【毕业论文】27m3矿用挖掘机斗杆结构有限元分析本科生毕业（论文）

本科生毕业设计（论文） 中文题目：中文题目：27m27m矿用挖掘机斗杆结构有限元分析矿用挖掘机斗杆结构有限元分析 英文题目：英文题目：The Finite Element Analysis of the Dipper Handle of the 27 m3 Mining Shovel 摘要 摘摘 要要 挖掘机结构非常复杂，往往是多发动机同时驱动，其工作环境恶劣，外载 荷随机性变化，因此在设计大型矿用挖掘机时，为了使其能够作业安全，工作 顺畅，除必要的理论分析和静强度计算外，还必须要进行动力学分析和有限元 分析，以保证在设计之初机械的动强度及可靠性。 介绍了国内外挖掘机的发展状况，以及本课题研究的意义及内容。本文是 对挖掘机进行静力学及有限元分析，适应我国矿用挖掘机发展的需要，充分利 用前人的研究成果和已有的实验数据，在 P材料包括弹 性、塑性、粘弹性、热塑性以及复合材料、聚合材料等新型材料。除了固体和 流体力学问题外，有限元法还应用于金属和塑料成型、电磁场分析、无损探伤、 优化设计等许多专门领域。 有限元方法又称有限元素法（The Finite Element Method,简写为 FEM） ， 是求解边值或初值问题，建立在特定场函数离散化基础上的一种数值方法，是 20 世纪中期兴起的应用数学、力学及计算机科学相互渗透、综合利用的交叉 学科。 有限元方法的实质是用有限个单元体的组合代替连续体，化无限自由度问 题为有限自由度问题；是用有限子域的组合代替一个连续域，化连续场函数的 微分方程求解问题为有限个参数的代数方程组求解问题。对于大多数形状和边 界条件复杂的工程问题，要想获得问题的解析解答是不可能的，只能寻求各种 近似的数值方法，而有限元方法是一种行之有效的数值分析方法。 4.2 有限元方法的历史有限元方法的历史 有限元法始于本世纪四十年代初期，当时数学家 R.Courant 用三角形单元 计算棱杆的扭转问题，M.J. Turner 将这一方法运用到工程设计中并加以推广， 在五十年代中期，他们用平面分析法求解了复杂的飞机结构问题。他们得到的 有限元分析方程属于以节点位移为未知量的矩阵位移方法。M.J.Turner 的顾问 R.Courant 把这种新的工程计算方法拓广到土木工程上，并在一篇题为“平面 分析的有限单元法”论文中首先使用“有限元法” （Finite Element Method）这 个名称。初期的有限元都是以单一的位移场作为未知量，它在单元间边界上满 足协调条件，故称之为位移元或协调元。位移元有列式简单、计算量小、易于 在计算机上实施的优点。当然也有其缺陷，对于平板弯曲问题与薄壳问题，在 引用变分法时，位移元要求挠度及其导数都连续，这样很难建立单元内插值形 第 1 章 绪论 24 函 第 4 章 斗杆的有限元仿真分析 25 函数。另外，位移元对于奇异性问题效率较低，对不可压缩材料存在“自锁” 现象。 六十年代中期，美国麻省理工学院卞学磺教授提出了一种新的有限元模型。 最初，这种模型基于最小余能列式，在单元内部假设应力，同时独立的在单元 边界上假设位移。由于不需要单元内部位移，所以前面提到的问题都不存在了。 1976 年，卞学磺教授将这一模型取名为“杂交应力模型” 。1968 年，卞学磺和 董平提出在单元邻界上为了保持单元间面力平衡，约束条件要由一个新的独立 变量即单元邻界上的协调位移作为拉氏乘子引入，于是得到修正的余能原理。 由此以后，借助于单元边界上的拉氏乘子建立起来的有限元都称之为“杂交元” 。杂交元避免了“自锁”问题，对非线性问题如弹塑性问题或蠕变问题，杂交 应力元的精度相对位移元来说，也有需要改进的地方。例如，假设应力时，往 往有许多可能，而应力与位移搭配不当，就会出现多余机动模式。 七十年代初，E.L.Wilson 等人提出了非协调单元，即在单元位移插值中附 加内部节点的位移项，使插值函数中的二次项趋于完备，从而改进了位移等参 元的计算精度。但它对任意形状的单元不能通过补片试验。R.L.Taylor 给出了 通过补片试验的补救方法，即用等参座标元点处的雅可比值来代替雅可比矩 阵。 八十年代初，唐立民，陈万吉等人提出了拟协调元，它通过对几何方程的 加权积分进行离散来得到假设的应力参数与节点位移的关系。这里应力与应变 有相同的插值函数。从变分法来看，拟协调元是基于 Hu-Washizu 广义变分原 理，以位移场、应力场、应变场为变量的多变量有限元。 到现在，基于有限元技术的大型通用程序已发展得非常完善，广泛的应用 于各个工程领域。 4.3 有限元方法的基本思想有限元方法的基本思想 假想把弹性连续体分割成数目有限的单元，并认为相邻单元之间仅在节点 第 4 章 斗杆的有限元仿真分析 26 处相连。根据物体的几何特征、载荷特征、边界约束特征等，单元有各种类型。 切点一般都在单元边界上。切点的位移分量作为结构的基本未知量，这样组成 的有限元单元集合体，并引进等效节点力及节点的约束条件，由于节点数目有 限，就成为具有有限自由度的有限元计算模型。它代替了原来具有无限自由度 的连续体，也就是有限元离散化。 在此基础上，对每一单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数来近 似模拟其位移分量的分布规律，即选择位移模式，再通过虚功原理(或变分原 理或其它方法)求得每个单元的平衡方程，这就建立了单元节点与节点应力之 间的关系。 最后，把所有单元的这种特性关系，按照保证节点位移连续和节点应力平 衡的方式集合起来，就可以得到整个物体的平衡方程组。引入边界约束条件后， 解此方程组，就求得节点位移，并可计算出各单元应力。 从上述论述可见，有限元法的实质是把具有无限多个自由度的弹性连续体， 理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题化为适合于数值解法的结构 型问题。因此，只要研究并确定有限个小单元的力学特性，就可以根据结构分 析的方法求解，使问题得到简化。 4.4 有限元分析方法的概括有限元分析方法的概括 1、物体的离散化 就是将拟分析的物体假想地分成有限个分区、分块或分块的集合体表示原 来的物体，籍此建立起单元力学分量与未知分量的关系式。 2、挑选形函数或插值函数 物体或结构离散化后，用被称为位移模式或位移函数的近似函数对单元内 的一些力学量进行描述，单元的位移模式需满足一定的条件。 3、确定单元的性质 所谓确定单元的性质就是对单元的力学性质进行描述。一般用单元的刚度 第 4 章 斗杆的有限元仿真分析 27 矩阵 （或柔度矩阵）来描述单元的性质，确立单元节点力与位移的关系。 4、组成物体的总性质方程组 组成物体的总性质方程组就是由单元刚度矩阵集成表示整个物体性质的总 刚度矩阵（或总柔度矩阵） ，从而建立起整个物体已知量总节点载荷与整个 物体的未知量总节点位移或应力的关系。 5、解方程组 上述所形成的总性质方程组往往数目庞大，可能是几十个、几百个、甚至 于成百上千万个，对于这些方程组需要运用一定的计算数学方法解出其未知数。 6、进一步计算 在求得整个结构物的未知量后，可进一步求得单元的未知量。在有限元法 的物理数学描述中，一般有两种求解微分方程的方法：力法和位移法。由于 位移法可以满足动力学的协调性，并且通过借助于与时间有关的位移矢量，可 用于动态和非线性问题，同时通过与位置有关的附加函数可保证满足几何的边 界条件，所以有限元法一般都采用位移法求解。 由上面的过程还可以看出，用有限元法解决问题工作量很大，不借助于电 子计算机的帮助，有限元法的广泛应用是相当困难的。 4.5 应用软件应用软件 ANSYS 的介绍的介绍 4.5.1 ANSYS 软件简介软件简介 ANSYS 系统是由美国 ANSYS 公司研制开发的一个大型通用分析软件， 它融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体，在核工业、铁道、石油化工 二航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、 生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域都有着广泛的应用。 自 1970 年美国匹兹堡大学里学教授 John Swanson 博士开发出 ANSYS 以 来，在 30 多年发展过程中，ANSYS 不断改进提高，功能不断增强。ANSYS 软件是第一个通过 ISO 9001 质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工 第 1 章 绪论 28 第 4 章 斗杆的有限元仿真分析 29 程师协会（ASME） 、美国核安全局（NQA）及近二十种专业技术协会认证的 标准分析软件。 4.5.2 ANSYS 的主要特点的主要特点 1、能实现单场及多场耦合分析功能。 用户不但可用其进行诸如结构、热、流体、电、磁等的单独研究，还可以 通过多场耦合处理工具，实现复杂的多物理场耦合分析。例如：热结构耦 合，磁结构耦合以及电磁流体热耦合等。 2、能够实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化。 在分析过程中，ANSYS 将所有的数据保存在同一数据库中，它用不同的 扩展名区别不同的文件。这样不但方便了用户操作，还使用户可在前后处理的 任意时刻访问任意数据，同时为多场数据提供了良好的管理。 3、具有多物理场优化功能。 ANSYS 引入变分技术，使得优化过程不再进行多次叠代，一次性计算就 可以得到优化设计，并可以进行多目标优化和离散优化。 4、显式、隐式算法的互补，扩大了 ANSYS 的非线性求解范畴，从一般 的非线性问题直至爆炸力学问题均可以在 ANSYS 中得到解决，显式、隐式交 替计算，可很好的解决动力学中冲击与静态问题并存的过程。 5、多种求解器分别适用于不同问题及不同的硬件配置。 6、支持从微机、工作站到巨型机的所有硬件平台，以及所有平台之间的 并行计算。 7、支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、 数据文件全部兼容。 8、多种自动网格划分技术。 ANSYS 提供了四种网格划分技术：延伸划分、映像划分、自由划分和自 适应划分。此外，ANSYS 还可以实现自由网格到映像网格的过渡，也可以根 第 4 章 斗杆的有限元仿真分析 30 据结构位移调整流体网格等。 9、丰富的 CAD 接口。 ANSYS 可与大多数的 CAD 软件集成并有接口，利用 ANSYS 提供的数据 接口，可精确地将在 CAD 系统下生成的几何数据传入 ANSYS 中，并对其分 网求解。这样就不必因为在分析系统中重新建模而浪费时间。 10、多层次多框架的产品系列。 产品系列由一整套可扩展的、灵活集成的各模块组成，因而能满足各行各 业的工程需要。也因此，用户只需要购买自己需要的模块即可，从而节约费用。 11、良好的用户开发环境。 ANSYS 具有宏(Macro )、参数设计语言(APDL)、用户可编程特性三个层 次的用户开发功能，可以综合应用菜单、对话框、工具条、命令行输入、图形 化输出等多种方式，从而使应用更加方便。 12、方便的二次开发功能。 应用宏、参数化设计语言、用户可编程特性、用户自定义界面语言、外部 命令等功能，可以开发出适合自己特点的应用程序。 4.6 有限元模型的建立有限元模型的建立 ANSYS的有限元分析功能虽然强大，但它的实体造型功能相对薄弱，用它 创建具有复杂特征的零件是相当繁琐和困难的。由于工作装置结构较为复杂， 可以先在UG中创建实体模型，再将*.prt模型传给ANSYS以进行有限元分析。 为了保证计算精度，网格要尽量划分的细一些。同时还要考虑到计算时间。 所以在不影响计算结果的情况下，将网格划分的要粗一些。该模型划分网格时 使用的是六面体网格，并且处于必要性同时也是为了控制网格的数量，不同的 部分网格的大小也不一样，受力大的部分网格要划得密一些。 第 4 章 斗杆的有限元仿真分析 31 4.7 单元类型的选择单元类型的选择 由于工作装置的实际结构主要是由薄钢板焊接成的，且几何模型很复杂， 故划分有限元模型的单元类型选择三维实体单元 Solid45。 Solid45 单元类型一般用于规则实体结构模型，单元通过 8 个节点来定义， 每个节点有、三个方向的移动自由度。该单元有塑性、蠕变、膨胀、xyz 应力刚化、大变形和大应变的性能。因此 Solid45 单元可以满足此计算的要求。 图 4-1 SOLID45 几何描述 4.8 网格划分简介网格划分简介 4.8.1 选择网格划分方式选择网格划分方式 ANSYS 提供两种网格划分方式：自由网格和映射网格。所谓“自由” ，体现在 没有特定的准则，对单元形状无限制，生成的单元不规则，基本适用于所有的 模型。映射网格则要求满足一定的规则，且映射面网格包含四边形和三角形单 元，而映射体网格只包含六面体单元。映射网格生成的单元形状比较规则，映 射网格只适用于形状规则的体和面。 第 1 章 绪论 32 自由网格生成的内部节点位置比较随意，用户无法控制。若想要控制内部 第 4 章 斗杆的有限元仿真分析 33 节点的位置，用户应考虑选择映射网格。 4.8.2 指定单元划分形状指定单元划分形状 在划分生成的二维单元及三位单元时，可以定义单元形状。二维单元可以 定义为四边形或三角形，三维单元可以定义为六面体或四面体。 图 4-2 斗杆有限元模型 4.9 边界条件边界条件 斗杆在正常挖掘时，其上端部受到推压装置的限制，在挖掘时受到推压力及支 反力的作用，下端部与铲斗铰接，铲斗受到提升机构的提升力及矿石的重力作 用。在实际处理时，把斗杆固接于铲斗上，即认为斗杆为悬臂结构。在约束斗 杆时，由于提升力和矿石重力的作用作用点在铲斗上，所以约束住斗杆与推压 装置相连接的一端，这样就可以直接将力施加于各受力节点上。 4.10 工况的确定及载荷计算工况的确定及载荷计算 4.10.1 工况工况 1 1、该工况下，工作装置位置描述 斗杆处于理论水平位置并且全部伸出，斗齿尖处于推压轴高度，挖掘处于 第 4 章 斗杆的有限元仿真分析 34 推压轴高度的矿石，铲斗装满矿石，铲斗遇到了坚硬的矿石，提升滑轮组作用 力达到了最大值。具体工作位置如图 4-3 所示。 2、该工况下载荷确定 该工况下工作装置受力如图 4-3 所示。计算时以受力位置为计算位置，表 4-1 为工作装置受力值。 提升力；卷筒周边钢绳拉力；最大推压反力；变幅钢绳Q t P 1 TS 拉力；、动臂支座反力沿、轴向分力；侧向挖掘阻力； x R y Rxy k W 动臂重力；铲斗重力；铲斗内矿石重力；斗杆重力。 bi G d G tu G b G 图 4-3 工况 1 工作装置受力图 第 4 章 斗杆的有限元仿真分析 35 表 4-1 工作装置受力值 斗杆 自重 b G 满斗 总重 tu G 动臂 自重 bi G 变幅钢 绳拉力 S 提升 力 Q 切向 力 2 W 推压 反力 1 T 卷筒钢 绳拉力 t P 挖掘 力 k W kNkNkNkNkNkNkNkNkN 32421941042052075600645510 3.该工况下斗杆受力分析 铲斗受力有矿石对斗齿的反作用力、，它们作用在斗边的斗齿上； 1 W 2 W 挖掘时遇到了坚硬的矿石，产生横向力；铲斗自重，斗杆自重和这 k W d G b G 些重量造成推压轴处置反力。斗杆上具体加载方式如图 4-4 所示。 1 T 图 4-4 斗杆受力加载模型 4.10.2 工况工况 2 1、该工况下，工作装置位置描述 特殊挖掘工况，动臂处于最小倾角，斗杆全伸出，其方向垂直于动臂的中 第 4 章 斗杆的有限元仿真分析 36 心线，此时铲斗进行挖掘，斗内装满矿石。具体工作位置如图 4-7 所示。 2、该工况下载荷确定 该工况下工作装置受力如图 4-5 所示。计算时以受力位置为计算位置，表 4-2 为该工况工作装置受力值。 表 4-2 工作装置在工况 2 时受力值 提升力；与相对应的卷筒周边钢绳拉力；推压反力；变幅钢绳拉力；Q t PQ 1 TS 、动臂支座反力沿、轴向分力；作用在斗子侧边齿上的侧向挖掘阻力； x R y Rxy k W 动臂重力；铲斗重力；铲斗内矿石重力；斗杆重力 bi G d G tu G b G 图 4-5 工作装置在工况 2 的受力图 斗杆 自重 b G 满斗 总重 tu G 动臂 自重 bi G 变幅钢 绳拉力 S 提升 力 Q 切向 力 2 W 推压 反力 1 T 卷筒钢 绳拉力 t P 挖掘 力 k W kNkNkNkNkNkNkNkNkN 32421941042065075680700580 第 4 章 斗杆的有限元仿真分析 37 3.该工况下斗杆受力分析 铲斗受力有矿石对斗齿的反作用力、，它们作用在斗边的斗齿上； 1 W 2 W 挖掘时矿石对其产生横向力；铲斗自重，斗杆自重和这些重量造成 k W d G b G 推压轴处置反力、。斗杆具体加载方式如图 4-6 所示。 1 T 2 T 图 4-6 斗杆受力加载模型 4.11 斗杆强度刚度分析斗杆强度刚度分析 根据前面确定的载荷及约束情况，通过计算可以得到上述两个工况的计算 结果。 4.11.1 工况工况 1 1斗杆应力分布 该工况下，斗杆的应力分布如图 4-7 所示。 第 4 章 斗杆的有限元仿真分析 38 图 4-7 斗杆应力分布云图 第 4 章 斗杆的有限元仿真分析 39 由斗杆应力分布云图 4-7 可以看出斗杆与铲斗固结处应力较大为。MPa113 由于挖掘时遇到坚硬的矿石，提升力达到最大值，挖掘力达到最大值，推压装 置的推压力达到最大值，铲斗满载，斗杆处于理论水平位置，所以这些力对该 处产生的力矩达到最大值，同时斗杆自重造成的弯矩最大。根据实际经验，在 此工况，斗杆与铲斗固结处为危险截面，从分析结果来看与实际情况基本相符。 从斗杆应力分布云图上还可以看出斗杆与推压轴接触处应力最大，达到 。计算时约束住斗杆与推压轴接触处，此时斗杆可以看作是悬臂梁，MPa127 悬臂梁固定端受到的应力都较大，所以此处为危险截面。 4.11.2 工况工况 2 1.斗杆应力分布 该工况下，斗杆的应力分布如图 4-8 所示。 第 4 章 斗杆的有限元仿真分析 40 图 4-8 斗杆应力分布云图 从图 4-8 斗杆应力分布云图中可以看到，斗杆与推压装置接触处有最大应 力，应力值为。此时斗杆仍被看作是悬臂梁，梁固定端受力较大，视MPa108 为危险截面。 从图 4-8 斗杆应力分布云图中还可以得到，斗杆与铲斗固结处仍有较大应 力，应力值为。提升力、挖掘力、推压力、斗杆自重、铲斗及矿石重MPa96 力，这些力对该处产生的力矩。 第 5 章 结论 41 第第 5 5 章章结论结论 5.1 结论结论 本文在有限元基本理论的指导下，运用挖掘机部分装置的现代设计方法， 实现了一种基于UG和ANSYS软件对于挖掘机斗杆装置进行自动化分析的策略。 在计算斗杆尺寸参数，分析斗杆结构及约束的基础上，应用UG软件建立了 挖掘机斗杆的特征模型 基于在动力学理论获得挖掘机斗杆的受力数据，应用ANSYS软件对斗杆进 行了结构静力的有限元分析。 5.2 展望展望 当前，我国挖掘机行业正处在一个历史性发展关键时期。2000 年我国挖 掘机产量为 8111 台，2001 年猛增到 12569 台，挖掘机的销量也从 2000 年的 7926 台跃升到 2001 年的 12397 台。2001 年与 2000 年比较，全国挖掘机的产、 销量分别增长 55%和 56%。2002 年是我国工程机械行业历史上增长速度最快、 经济形势最好的一年，堪称“井喷之年” 。挖掘机产品全年销量 1.9 万台，同 比增长 58%，挖掘机在整个工程机械行业中是产、销量增长最快的机种之一。 2004 年国内生产销售挖掘机 33000 台，比 2003 年回落 1000 余台，其中出口 较往年有大幅增长，达到 2000 多台。产销下降始于 2 月份，6 月份到 8 月份 下降得最厉害，10 月份开始回升。05 年工程机械行业经历了宏观调控的大浪 淘沙，市场形势发生了翻天覆地的变化，就挖掘机而言，国内品牌市场份额上 升，已经接近 15%，而此前 3 年国内品牌的市场占有率分别是 5%、8%、10%。这几年我国把 70%的精力放在了国产挖掘机上，一个又一个 地解决了科技难题，从自主化设计到自主化生产，凝聚了一代又一代人的心血， 希望能够取得累累硕果。 参考文献 42 参考文献参考文献 1LINEAR, NONLINEAR AND CLASSICAL CONTROL OF A1/5TH SCALE AUTOMATED EXCAVATOR E. Sidiropoulou_, E. M. Shaban_, C. J. Taylor_, W. Tych, A. Chotai_ Engineering Department, Lancaster University, Lancaster, UK, c.taylorlancaster.ac.ukEnvironmental Science Department, Lancaster University, Lancaster, UK 2MULTI-ARM MECHANISM DESIGN MINIMIZING HINGE REACTIONS BETWEEN ARMS W. GUTKOWSKI, J. BAUER and Z. IWANOW Institute of Fundamental Technological Research, Polish Academy of Sciences, Swietokrzysk