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                          • 经典案例
                            • 有限元分析在机械产品设计的应用
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                            • 挖掘机铲斗有限元计算和强度分析

                            挖掘机铲斗有限元计算和强度分析

                            时间:2017-12-16 16:01 所属行业:挖掘机、强度分析、有限元分析

                            有限元分析
                                液压挖掘机是工程机械的主要产品之一,具有较高的技术含量,它被广泛应用于矿山开采、道路施工、国防建设、农用水利等基本建设之中。铲斗是挖掘机工作装置(铲斗、斗杆、动臂)3大部件之一,是主要承载件。在挖掘过程中,铲斗直接承受很大外力,铲斗与矿岩的接触滑移,造成铲斗激烈的磨损。作业环境的状况也对铲斗的强度和变形在一定程度上造成很大影响。因此,铲斗结构性能的好坏对挖掘机工作的影响非常重要。目前,在国内液压挖掘机设计中,对斗杆和动臂的应力分布进行分析较多,而对铲斗的应力分布规律研究得较少。下面结合挖掘机的实际作业工况,对挖掘机铲斗在受力最大的典型工况下挖掘时进行强度分析和变形分析,为挖掘机铲斗设计提供理论依据。
                            1、强度分析模型的建立
                            1.1、分析方案及条件
                                利用有限元进行强度分析的过程是:前处理,建立几何模型,将几何模型理想化,施加材料参数和载荷约束条件,进行网格划分;通过软件进行有限元分析计算;后处理,将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示,也可将结果以图、表、曲线形式显示或输出。使用Pro/MECHANICA模块,可以将几何模型转换成有限元模型进行分析求解,并以图形方式显示分析结果。
                                首先,在Pro/E模块中对铲斗进行三维造型,其次以铲斗受力最大的工况,计算出有限元强度分析的载荷数据,最后应用Pro/MECHANICA模块对铲斗进行强度分析。
                            1.2、有限元分析模型的建立
                                根据已知的尺寸数据,在Pro/E中进行挖掘机的铲斗三维实体造型,为方便划分网格,在对结果不产生影响的情况下,对结构和模型进行简化,得到分析所用的实体模型。
                            1.3、材料条件的确定
                                挖掘机铲斗两侧板采用的材料是20CrMnMo,其它部分所采用的是16Mn。采用20CrMnMo。主要是为了耐磨和抗疲劳,根据以往经验可知,危险位置不在侧壁,因此分析时整体采用16Mn,20CrMnMo的各项性能指标均优于16Mn,所以这样不但不影响分析结果,还简化了分析过程。
                            1.4、载荷计算
                                对挖掘机铲斗进行强度分析时,分析采用的工况必须是有限元模型受力最大的危险工况。根据挖掘机的连接情况,使用Pro/MECH A NICA MOTION模块对其进行动力学分析,利用Pro/MECHANICA MOTION模块的运动仿真功能,模拟铲斗的运动情况,求出了铲斗受力最大的工况。铲斗的受力主要是挖掘力、铲斗内土的重力和铲斗自身的重力。铲斗的挖掘力可以采用Pro/MECHANICA MOTION的运动分析模块,对铲斗进行动力学分析,计算出各个状态下的铲斗挖掘力的受力情况,并输出铲斗受力图表。分析发现,铲斗受力最大发生在动臂处在最低位置,动臂缸全缩斗杆缸作用力最大。用铲斗油缸进行挖掘时,斗齿尖、斗齿尖与斗杆交点和斗杆与动臂交点三点成一直线,斗杆油缸与斗杆尾部之问的夹角为90°,铲斗的具体受力数值为:水平受力为83074.6 N,竖直受力为49656.6 N,重力为9039.27 N。
                            1.5、加载荷和确定约束条件
                                根据Pro/MECHANICA模块分析可知,以挖掘机铲斗最大受力状态作为强度分析工况,即假设铲斗的4个销孔固定。挖掘机铲斗主要承受的力是挖掘力水平分力与竖直分力的合力、侧向力和重力,侧向水平挖掘力侧向力影响不大,在这里忽略不计。对铲斗施加的约束和载荷,建立铲斗的有限元分析模型。
                            2、有限元强度分析结果
                                完成了有限元分析的一系列前处理工作(准备模型、添加载荷、指定边界条件、划分网格、编辑网格属性、优化设置)之后进行计算,进行有限元计算分析,绘制出铲斗强度分析的应力云图。
                                从强度校核计算可知,铲斗具有足够的设计强度。铲斗的变形很小,最大位移量为5.788 mm。总的来说,斗体前部斗齿、斗后壁耳板的根部、铰接处和补强区域受到的应力较大,但都低于许用应力,其它部位所受应力较小,大部分都低于100 MPa。
                            3、结果分析
                                (1)斗后壁的加强筋板是增加铲斗刚度和提高铲斗强度的关键,它不但可以大大降低斗后壁应力,而且可以化解应力集中,极大地提高了铲斗抗偏载、抗超载的能力。
                                (2)斗体前部的斗唇部件和两侧的加强筋板对改善铲斗的挖掘性能和提高斗体的强度都起到了不可替代的作用。
                                (3)铲斗后壁耳板比其它部位的钢板厚,从而提高了铰接部位抗交变复杂应力和磨损的能力。
                                (4)作业设备主体在挖掘过程中具有柔性,可以缓解力的作用,设备实际更偏于安全。
                                有限元分析的主要工作是数据准备和分析运算结果,建立正确的有限元分析模型(几何模型、材料参数、边界条件和载荷条件)才能运算出正确的结果,根据对运算结果的分析,不断发现产品设计中存在的问题,以此为依据对产品结构进行改进,为以后挖掘机设计和开发提供依据。

                                                                                                              专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
                                                                                                                                                                                    杭州那泰科技有限公司
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