許盛輝

(廈門恒立興機(jī)械有限公司，福建 廈門 361026)

元結(jié)構(gòu)理論在快速連接器上的分析及應(yīng)用

許盛輝

(廈門恒立興機(jī)械有限公司，福建 廈門 361026)

利用元結(jié)構(gòu)理論對(duì)快速連接器進(jìn)行了有限元分析計(jì)算，并利用快速連接器的CAE分析，驗(yàn)證了采用Solid Works建立三維數(shù)學(xué)模型，再導(dǎo)入ANSYS Workbench模塊進(jìn)行機(jī)械構(gòu)件的有限元分析計(jì)算方法和步驟的正確性，為相關(guān)工程技術(shù)人員提供了一種分析方法。

Solid Works； ANSYS Workbench； 快速連接器； 靜力學(xué)分析

挖掘機(jī)配備的快換連接器又稱快速接頭，安裝在挖掘機(jī)工作裝置前端[1]?？梢詫?shí)現(xiàn)不用人工拆卸銷軸就能迅速完成各種挖掘機(jī)屬具如挖斗、松土器、破碎錘、液壓剪、抓木器、抓石器等的更換，使挖掘機(jī)擴(kuò)展破碎、剪切、清除、壓實(shí)、銑刨、推運(yùn)、夾送、抓取、鏟刮、疏松、吊裝等多種作業(yè)[2]。整個(gè)屬具更換過(guò)程操作簡(jiǎn)便、安全可靠，大大提高了挖掘機(jī)的工作效率。

由于快速連接器承擔(dān)了挖掘機(jī)屬具快換的功能，使用頻率高容易造成疲勞破壞，故對(duì)快速連接器的靜力分析，受力形變顯得尤為重要[3]。

1 元結(jié)構(gòu)理論

元結(jié)構(gòu)理論，就是以單元晶體的結(jié)構(gòu)性能預(yù)測(cè)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)性能的方法。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者利用元結(jié)構(gòu)理論對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)做設(shè)計(jì)分析，不僅節(jié)省設(shè)計(jì)建模的工作量，而且提高分析效率，是一種由局部結(jié)構(gòu)特性推導(dǎo)整體結(jié)構(gòu)特性的有效方法。

徐燕申[1]等發(fā)現(xiàn)筋格的動(dòng)態(tài)性能對(duì)機(jī)床床身的動(dòng)態(tài)性能有較大影響，但未充分利用筋格元結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性分析結(jié)果對(duì)床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，在一定程度上依然未能達(dá)到快速優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求。有限單元法是元結(jié)構(gòu)理論應(yīng)用的具體方法，BUTLER[2]等使用有限元軟件分析了元結(jié)構(gòu)尺寸和振動(dòng)的關(guān)系，以此為基礎(chǔ)，提出整體設(shè)計(jì)的方案，并用有限元軟件做了驗(yàn)證。

設(shè)系統(tǒng)的自由度為N，阻尼為比例阻尼，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為：

系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣為：

由此傳遞函數(shù)矩陣可知，只需得到矩陣中的某一行或某一列單元，則包括了矩陣的全部信息。

對(duì)于結(jié)合部單元的動(dòng)力學(xué)模型，首先分別建立子結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)有限元模型,然后組裝成系統(tǒng)方程。子結(jié)構(gòu)1的動(dòng)力學(xué)方程為：

其中，結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移為u；u11是子結(jié)構(gòu)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)位移；u21是彈簧-阻尼單元與子結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)位移。

同理,子結(jié)構(gòu)2的動(dòng)力學(xué)方程為：

其中，結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移為u；u33是子結(jié)構(gòu)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)位移；u23是接觸面上與彈簧-阻尼單元連接的節(jié)點(diǎn)位移。

結(jié)合部由等效的彈簧-阻尼單元模擬，不考慮質(zhì)量，動(dòng)力學(xué)方程為：

式(1)、(2)、(3)分別為結(jié)合部單元的兩個(gè)子結(jié)構(gòu)和彈簧-阻尼的動(dòng)力學(xué)模型，有f21=-f12，f23=-f32，u12=u21，u23=u32。綜合以上3個(gè)方程可以得到結(jié)合部單元的動(dòng)力學(xué)方程為：

2 元結(jié)構(gòu)分析

利用SolidWorks建立快速連接器的模型，如圖1所示。

圖1 快速連接器Solid Works模型Fig.1 Solid Works model of quick connector

快速連接器在自由狀態(tài)下，通過(guò)ANSYSWorkbench軟件對(duì)快速連接器進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，以便優(yōu)化設(shè)計(jì)快速連接器。選取有限元分析模型如圖2所示。

圖2 快速連接器有限元模型Fig.2 Finite element model of quick connector

圖2中，6根軸實(shí)際工件并無(wú)此軸，在受力時(shí)通過(guò)其它工件上的軸傳到此工件上，故在此標(biāo)出，受力可在軸表面上加載。ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)軟件，ANSYSWorkbench是ANSYS軟件一個(gè)模塊，包括前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊3部分。

2.1 網(wǎng)格劃分

快速連接器材料為45鋼，密度7.85g/cm3,彈性模量210GPa,泊松比0.3；有限元模型采用四面體和六面體實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整機(jī)節(jié)點(diǎn)總數(shù)為552 739個(gè)，有限元單元個(gè)數(shù)為130 115，劃分網(wǎng)格如圖3。

圖3 快速連接器網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh generation of quick connector

2.2 給快速連接器添加約束及載荷

軸1、2 為固定軸，軸3、4有30t力，軸5、6相向20t力。如圖4(圖中每個(gè)受力箭頭都有所標(biāo)力的大小)自重600kg。

圖4 快速連接器受力圖Fig.4 Force diagram of quick connector

設(shè)置軸1、2為固定軸，如圖5，軸3受力情況如圖6中A、F，分別為300 、200kN,軸4如圖6中B，受力300kN,軸5如圖6中C，受力200kN,另外軸6如圖6中D、E，受力均為200kN(圖中每個(gè)受力箭頭都有所標(biāo)力的大小)。

圖5 固定軸設(shè)置Fig.5 Fixed axis setting

圖6 各軸受載設(shè)置Fig.6 Axle load setting

2.3 求解

點(diǎn)擊運(yùn)行，開(kāi)始求解。得到快速連接器的應(yīng)力應(yīng)變圖解如圖7、8所示。展示了快速連接器的應(yīng)力應(yīng)變分布。

圖7 快速連接器應(yīng)變圖解Fig.7 Strain diagram of quick connector

圖8 快速連接器應(yīng)力圖解Fig.8 Stress diagram of quick connector

從計(jì)算結(jié)果可看出，快速連接器的靜力最大總變形為0.297 08mm，最大應(yīng)力為311.16MPa。從整機(jī)的受力變形來(lái)看，快速連接器的靜力最大總變形在軸4上，單獨(dú)對(duì)軸4靜力分析，結(jié)果如圖9、10所示。

對(duì)軸4進(jìn)行靜力分析可知，其最大靜力變形為0.297 08mm，最大應(yīng)力變形為187.22MPa。

3 結(jié)論

通過(guò)元結(jié)構(gòu)理論對(duì)快速連接器進(jìn)行了分析計(jì)算，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)原有快速連接器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。分析結(jié)果表明，快速連接器的軸4受力變形最大，這與快速連接器在實(shí)際使用中受到變形破壞的位置一樣。在工程實(shí)踐中把軸4的直徑加大3%左右后，在近1年的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有發(fā)生失效現(xiàn)象。可見(jiàn)，基于元結(jié)構(gòu)理論的分析方法具有較好的推廣價(jià)值，對(duì)相關(guān)工程技術(shù)人員有一定的指導(dǎo)性。

圖9 軸4應(yīng)變圖解Fig.9 Strain diagram of axis 4

[1]徐燕申，張興朝，牛占文，等．基于元結(jié)構(gòu)和框架優(yōu)選的數(shù)控機(jī)床床身結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)研究[J]．機(jī)械強(qiáng)度，2001，3(1)：1-3．

[2]ButlerSL，DhingraAK.Integratedstructureandcontroldesignofactivelycontrolledstructuresusingsubstructuredecomposition[J].EngineeringOptimization，2003，35(4)：325-340.

[3]陳國(guó)俊.液壓挖掘機(jī)(原理、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、計(jì)算)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011.

[4]羅銘.工程機(jī)械屬具發(fā)展及中國(guó)市場(chǎng)展望[J].工程機(jī)械文摘，2009(6):19-21.

[5]劉春麗.挖掘機(jī)快換裝置的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].大慶：東北石油大學(xué)，2013.

[6]滿佳，張連洪，陳永亮.基于元結(jié)構(gòu)的機(jī)床結(jié)構(gòu)可適應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J].中國(guó)機(jī)械工程，2010，21(1)：51-54，66.

[7]李小彭，趙志杰，聶慧凡，等．某型數(shù)控車床床身的模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]．東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32(7)：988-991．

(責(zé)任編輯： 陳雯)

The application of element structure theory in quick connectors analysis

Xu Shenghui

(Xiamen Everbooming Machine Co., Ltd., Xiamen 361026，China)

Finite element analysis of quick connector was conducted in terms of element structure theory. A 3D mathematic model was constructed via Solid Works, and ANSYS Workbench modules were introduced to the model to perform finite element analysis of mechanical components. The feasibility of the finite element method was verified with ANSYS Workbench.

Solid Works; ANSYS Workbench; quick connector; statics analysis

2016-11-16

許盛輝(1970- )，男，福建沙縣人，工程師。

10.3969/j.issn.1672-4348.2016.06.010

TH122

A

1672-4348(2016)06-0563-04