置與挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)架連接的關(guān)鍵部件(參見(jiàn)圖4-1)，其工作原理依靠P處油缸來(lái)調(diào)節(jié)動(dòng)臂以P為定點(diǎn)的上下運(yùn)動(dòng)；通過(guò)P處油缸來(lái)調(diào)節(jié)以P處為定點(diǎn)的斗桿的上下運(yùn)動(dòng)；因此，動(dòng)臂在工作狀況下受力較復(fù)雜，除P處油缸座為拉伸壓縮交變力外，P,P,P處受力均為拉壓剪切復(fù)合應(yīng)力作用，其力的方向均以三處孔心為圓心的放射狀分布。對(duì)整體構(gòu)件，在動(dòng)臂的不同工作狀況下其內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)的分布在不斷變化。其最大受力狀態(tài)及危險(xiǎn)工作狀態(tài)均出現(xiàn)在鏟斗挖掘時(shí)(即產(chǎn)生最大挖掘阻力)。通過(guò)動(dòng)臂應(yīng)力分布圖可看出其危險(xiǎn)截面的存在位置在動(dòng)臂后部接近處，發(fā)生斷裂方式主要為剪切彎斷。4.2.2如圖4－3所示，板、下蓋板、左側(cè)板、右側(cè)板各一塊焊接而成的箱形結(jié)構(gòu).每塊板均是厚度為8m的Q235鋼板。與動(dòng)臂聯(lián)接的軸座采用Q235材料鑄造而成，在圓周上焊有兩塊筋板以提高強(qiáng)度。與鏟斗、連桿聯(lián)接的軸座均由35鋼管加工而成。在框架的不同位置還焊有四塊筋板以提高強(qiáng)度。斗桿為動(dòng)臂與鏟斗中間連接部件，是鏟斗在工作時(shí)的主要實(shí)現(xiàn)部件，其結(jié)構(gòu)形式與動(dòng)臂相比，前后端跨度較小，但安裝孔位較多。如圖所示，P處與動(dòng)臂連接，P處與動(dòng)臂P處通過(guò)油缸連接，P處通過(guò)油缸同連桿連接，P為連接鏟斗處。連桿與鏟斗、斗桿形成4點(diǎn)四邊形，通過(guò)P處油缸的伸縮來(lái)完成鏟斗挖掘。其最大受力狀態(tài)同樣為鏟斗產(chǎn)生最大挖掘阻力時(shí)，P處所受拉伸力和P處部件所受剪切力。而P和P處均受平行壓力或斜壓力作用。因而其構(gòu)件發(fā)生斷裂破壞在P、P處，P處部件為剪切破壞，P處為拉伸破壞，最終表現(xiàn)為疲勞斷裂。圖4-3斗桿結(jié)構(gòu)圖4.2.3鏟斗為易損件，其在工作裝置中的受力較簡(jiǎn)單，前后支座交替受壓、拉應(yīng)力作用，主體在挖掘時(shí)磨損破壞為主要破壞形式，故在此不再分析其斷裂破壞方式的原因。4.3不同工況下姿態(tài)的選取4.3.1圖4-4有限元工況I當(dāng)工作裝置處于最大挖掘深度，鏟斗機(jī)構(gòu)以最大挖掘力作業(yè)，如圖4-4示，此時(shí)斗桿油缸和鏟斗油缸全縮，動(dòng)臂位于最低，動(dòng)臂油缸作用力臂最短，斗齒尖在鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)和斗桿與動(dòng)臀鉸點(diǎn)延長(zhǎng)線上。斗桿油缸和動(dòng)臂油缸閉鎖，該位置也是校核動(dòng)臂油缸閉鎖力及整機(jī)穩(wěn)定性的重要位置。由ADAMS原樣機(jī)仿真研究得到，動(dòng)臂油缸閉鎖力1.65E+05N，斗桿油缸閉鎖力1.017E+05N,鏟斗油缸作用力4.35E+04N,顯然動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)研究。1..動(dòng)臂上作用的載荷：工作部件的重量，動(dòng)臂油缸閉鎖力,斗桿油缸的閉鎖力。2.邊界條件：對(duì)動(dòng)臂與轉(zhuǎn)臺(tái)鉸接處的UX,UY,UZ,ROTX,ROTY，釋放Z方向的旋轉(zhuǎn)約束（ROTZ），用以模擬鉸接約束。3.最大VonMises應(yīng)力出現(xiàn)在動(dòng)臂與轉(zhuǎn)臺(tái)鉸接處，數(shù)值為191.5N/mm，如圖4-7所示，工作裝置的應(yīng)力沒(méi)有超出極限應(yīng)力的范圍，設(shè)計(jì)是安全的。但是在該點(diǎn)發(fā)生應(yīng)力集中并接近屈服極限的情況，說(shuō)明該點(diǎn)受力已到極限狀態(tài)，如果受到較大沖擊載荷，可能發(fā)生斷裂和屈服破壞，要注意此位置的結(jié)構(gòu)及制造工藝。(Q235屈服極限為235N/mm)。4.3.2圖4-5有限元工況II反鏟裝置的斗桿(尤以標(biāo)準(zhǔn)和加長(zhǎng)斗桿)強(qiáng)度主要為彎矩所控制，故共計(jì)算位置可根據(jù)反鏟工作中挖掘阻力對(duì)斗桿可能產(chǎn)生的最大彎矩來(lái)確定。根據(jù)斗桿工作情況的分析印試驗(yàn)說(shuō)明，斗桿危險(xiǎn)斷面最大應(yīng)力發(fā)生在采用鏟斗挖掘的工況下。如圖4-5示，動(dòng)臂位于最低(動(dòng)臂液壓缸全伸)；斗桿液壓缸作用力臂最大，斗齒尖位于鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)和斗稈與動(dòng)臂鉸點(diǎn)連線的延長(zhǎng)線上，注意有側(cè)齒遇障礙作用有橫向力。鏟斗機(jī)構(gòu)以最大挖掘力作業(yè)，動(dòng)臂位于最低，動(dòng)臂油缸作用力臂最短，斗齒尖在鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)和斗桿與動(dòng)臀鉸點(diǎn)延長(zhǎng)線上。斗桿油缸和動(dòng)臂油缸閉鎖，該位置也是校核動(dòng)臂油缸閉鎖力的重要位置。由ADAMS原樣機(jī)仿真研究得到，動(dòng)臂油缸閉鎖力1.65E+05N，斗桿油缸閉鎖力8.58E+04N,鏟斗油缸作用力4.97E+04N,顯然斗桿與動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)都應(yīng)當(dāng)作強(qiáng)度分析。1.對(duì)反鏟裝置作用的載荷：各個(gè)工作部件的重量，鏟斗最大挖掘阻力。2.邊界條件：對(duì)動(dòng)臂與轉(zhuǎn)臺(tái)鉸接處的UX,UY,UZ,ROTX,ROTY，釋放Z方向的旋轉(zhuǎn)約束（ROTZ），用以模擬鉸接約束。3.如圖4-8所示，動(dòng)臂上最大VonMises應(yīng)力出現(xiàn)與動(dòng)臂油缸鉸接處，數(shù)值為117.6N/mm，最大應(yīng)力小于極限應(yīng)力，設(shè)計(jì)是安全的。如圖5-9所示，斗桿上最大VonMises應(yīng)力出現(xiàn)在與動(dòng)臂鉸接處及不同板厚焊接處，但最大應(yīng)力96N/mm小于極限應(yīng)力，設(shè)計(jì)是安全的。只是要注意焊接不同厚度板單元時(shí)焊縫處的工藝處理。(Q235屈服極限為235N/mm,35號(hào)鋼的屈服極限315N/mm)。4.3.3圖4-6有限元工況III如圖4-6所示，動(dòng)臂位于動(dòng)臂液壓缸最大作用力臂處；斗桿位于斗桿液壓缸最大作力臂處，斗齒尖位于鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)和斗稈與動(dòng)臂鉸點(diǎn)連線的延長(zhǎng)線上，正常挖掘，即挖掘阻力對(duì)稱(chēng)于鏟斗，無(wú)側(cè)向力作用，鏟斗機(jī)構(gòu)以最大挖掘力作業(yè)。斗桿油缸和動(dòng)臂油缸閉鎖，該位置也是校核斗桿油缸閉鎖力和動(dòng)臂油缸閉鎖力的重要位置。由ADAMS原樣機(jī)仿真研究得到，動(dòng)臂油缸閉鎖力1.69E+05N，斗桿油缸閉鎖力1.37E+05N,鏟斗油缸作用力8.62E+04N,顯然斗桿與動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)都應(yīng)當(dāng)作強(qiáng)度分析。1.對(duì)反鏟裝置作用的載荷：各個(gè)工作部件的重量，鏟斗最大挖掘阻力。2.邊界條件：對(duì)動(dòng)臂與轉(zhuǎn)臺(tái)鉸接處的UX,UY,UZ,ROTX,ROTY，釋放Z方向的旋轉(zhuǎn)約束（ROTZ），用以模擬鉸接約束。3.如圖4-10所示，動(dòng)臂上的最大VonMises應(yīng)力出現(xiàn)在與轉(zhuǎn)臺(tái)鉸接處，數(shù)值為232.6N/mm最大應(yīng)力接近許用應(yīng)力，設(shè)計(jì)不安全。如圖4-11所示，斗桿上的最大VonMises應(yīng)力出現(xiàn)在與動(dòng)臂鉸接處及不同板厚焊接處，數(shù)值為186N/mm，但最大應(yīng)力小于屈服極限，設(shè)計(jì)是安全的，只是要注意焊接不同厚度板單元時(shí)焊縫處的工藝處理。(Q235屈服極限為235N/mm,35號(hào)鋼的屈服極限315N/mm)4.4挖掘裝載機(jī)生產(chǎn)中所采用的最新工藝材料目前幾大國(guó)際著名挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，在制造水平上有了進(jìn)一步提高，新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝廣泛應(yīng)用，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量、使用壽命和可靠性。主要有以下幾方面:1、強(qiáng)化樹(shù)脂止推片—接觸面的耐磨性?xún)?yōu)于傳統(tǒng)的不銹鋼止推片，具有防止出現(xiàn)噪音的效果；2、WC（碳化鎢）溶射—斗桿前端與鏟斗連接部分的接觸面溶射WC，在部件表面形成硬質(zhì)膜，大大減少了接觸面的磨損；3、新型日N襯套—在傳統(tǒng)的日N襯套內(nèi)表面加開(kāi)了油脂槽，提高了油脂保持量，使加油間隔延長(zhǎng)到500小時(shí)；4.5有限元計(jì)算小結(jié)本文首先利用ADAMS的后處理測(cè)量功能，確定了三組油缸施力于動(dòng)臂和斗桿上的作用力的大小和方向，然后再利用美國(guó)公司推出的ALGOR有限元分析軟件，對(duì)動(dòng)臂進(jìn)行實(shí)體建模，網(wǎng)格劃分，加載和求解以及后處理，繪出了動(dòng)臂和斗桿的應(yīng)力圖，從圖上可明顯地看出最大應(yīng)力作用位置及最大應(yīng)力的大小，據(jù)此可合理布置橫隔板及肋板以增加抗扭剛度及側(cè)板的穩(wěn)定性，避免在內(nèi)力較大的斷面附近拼接鋼板，以免應(yīng)力集中和削弱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并注意對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱部分作適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)處理。完成了對(duì)動(dòng)臂和斗桿的強(qiáng)度分析，并對(duì)WZ30-25液壓挖掘裝載機(jī)的強(qiáng)度進(jìn)行校核，證明其原始設(shè)計(jì)尺寸和橫斷面形狀變化合理。通過(guò)以