□高 碩 □曹 巖 □王強(qiáng)鋒 □劉長(zhǎng)柱

西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 西安 710021

1 研究背景

SEM650B型液壓裝載機(jī)在作業(yè)時(shí)會(huì)承受扭轉(zhuǎn)、拉壓等多種載荷作用，對(duì)裝載機(jī)工作裝置的強(qiáng)度和剛度有較大影響。工作裝置是帶液壓缸的空間多桿機(jī)構(gòu)，在作業(yè)過程中，施加在關(guān)鍵部件動(dòng)臂上的載荷變化多樣，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，使液壓缸開裂，所以正確分析動(dòng)臂 的受力狀況，對(duì)改善動(dòng)臂工作性能非 常重 要[1-2]。筆 者應(yīng)用SolidWorks軟件建立了SEM650B型裝載機(jī)工作裝置三維模型，如圖1所示。應(yīng)用ANSYS軟件創(chuàng)建裝載機(jī)動(dòng)臂有限元模型[3]，并對(duì)動(dòng)臂進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析，最終得到應(yīng)力與變形云圖[4]。所做研究對(duì)合理使用現(xiàn)有機(jī)型或進(jìn)行創(chuàng)新，具有借鑒作用。

▲圖1 裝載機(jī)工作裝置三維模型

2 分析流程

仿真分析主要包括以下4個(gè)步驟：①根據(jù)液壓裝載機(jī)圖紙?jiān)赟olidWorks中進(jìn)行三維建模；②將裝載機(jī)工作裝置的三維模型導(dǎo)入ANSYS，并建立動(dòng)臂的有限元模型；③根據(jù)工況計(jì)算，對(duì)動(dòng)臂施加約束和載荷；④在ANSYS中進(jìn)行有限元仿真，后處理得出應(yīng)力與變形云圖，并進(jìn)行分析。

具體分析流程如圖2所示。

3 工況介紹

由于SEM650B型裝載機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)特殊，各裝置鉸接點(diǎn)處軸線相互平行，因此用數(shù)學(xué)函數(shù)來近似替代[5]。動(dòng)臂位置UG和鏟斗位置角U確定后，裝載機(jī)工作裝置的作業(yè)狀態(tài)就是唯一的。選擇UG和U作為自變量，建立SEM650B型裝載機(jī)工作裝置作業(yè)過程動(dòng)態(tài)模擬數(shù)學(xué)模型：工作裝置作業(yè)狀態(tài)=F（UG，U）。

SEM650B型裝載機(jī)工作裝置的循環(huán)作業(yè)過程如下：地面鏟掘工況→地面收斗工況→運(yùn)輸工況→動(dòng)臂舉升過程→上限收斗工況→上限卸料工況→動(dòng)臂下降，鏟斗自動(dòng)放平至地面鏟掘工況，并為下一循環(huán)作業(yè)過程做好準(zhǔn)備。

SEM650B型裝載機(jī)工作裝置各構(gòu)件之間由鉸銷連接，有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。動(dòng)臂下鉸點(diǎn)與裝載機(jī)前車架鉸接，動(dòng)臂中部鉸點(diǎn)與動(dòng)臂液壓缸鉸接，動(dòng)臂上鉸點(diǎn)與斗桿鉸接[6]。當(dāng)鏟斗挖掘力最大時(shí)，動(dòng)臂可能出現(xiàn)最大彎矩，此時(shí)可確定動(dòng)臂危險(xiǎn)工況的位置。

4 動(dòng)臂有限元分析

4.1 實(shí)體模型

實(shí)體模型建立是分析的重要一步，可以保證有限元模型的準(zhǔn)確性和可靠性。鑒于SolidWorks建模簡(jiǎn)單、快捷等優(yōu)點(diǎn)，選擇SolidWorks進(jìn)行建模。動(dòng)臂主體框架由上、下蓋板和左、右側(cè)板焊接而成[7]。在建立有限元模型時(shí)，對(duì)整體剛度影響較小的限位板、吊耳等構(gòu)件均予以忽略。動(dòng)臂三維模型如圖3所示。

▲圖3 動(dòng)臂三維模型

4.2 有限元模型

將三維模型導(dǎo)入 ANSYS，單元選擇 Solid185。Solid185單元用于構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)，并且具有超彈性、應(yīng)力剛化、蠕變等優(yōu)點(diǎn)。在定義單元類型時(shí)，選擇Element Type 中的 Add/Edit/Delete 來添加單元類型[8]，應(yīng)用表面效應(yīng)單元加載，選擇Material Props中Material Models來定義材料屬性，動(dòng)臂材料為Q345鋼，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。

對(duì)動(dòng)臂采用自由網(wǎng)格劃分，選擇四面體結(jié)構(gòu)[9]，如圖4所示。在鉸銷孔等特征處需要對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，因?yàn)殂q銷孔為主要受力區(qū)域，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。圓孔只有加密后才能體現(xiàn)出圓弧的特征，如果網(wǎng)格較少，圓孔體現(xiàn)出多邊形特征，則結(jié)構(gòu)實(shí)際情況會(huì)失真。劃分網(wǎng)格總數(shù)為42 804，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為9 479，如圖5所示。

▲圖4 動(dòng)臂網(wǎng)格劃分

▲圖5 動(dòng)臂節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格加密

4.3 邊界條件

對(duì)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)施加約束，動(dòng)臂結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作中并沒有固定約束部分，處于動(dòng)平衡狀態(tài)[10]，外載荷主要作用在鉸銷孔處。施加的所有約束可以消除結(jié)構(gòu)的全部剛體自由度，同時(shí)也不會(huì)對(duì)動(dòng)臂產(chǎn)生附加約束。如果在動(dòng)臂節(jié)點(diǎn)上直接施加約束，由于約束本身會(huì)引起附加剛度，這樣會(huì)影響計(jì)算結(jié)果。實(shí)際采用彈簧方式，在節(jié)點(diǎn)上建立對(duì)地彈簧，約束彈簧端部，通過調(diào)整彈簧剛度來避免約束節(jié)點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加剛度，同時(shí)還可以通過約束彈簧端部來消除剛體位移，打開慣性釋放，如圖6所示。

對(duì)鉸銷孔進(jìn)行加載，如圖7所示。

▲圖6 動(dòng)臂施加約束

▲圖7 鉸銷孔加載

4.4 后處理與結(jié)果分析

經(jīng)過后處理的動(dòng)臂結(jié)構(gòu)有限元分析位移云圖和應(yīng)力云圖分別如圖8和圖9所示。

▲圖8 動(dòng)臂位移云圖

由圖8、圖9可見，動(dòng)臂最大變形量為0.45 mm，說明動(dòng)臂的變形在正常范圍內(nèi)。最大等效應(yīng)力為96.511 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度（345 MPa）。

▲圖9 動(dòng)臂應(yīng)力云圖

可見，動(dòng)臂結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度和剛度要求。在動(dòng)臂與斗桿的連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中，因此在制造過程中應(yīng)控制焊接位置，保證焊接質(zhì)量。

5 結(jié)束語

基于ANSYS對(duì)SEM650B型液壓裝載機(jī)動(dòng)臂進(jìn)行有限元分析，動(dòng)臂應(yīng)力較大之處主要是動(dòng)臂與斗桿的鉸接處，以及動(dòng)臂與斗桿液壓缸鉸接的附近區(qū)域，變形出現(xiàn)在動(dòng)臂與斗桿液壓缸接觸區(qū)域及靠近底座的一段區(qū)域，分析結(jié)果為裝載機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了參考。利用SolidWorks與ANSYS之間良好的接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，避免數(shù)據(jù)丟失，彌補(bǔ)了ANSYS建模功能的不足，有效提高了設(shè)計(jì)效率。