搜索有限元技術(shù)的工程機(jī)械設(shè)計
2013-06-10 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
作者: 唐覺明 來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 挖握裝載機(jī) 三維造型 有限元分析 應(yīng)力分布 強(qiáng)度
運(yùn)用三維設(shè)計軟件Solidworks對工程機(jī)械中的挖掘裝載機(jī)的主要部件鏟斗進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)造型設(shè)計,并運(yùn)用內(nèi)嵌在Solidwork:中的有限元分析系統(tǒng)Cosmosf Works時其進(jìn)行強(qiáng)度分析,模擬仿真直觀地分析出其在工作受載狀態(tài)下的應(yīng)力分布情況,然后經(jīng)過分析計算,優(yōu)化出挖掘裝載機(jī)鏟斗的合理結(jié)構(gòu)和尺寸,縮短挖掘裝載機(jī)的設(shè)計制造周翔,并降低其設(shè)計制造成本,提高其安全可靠性。
1挖掘裝載機(jī)鏟斗的三維建模
(1)挖掘裝載機(jī)鏟斗的組成
挖掘裝載機(jī)鏟斗部件是由動臂、連桿、鏟斗零件組成,它是一個連桿機(jī)構(gòu),各個桿件的長度尺寸將直接影響該部件中鏟斗的運(yùn)動軌跡(即工作性能),而各個桿件的橫截面尺寸將直接影響該部件的承載能力。
(2)挖掘裝載機(jī)鏟斗部件的三維建模
運(yùn)用三維設(shè)計軟件Solidworlcs,通過拉伸〔Extrade) ,旋轉(zhuǎn)(Revolve )、切割( Cut)和抽殼(Shell),放樣(Loft.),掃描(Sweep)等三維特征造型功能.將挖掘裝載機(jī)鏟斗部件的各個零件創(chuàng)建成三維模型。再根據(jù)各零件模型的隸屬關(guān)系裝配成如圖1所示的挖掘裝載機(jī)鏟斗部件的裝配體三維模型。
內(nèi)嵌在三維設(shè)計軟件Solidworks中的有限元分析系統(tǒng)CosmoslWorks是當(dāng)今工程界較好的有限元分析軟件之一,其能非常迅速地實(shí)現(xiàn)對大規(guī)模的復(fù)雜設(shè)計的分析和驗(yàn)證,并獲得修正和優(yōu)化設(shè)計所需的信息。
在此,通過對挖掘裝載機(jī)鏟斗部件進(jìn)行有限元分析和研究,求出其在工作受載狀態(tài)下的應(yīng)力分布情況,并計算出其失效的部位,然后對應(yīng)力集中及失效區(qū)域進(jìn)行局部加強(qiáng)處理,以保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度,提高挖掘裝載機(jī)的掘起力、下挖力和整體式車架的可靠性,確保整機(jī)的工作性能。
2.1挖掘裝載機(jī)鏟斗部件的載荷及約束分析
建立挖掘裝載機(jī)鏟斗部件的Solidworks三維模型以后.根據(jù)設(shè)計的要求來檢驗(yàn)設(shè)計的強(qiáng)度,首先,在保證動臂、連桿、鏟斗等零件幾何精度的前提下,對三維模型作如下簡化:將一些小的特征進(jìn)行壓縮,如倒角、圓角以及小孔等;壓縮掉一些不影響整體結(jié)構(gòu)性能的零件,如螺栓、螺母等;根據(jù)其工作要求確定工作載荷為 100 kN,其約束為動臂固定在機(jī)架上。簡化后的三維模型如圖2所示。
2.2挖掘裝載機(jī)鏟斗部件的有限元分析方法
Cosmos/Works提供了5種有限元分析方法:(靜力分析(Static Analysis ) ; ( 2 )頻率分析(Frequency Analysis) ; (3 )彎矩分析(Buckling Analysis);(4)熱分析(Thermal Analysis);(S)優(yōu)化設(shè)計分析(Optimization Analysis);根據(jù)挖掘裝載機(jī)鏟斗部件應(yīng)力分析的需要,在此采用靜力分析法。
2.3有限元計算原理
有限元就是對連續(xù)物體離散化,在物體內(nèi)部和邊界上劃分節(jié)點(diǎn)。用許多離散的單元來逼近原來復(fù)雜的物體,如圖3所示。
2.4挖掘裝載機(jī)鏟斗部件的有限元網(wǎng)格劃分
網(wǎng)格自動劃分是CAE軟件的關(guān)鍵,由于挖掘裝載機(jī)鏟斗部件是用Solidworks三維實(shí)體建模的。所以采用拋物線性四面體實(shí)體單元作為劃分單元。另外,在有限元分析中,網(wǎng)格劃分必須要滿足一定的條件,四面體單元的長寬比要接近1,在這個鏟斗的有限元劃分時,鏟斗的厚度為12mm,所以單元劃分的時候,最長單元的邊長控制在12 mm左右。實(shí)際劃分時選了3mm邊長控制單元。劃分結(jié)果為四面體實(shí)體單元64 306個,自由度數(shù)128915。
2.5挖掘裝載機(jī)鏟斗部件的有限元求解方法
Cosmos/Works對于靜力分析提供3種求解方法:Direct Sparse,FFE和FFEPlus。一般來說,3種求解方法對同一問題的求解結(jié)果基本相似,但在選擇時應(yīng)注意:(1)對于大型和特大型問題(自由度大于300 000個)應(yīng)優(yōu)先使用FFEPIu。求解方法;(2)對于小型和中型問題(自由度在100 000個到300 000個)應(yīng)優(yōu)先使用 Direct匆e、或FFE求解方法。對于裝配體問題并且考慮了零件間的相互接觸、相互摩擦和不同材質(zhì)時優(yōu)先使用Direct Sparse求解方法,由于本例的自由度數(shù)128 915,因此本例使用Direct Spanse求解方法。求解所得的應(yīng)力分布情況如圖4所示。
2.6挖掘裝載機(jī)鏟斗部件的有限元計軍強(qiáng)度分析
由圖4所示的鏟斗部件的應(yīng)力分布圖可見,鏟斗部件的應(yīng)力主要集中在聯(lián)接動臂與鏟斗回轉(zhuǎn)副的聯(lián)接板處(如圖4中的白色區(qū)域)。最大應(yīng)力達(dá)到6.935E8,鏟斗部件發(fā)生了失效。圖5為鏟斗部件的失效圖,圖中白色區(qū)域即為鏟斗部件的失效部位。
2.7基于有限元計算結(jié)果的挖掘裝載機(jī)鏟千郡件的改進(jìn)設(shè)計研究
為了改善鏟斗部件的應(yīng)力集中,消除失效,采用如下改進(jìn)設(shè)計方案:
(1)通過增加肋的寬度,減小應(yīng)力集中,將肋的寬度從30二增加到SO mra,此時該處的最大應(yīng)力從6.378E8下降到5.925E8,其改善應(yīng)力集中的效果一般,圖6所示是其應(yīng)力分布圖,由圖可見應(yīng)力集中現(xiàn)象還是存在(圖中白色區(qū)域即為應(yīng)力集中部位),再由相應(yīng)的鏟斗部件的失效圖可見,鏟斗部件還是發(fā)生了失效(見圖7),圖中白色區(qū)域即為鏟斗部件的失效部位。由此可見,該方案也不是理想方案。
(2)通過增加2塊300 mm長的后蓋板,同時增加鏟斗壁厚,改善應(yīng)力集中,從其應(yīng)力分布圖可見應(yīng)力集中現(xiàn)象改善很多(圖8中白色區(qū)域很少),再由相應(yīng)的鏟斗部件的失效圖可見鏟斗部件失效現(xiàn)象消失了.圖9中白色區(qū)域消失了),滿足強(qiáng)度要求。由此可見,該方案可行。
3結(jié)語
以上依據(jù)有限元計算分析結(jié)果,對挖掘裝載機(jī)的各種改進(jìn)設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)選,這種基于有限元技術(shù)的設(shè)計分析方法,大大提高了工程機(jī)械的設(shè)計速度和設(shè)計可靠性,同時也大大縮短了工程機(jī)械產(chǎn)品及其系列產(chǎn)品的開發(fā)周期,降低了產(chǎn)品開發(fā)的成本。
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