（机械工程专业论文）装载机前车架参数化有限元分析技术研究.pdf

摘要 轮式装载机主要用于装卸散料和铲掘工作，广泛应用于建筑、矿山、铁道、 公路、水电等国民经济各部门。前车架是装载机工作装置的基础件，其它部件 装配在其上并与之形成一定的配合，前车架的强度、刚度直接影响着整机的使 用效果。前车架上有动臂上铰接孔、动臂液压缸连接孔和转斗液压缸连接孔， 若这些孔的刚度和强度设计不合理，不但会使装配困难，还会使动臂、动臂液 压缸、转斗液压缸、摇臂与前车架之间产生相互干涉现象，甚至造成液压缸的 拉伤、卡死和活塞杆变形，使装载机不能完成各种正常的作业，并导致前车架 的破坏。 论文基于国际大型通用有限元分析软件a n s y s ，进行某装载机前车架在 典型工况下的应力分析，得到在各工作状态下的整体应力分布，在此基础上研 究前车架的自动化强度、刚度参数化计算方法；最后通过理论研究、实际使用 效果对比，研究装载机前车架的设计思想和计算关键技术，为装载机前车架的 设计提供理论依据，以达到缩短设计周期，大幅度提高经济效益的目的。 关键词：装载机前车架强度有限元参数化建模 a b s t r a c t w h ll o a d e rm a i n l yi su s e dt ol o a d m eb u mm a t e r i a l sa n dt os h o v e l , w h i c hi sw i l l ya p p l i e di n 伽咀s 加删o n m i n i n g ，r a i l w a y s , h i g h w a y s , o fo t h e r n a t i o n a le c o n o m i cs e c t o r s t h ef r o n tf r a m ei 3t h eb a s i s m p 唧to ft h ew o f k e q u i p m e n to ft h el o a d e r , i nw h i c ht h eo t h e rc o m p o 嘲扭a r ea 蟠e m b l e d t h e s t 旧a g i ha n ds t i f 缸嚣so ft h ef r o n tf l - a r n e d i r e c th a v ea ni n f l 比n c eo l l m p l e t e m a c h i n e su 辩t h eh o l 嚣i nt h ef r o n tf r a m e ，w h i c ha u s e dt o n l l e c tt i f f - a r m , f i f i - a r mh y d r a u l i cc y l i n d e ra n db u c k e th y d r a u l i cc y l i n d e r , i si m p o r t a t md e s i g n i f t h es t 陀n g t ha n ds l i f f l l e s so ft h o s eh o l 璐a 腭u n r e a s o n a b l ei nd e s i g n , t h e s en o to n l y h a v es o m eb a di n f l u e n c e 翘船m _ b l y ，b ma l 他s i d ti ni n t e r f e r e n c ea m o n gl m - m n , l i f t - a r m , l i f t - a r mh y d r a u f i cc y l i n d e r , b k e th y d r a u l i cc y l i n d e r , r o c k e ra n df r o n t f r a n c ，“m a n g i eh y d r a u l i cc y l m d e ra n dp i s t o np o l e ，砌c hm a k el o a d 盯n o t w o r ka n dd 器t r o yb ef r o m 五砌e p a p e r s ，w h i c hb a s e o l lm t e r n a u o n a ll a 增e s j e 缸t ce l e m e n ta n a l y s i s f 】忸陀a n s y s h a v es o n 地s t r e 稻a n a l y s i so i lt h ef r o m 缸m ei i ls 0 m et y p i c a l 啪删呱g e t 位w h o l e s t r e s sd i s u i b u t i o 璐i nt h em a n yw o r k i l l gc o n c n 9 咄i nt h i s s t u d yb a s e do 西t h ea m o m a f i o no ft h ef r o n tf r a m es 旬陀n 驰s t i 肋e $ p a r a m e t e r c a l c u l a t i o nm e t h o d f i n a l l y ，b a s eo n 曲峙c o n t r a s tb e t w e e n 岫r e t i c a ls t u d ya n d a c t u a lr e s u l 乜p a p e r ss t u d yt h ed e s i g na n dc a l c u l a t i o no ff i o n t 丘a m e t h i sp a p e r p v i d ea 龋r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e s i g no f t h ef r o n tf l - a h l eo fal o a d e r , w h i c hc a n s h o r t e nt h ed e s i g nc ”l c ，g r e a t l ye n h a n c i n ge c o n o m i ce f f i c i e n c y k e yw o r d s ：l o a d 盯t h ef r o mf l o r a es t r e n g t h f i n i t ee l e m e n t 辽宁明书勿r 大学j 稿颞十学的：论文 l l 绪论 i i 选题的目的和意义 轮式装载机主要用于装卸散料和铲掘工作，广泛应用于建筑、矿山、铁道、 公路、水电等国民经济各部门。近年来，装载机的产量和品种发展较快，我国 2 0 0 6 年装载机产量已超过1 4 万量，成为世界上制造和应用装载机最多的国家。 前车架是装载机工作装置的基础件，其它部件装配在其上并与之形成一定 的配合，前车架的强度、刚度直接影响着整机的使用效果。前车架上有动臂上 铰接孔、动臂液压缸连接孔和转斗液压缸连接孔，若这些孔的刚度和强度设计 不合理，不但会使装配困难，还会使动臂、动臂液压缸、转斗液压缸、摇臂与 前车架之间产生相互干涉现象，甚至造成液压缸的拉伤、卡死和活塞杆变形， 使装载机不能完成各种正常的作业。并导致前车架的破坏。 ：本论文基于国际大型通用有限元分析软件a n s y s ，j 行某装载机前车架在 典型工况下的应力分析，得到在各工作状态下的整体应力分布，在此基础上研 究前车架的自动化强度、刚度参数化计算方法：最后通过理论研究、实际使用 效果对比，研究装载机前车架的设计思想和计算关键技术，为装载机前车架的 设计提供理论依据，以达到缩短设计周期，大幅度提高经济效益的目的。 1 2 国内外研究现状 随着科学技术的发展轮式装载机由于用途广，作业生产率高，机动性好和 短距离铲运土石方时作业成本低等优点，随着建筑、水利、采矿等大型工程发 展需要，国外轮式装载机向大功率、大斗容方向发展。例如，美国国际收割机 公司设计的5 8 0 型装载机。功率达1 0 7 5 h p ，斗容量为1 6 1 m 3 ，又如美国克拉 克公司设计的6 7 5 型装载机功率达1 3 1 6 h p 斗容量为1 8 4 巾3 。 随着装载机的大型化，相应地在动力、传动系统、制动系统、行走系统和 工作装置等方面，也有了相应的发展。 辽j 。】乃技a 驮学i 甬预世科艘2 1 ) 动力装置，目前占主导地位的仍是以柴油机为动力，。并普遍采用涡轮 增压，为了适应大功率装载机设计的需要，6 7 5 型装载机采用两台6 5 8 马力的 装载机并联使用，此外还有采用柴油机一发电机一电动机的动力驱动系统。美 国卡特彼勒公司正在研制以燃料电池为动力的下一代装载机 2 ) 传动系统，由于液力机械传动具有质量小、适用作业性能好，操作方 便等优点。因而，仍是普遍采用的结构形式。 3 ) 转向系统，普遍采用液压助力转向，并发展了全液压转向的设计方案。 4 ) 制动系统，多采用盘式的。但近几年卡特彼勒轮式装载机上采用了油 冷湿式多片制动器。这种制动器由于产生制动力的面积大和强制循环油冷却， 因而制动效果好，使用寿命长，并且磨损后能够自动补偿。 圈1 1 装载机结构件 5 ) 结构件，结构件由工作装置、前车架和后车架组成，前车架和后车架 通过上下铰销铰接，前后车架在水平面内可以相对转动。前车架主要由骨架、 翼箱及油缸耳座焊接而成，后车架主要由铰接架、大梁、付车架支撑架和车尾 架四大部分组成。 近四十年来，随着计算机技术的迅速发展，在工程结构强度分析中广泛 采用有限元法。在结构件强度有限元分析时中通常将工作装置、前车架或后车 架构件单独进行分析，载荷或约束施加到车架铰接点处，把连接的结构构件视 为刚体，计算结果和实际有较大误差。此外同一系列车架结构相近，在进行分 析时重复建模工作量大。本论文对装载机结构件进行整体建模并对前车架进行 有限元分析，开发前车架参数化分析软件，提高装载机的设计、研发水平。 辽t 于i 剩勘褂学i 磅殁峭罐莎论文3 1 3 本文研究的主要内容 通过对某装载机前车架的有限元分析，确定合理的前车架结构，本项目的 成果将解决装载机前车架设计中遇到的强度、刚度计算问题。避免前车架在服 役期间出现意外破坏现象。提高装载机的设计水平和产品的竞争力。形成的装 载机前车架参数化加载分析模型，可方便地应用于另外的不同结构和不同吨位 的其它前车架分析。具体研究内容如下： 1 ) 根据前车架和工作装置一体的模型。基于前车架设计方案的二维设计 图纸，在p r o e 环境下建立三维实体模型： 2 ) 将前车架三维实体模型导入a n s y s 9 1 ，生成有限元模型； 3 ) 确定分析工况及有限元计算。静强度分析：进行铲斗正载水平插入与 掘起联合作业、铲斗偏载水平插入、铲斗偏载水平插入与掘起联合作业、卸科、 举升、最高位置、运输过程、平地状态、最大倾翻力矩、转弯、前后车架单点 连接、一轮悬空、紧急制动、安装不同工作装置时等典型工况下的静力学有限 元分析，得出各工况下车架的应力分布规律和变形。 4 ) 基于a n s y s 软件实现前车架参数建模及分析，设计者只需要输入设 计参数就可以得到分析报告。 辽哼。1 碍教术人学l 帚预降学撇 4 2 有限单元法及其应用软件概述 2 1 有限单元法的发展 在当前的工程技术领域中，有越来越多的复杂结构，包括其复杂的几何形 状、复杂的载荷作用、复杂的支承约束等，需要去分析、去研究。对这些问题， 有些可以很方便地写出它们的基本方程和边界条件，但是却往往不可能求出它 们的解析解。这是因为大量的工程实际问题是非常复杂的，包括物体的几何形 状以及某些其他特征的不规则即随意性太大。有一些结构的形状甚至不可能用 简单的数学表达式表达出来更谈不上求解析解了。 这些工程实际问题，虽然复杂以至很少甚至没有解析解，但是仍然需要去 分析去研究去解决。克服这些困难可以有多种途径，一般可归结为两类：一种 是对复杂的问题作种种简化，提出许多假设，回避一些难点，最终简化为一个 j 骓够处理的问题。j 塞种方法有时是可行的，坦是由于太多的简化和假设，通常 将导致极不准确甚至是错误的解答。另一种可供选择的方法是尽可能保留问题 的各种实际状况，尝试寻求近似的数值解，放弃封闭形式的解析解，这是因为 近似数值解也可以满足工程实际需要。在计算机和计算技术飞速发展并广泛应 用的今天，这已经成为较为现实而又非常有效的选择。 目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法有：有限单元法、边界元法、 离散单元法和有限差分法，但就其实用性和应用的广泛性而言，主要还是有限 单元法。有限单元法的基本思想是将阀题的求解域划分为一系列单元，单元之 问仅靠节点连接。单元内部点的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插 值求得。由于单元形状简单，易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方 程式，然后将各个单元方程“组集在一起而形成总体代数方程组。计入边界条 件后即可对方程组求解。单元划分越细，计算结果就越精确。 有限单元法的思想早在4 0 年代初期就有入提出，但真正用于工程中则是 在电子计算机出现后。有限单元法于5 0 年代首先在连续体力学领域一飞机 结构静、动态特性分析中应用，印年代中期开始在汽车结构分析中得到应用。 辽宁竹鞋别v 哔1 篇颞十荆苛论文5 1 9 6 5 年英国0 c z i e n k i e w i e e 教授及其合作者解决了将有限元法应用于所有场 的问题，使有限元法的应用范围更加广泛。4 0 年来有限单元法的应用己由弹性 力学平面问题扩展到空问问题、板壳问题；由静力平衡问题扩展到稳定性问愿、 动力问题和波动问题；分析的对象从弹性力学扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和 复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域。 2 2 有限单元法的解题步骤 有限单元法的基本思想是将连续的区域离散为一组有限个且按一定方式 互相联系在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的方式进行组合，且单元 本身又有不同的形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。 有限单元法的基本原理以结构力学中的位移法为基础，把复杂的结构或连 续体看成有限个单元的组合，各单元彼此在结点处联结而组成整体。这里把连 续体分成有限个单元的过程，称之为离散化。先对单元特性进行分析，然后根 据各单元在结点处的平衡和协调条件建立方程，综合后作整体分析；这样先离 散再综合的过程，就把连续体的计算问题转化为简单单元的分析与综合问题。 其具体傲法如下： l 、结构的离散化 这是有限单元法的基础，就是用由有限个方位不同但几何性质及物理性质 均相似的单元组成的集合体来代替原来的连续体结构，单元之间仅在节点处和 其他单元及外部有联系。 2 、单元分析 这是有限单元法的实质内容，包括如下几步： ( i ) 取每个单元的节点位移p j 作为基本未知量 ( 2 ) 在单元内建立位移模式，即 f = 阿r 2 1 1 式中价为单元内任一点的位移向量； 国。是单元的节点位移向量：【】为 形函数矩阵，其元素是坐标的函数。 ( 3 ) 根据几何方程，由上式导出单元的应变表达式： 辽，j 。lm 宽求l 学l 弄辅删m 仑文 6 斜= 陋 。( 2 2 ) 式中 占 为单元内任一点的应变向董；嗍称为应交矩阵或几何矩阵。 ( 4 ) 利用物理方程，由上式导出单元的用节点位移表示的单元应力表达 式 p = 【d m = 【d p ) = 陋弦 ( 2 3 ) 式中 盯 为单元内任一点的应力向量；【剐称为应力矩阵，i s 2 【d 】【剀。 ( 5 ) 根据平衡条件或虚功原理，建立作用于单元上的节点力和节点位移 之间的关系式，即 f ) = 【x 。】 万) ( 2 - 4 ) 这里 ， 为单元的节点力向量：【丘】称为单元刚度矩阵， 【足t 】= = j l ：【曰】。【d 】【b 1 d 矿( 2 5 ) - 【】7 ， + 妒阳擗 p d f ( 2 - 6 ) 其中， p 侈 扫 分别为作用于单元上的集中力、面力和体力。 j 3 、整体分析 根据节点平衡方程。建立以整体刚度矩阵【捌为系数的整体节点位移 万 和外载 r ) 的关系式总体平衡方程； = k ( 2 7 ) 其中， k 为整体刚度矩阵，匀= ( 岛为整体刚度矩阵元素， 为单元刚度矩阵元素) ；( 5 ) 为整个结构的节点位移向量，( r ) 为整个结构的节 点载荷向量。由式( 2 - 7 ) 求出节点位移( 6 ) ，然后由式( 2 - 2 ) 、( 2 - 3 ) 求出各单 元的应变和应力 2 3 有限单元法的应用软件 有限单元法通过计算机软件在工程中得到广泛的应用。国际上较大型的面 向工程的有限元通用程序达到几百种，其中著名的有：a n s y s 、n a s t r a n 、 a s k a 、a d i n a 、s a p 等。它们多采用f o r t r a n 语言编写，规模达几万条 甚至几十万条语句。其功能越来越完善，不仅包含多种条件下的有限元分析程 辽昔。t 硝啦术k 孝1 帚珊计学崎做7 序而且带有强大的前处理和后处理程序。由于有限元通用程序使用方便、计算 精度高，其计算结果已经成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据，以 a n s y s 为代表的有限元软件，不断吸取计算方法和计算机技术的最新进展， 将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，己成为解决现代工程学问题 必不可少的有力工具。 美国a n s y s 公司是c a e 行业的知名公司在设计分析类软件中第一个 通过了i s 0 9 0 0 1 质量认证，现以该公司的有限元分析软件为例具体介绍此类 产品。软件主要包括三部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处 理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限 元模型：分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分 析、电压分析以及多物理场的藕合分析：后处理模块可将计算结果以彩色等值 线显示、梯度显示、矢量显示等图形方式显示出来或输出。软件提供了1 0 0 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种材料和结构。该类软件有多种不同 版本，可运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上。作为用户在购买和使 用此类软件时，可以从以下五个方面考评：网格划分、几何建模、与c a d 软 件的数据传递、图形技术和导航技术。只有这几方面都运行良好，才能充分满 足设计分析和仿真计算的需要。 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用 有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 开 发，它能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如i m e n g i n e e r , n a s t r a n ，a l o g o r , - d e a s ，a u t o c a d 等。 2 3 1a n s y s 软件功能简介 由于软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造 有限元模型；分析计算模块包括结构分析( 可迸行线性分析、非线性分析和高 度非线性分析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多 物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化 辽j r 丁雨崩爿h 孝1 栉l 则等啪i 论文 8 分析能力：后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、 粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形 方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了 1 0 0 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不 同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如p c ，s g i ， 珊，s l 肘，d e c ，i b m ，c 砒w 等。目前版本为a n s y s 7 0 版，其微机版本 要求的操作系统为w i n d o w s9 5 或w m d o w sn t , 也可运行于u n i x 系统下。微 机版的基本硬件要求为：显示分辨率为1 0 2 4 x 7 6 8 ，显示内存为2 m 以上。硬 盘大于3 5 0 m ，推荐使用1 7 英寸显示器。 启动a n s y s ，进入欢迎画面以后，程序停留在开始平台。从开始平台( 主 菜单) 可以进入各处理模块：p r e p 7 ( 通用前处理模块) ，s o l u l l o n ( 求解 模块) ，p o s t i ( 通用后处理模块) ，p o s t 2 6 ( 时间历程后处理模块) 。a n s y s 用户手册的全部内容都可以联机查阅。 用户的指令可以通过鼠标点击菜单项选取和执行，也可以在命令输入窗口 通过键盘输入。命令。经执行，该命令就会在l o g 文件中列出，打开输出窗 口可以看到l o g 文件的内容。如果软件运行过程中出现问题，查看l o g 文 件中的命令流及其错误提示，：将有助于快速发现问题的根源。l ( ) g 文件的内 容可以略作修改存到一个批处理文件中，在以后进行同样工作时，由a n s y s 自动读入并执行，这是a n s y s 软件的第三种命令输入方式。这种命令方式在 进行某些重复性较高的工作时，能有效地提高工作速度。 2 3 2 前处理模块p r e p 7 双击实用菜单中的“p r e p r o c c s s o r ，进入a n s y s 的前处理模块。这个模块 主要有两部分内容：实体建模和网格划分。 1 ) 实体建模 a n s y s 程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。 自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱， 称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直 辽，孺毖快学i 谓颚十制榴孜 9 接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。无论使用自 顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕 塑出”一个实体模型。a n s y s 程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、 相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布 尔操作能减少相当可观的建模工作量。a n s y s 程序还提供了拖拉、延伸、旋 转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切 线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、 用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除。 自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户 首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。 2 ) 网格划分 a n s y s 程序提供了使用便捷、高质量的对c a d 模型进行网格划分的功 能。包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。 延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户 将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成 映像网格。a n s y s 程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型 直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配 带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户 指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义 网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值 或达到用户定义的求解次数。 2 3 3 求解模块s o l i y r l o n 前处理阶段完成建模以后，用户可以在求解阶段获得分析结果。点击快捷 工具区的s a v e _ d b 将前处理模块生成的模型存盘，退出p r e p r o c e s s o r ，点击 实用菜单项中的s o l u t i o n ，进入分析求解模块。在该阶段，用户可以定义分 析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。 a n s y s 软件提供的分析类型如下： 辽f i 碍救黼1 稿甄叶学能艘 1 0 1 ) 结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻 尼对结构的影响并不显著的问题。a n s y s 程序中的静力分析不仅可以进行线 性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀，大变形、大应变 及接触分析。 2 ) 结构动力学分析 结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静 力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影 响。a n s y s 可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、 谐波响应分析及随机振动响应分析。 3 ) 热分析 程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种 类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固 化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热一结构耦合分 析能力。 4 ) 电磁场分析 主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、：电场 分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调 节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分 析领域。 5 ) 流体动力学分析 a n s y s 流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。 分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理 功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应 单元和热一流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。 6 ) 声场分析 程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流 体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究 记j i 褒毖 弘学i 程瞬峭咐：论度 | i 音乐大厅的声场强度分布或预测水对振动船体的阻尼效应。 7 ) 压电分析 用于分析二维或三维结构对a c ( 交流) 、d e ( 直流) 或任意随时问变化 的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦 克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静 态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。 8 ) 耦合场 自然界所有物理现象实际上都是多场耦合的a n s y s 各种物理场分析之间 可进行任意的耦合计算，即多物理场模拟多物理场模拟是在一次模拟中耦合 入多种物理现象的能力。 2 3 4 后处理模块p o s t l 和p o s t 2 a n s y s 软件的后处理过程包括两个部分：通用后处理模块p o s t l 和时间 历程后处理模块p o s t 2 6 z 通过友好的用户界面，。可以很容易获得求解过程的 计算结果并对其进行显示。这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度 及热滚等，输出形式可以有图形显示和数据歹l j 表两种。 1 ) 通用后处理模块p o s t l 点击实用菜单项中的“g e n e r a lp o s t p r o c ”选项即可进入通用后处理模块。 这个模块对前面的分析结果能以图形形式显示和输出。例如，计算结果( 如应 力) 在模型上的变化情况可用等值线图表示，不同的等值线颜色代表了不同 的值( 如应力值) 。派淡图则用不同的颜色代表不同的数值区( 如应力范围) ， 清晰地反映了计算结果的区域分布情况。 2 ) 时问历程响应后处理模块p o s t 2 6 点击实用菜单项中的t t m e h i s tp o s t p r o 选项即可进入时间历程响应后处理 模块。这个模块用于检查在一个时间段或子步历程中的结果，如节点位移、应 力或支反力。这些结果能通过绘制曲线或列表查看。绘制一个或多个变量随频 率或其它量变化的曲线，有助于形象化地表示分析结果。另外，p o s t 2 6 还可 以进行曲线的代数运算。 近卜1 捐勘f 醵学1 奈颐譬阮做 1 2 3 装载机前车架的有限元分析 3 1 几何模型的建立与简化 根据前后车架及工作装置的p r o e 三维图和l w 5 4 0 f 装载机的总体参数 建立3 d 实体几何模型。由于几何模型是按照制造、加工、装配的实际情况及 顺序建立起来的，未考虑有限元模型的要求，不适合直接转化成有限元模型， 必须在几何模型基础上进行简化，生成有限元分析所需的模型。 简化原则： l 、保证计算结果的准确性；2 、尽量减少节点数量；3 、保持总体结构不 变；4 、保留危险部位的细节结构。 简化方法： 1 、略去不必要的圆角；2 、以倒斜角取代倒圆角；3 、略去工艺结构；4 ， 略去不重要区的小孔及小尺寸细节结构：5 、简化非危险区的小尺寸细节结构。 3 2 有限元模型的建立 为了获德准确的前车架在各个工况下的应力分布，此次务析建立了 l w 5 4 0 f 机装载机前车架实体单元有限元模型，如图3 1 所示，模型中同时包 括了工作装置和后车架 j z j l 请教术大学一睛啊廿学f t 论文1 3 图3 - 1 实体单元有限元模型 由于装载机整车是个极其复杂的结构，车架的边界条件很难简化为一种简 单的约束，因此，建立了与车架相连并对车架约束起主要作用的部件的有限元 模型。各构件间的连接关系简化如下： 1 ) 油缸的处理对整个车架的应力分布有十分重要的影响。此次有限元分 析，建立了油缸的梁单元模型并采用理论推导，求得所建模型媳油缸的等效刚 度，通过调整材料的弹性模量来实现这个等效刚度，最后通过茕点自由度耦合 的方式和l i n k l 0 ( 仅受压的杆单元) 实现油缸与支座问的圆柱铰连接和前后车 架间的铰接连接。 2 ) 此次有限元分析建立了前、后桥的梁单元有限元模型。同时为约束前、 后桥，建立了车轮的有限元模型，由于只是要得到车轮对前、后桥的约束，不 关心其本身的应力情况，所以仅以梁来模拟车轮。 3 ) 装载机轮胎刚度较大，此次计算以弹性模量较大的梁单元模拟轮胎。 4 ) 不同的工况车轮与地面的约束方式不同，具体工况应力分析时再细述。 车架上载荷施加，车架除了自身重力外，其上主要作用有工作装置和油 缸传来的载荷。在一些特殊的工况下如转弯、制动等上况，要分别加载角速度、 制动减速度。载荷工况与分析条件 辽f f i 离投j 卧学明辑则焉啦论文 1 4 3 2 1 材料参数 材科参数如表1 所示。 表ll w 5 4 0 f 装载机材料参数 黼称僦睾9 弹擀e 枞刷懈q 抗谧 q 3 4 5 c 7 8 5 e 61 9 6 2 0 6 g p a0 33 4 54 7 0 6 3 0 q 2 3 5 a 7 8 5 e 6 1 9 6 2 0 6 g p a 0 3 2 3 53 7 5 5 0 0 3 2 2 计算工况 本项目建立了前车架、后车架和工作装置一体的力学模型，进行以下典型 工况下的静力学有限元分析。另外，为了对比左右立柱结构设计方案的优劣， l w 5 4 0 f 装载机前车架的左右立柱结构特意设计了两种方案，这样偏载工况可 分为左偏载工况和右偏载工况。 j ) 铲斗正载水平插入： 2 ) 铲斗正载掘起作业； 3 ) 铲斗正载水平插入与掘起联合作业； 4 ) - 铲斗偏载水平插入作业； 5 ) 铲斗偏载掘起作业； 6 ) 铲斗偏载水平插入与掘起联合作业； 7 ) 铲斗偏载水平插入与掘起联合作业，同时施加铲斗处的侧向力； 8 1 举升： 9 ) 最高位簧； 1 0 ) 运输过程： 1 1 ) 平伸状态( 最大倾翻力矩) ； 1 2 ) 转弯： 1 3 ) 一轮悬空； 1 4 ) 紧急制动。 辽宁丁雨戥沭大学1 篇顿+ 学撇 1 5 3 2 3 载荷参数 在进行前车架计算前，首先分析装载机的作业过程，并按照公认的装载 机总体载荷计算方法计算本次分析的各工况载荷。计算工况应取前车架受力最 大的作业工况。 3 2 3 1 正载水平插入和掘起联合作业 以最大牵引力水平插入，故水平载荷r z 为最大牵引力1 4 0 k n 。最大掘起 力按纵向稳定性计算( 后轮离地) ，故由图3 - 2 可得垂直载荷r y 为： 彤2g j l a l b 2 8 0 k n ( 3 1 ) 式中：g s 一装载机整机重量，1 6 5 t ； l a 一装载机重心到前轮中心距离，1 6 0 8 r a m ： l b r z 作用点到前轮中心距离，3 3 4 4 m m 。 载荷在铲斗宽度方向均布在斗刃上，作用点在距斗刃1 0 0 m 的位置。 图3 2 正我水平插入和掘起联合作业载荷作用示意图 3 2 3 2 偏载水平插入 此时，装载机所受水平载荷r z 受附着条件的限制，如图3 - 3 所示，其最 大值为： b = g o = 1 3 2 k n ( 3 2 ) 式中：g s 装载机整机重量，1 6 5 t ；尹一附着系数，0 8 。 作用点在距斗刃1 0 0 m ，距铲斗内壁1 0 0 m m 的位置。 作用点在距斗刃1 0 0 m ，距铲斗内壁1 0 0 r a m 的位置。 辽中旰g 技术 学1 蒂颚十学向i 论文 1 6 图3 3 偏载载水平插入作业载荷作用示意图 3 2 3 3 偏载水平插入和掘起联合作业且铲斗侧向受力 此时，以最大牵引力水平插入，故水平载荷r z 为最大牵引力1 4 0 k n 。最 大掘起力按纵向稳定性计算( 后轮离地) ，可褥垂直载荷r y 为8 0 k n 。如图3 - 4 所示，侧向受力r x 由力平衡条件可得： r x = r z x l c i l b = 5 6 k n ( 3 3 ) 。；台 1 l j o i馆 ，i = 口 上l c 口r - - - - - 1 t 图3 - 4 偏载水平插入和崛起联合作业，且铲斗侧向受力作用载荷作用示意图 3 2 3 4 动臂平伸 装载机位于水平地面，斗内装满额定质量的物料，工作装置的机构使铲斗 处于离前桥的最远且平伸的位置。此时前车架的受力包括铲斗、动臂和物料的 自重等作用。为了统一对比前车架的在外载荷作用下的应力，暂时取动载荷系 数为1 。 配3 s 运输位置 j z r t 徉度术j 滞t 码预士学俺论文1 7 将装载机的工作装置调整到运输位置后前车架的受力主要包括铲斗、动臂 等工作装置自重和斗内物科自重产生作用力。为了统一对比前车架的在外载荷 作用下的应力，暂时取动载荷系数为l 。实际上。此工况应该根据工作装置的 液压缓冲系统和整机的动态特性测取动载荷系数，真实地反应运输工程中前车 架上的应力变化规律和应力分布规律，尤其是工作装置和物料的扭振导致的车 架应力增大。 3 2 3 6 最高位置 将工作装置置于最高的卸料位置，铲斗装满物料。前车架的受力为工作装 置自重和物料自重。本次计算时认为左右对称。 3 2 3 7 紧急制动 将装载机的工作装置调整到运输位置后，铲斗装满物料，并根据以往的设 计方法，假设地面可能提供给装载机制动的减速度为0 6 8 。 3 - 2 3 8 转弯工况 将装载机的工作装置调整到运输位置后，铲斗装满物料，根据以往的计算 方法；假设地面可能提供给装载机转弯的侧滑摩擦系数与牵引时相同，所以计j 算时施加侧向的加速度1 0 9 。 刍3 应力分析 通过所建l w 5 4 0 f 装载机装载机前车架实体单元模型，施加相应的约束和 载荷进行有限元分析，并在一定的强度评价指标下获得车架的应力分布。车架 的材料多为低碳钢，结构的失效形式一般为塑性屈服。因此，在强度分析时一 般采用第三或第四强度理论。第三强度理论未考虑主应力仃2 的影响，它虽然 可以较好的表现塑性材料( 如低碳钢) 塑性屈服现象。但只适用于拉伸屈服极 限和压缩屈服极限相同的材料。第四强度理论考虑了主应力仃2 的影响，而且 和实验较符合，与第三强度理论相比更接近实际情况。因而在强度评价中通常 采用第四强度理论导出的等效应力盯e ( 又称v o nm i s e s 应力) 来评价。 依据上述的第四强度理论，在已有的实体单元有限元模型的基础上进行 了有限元分析，得各工况下的分析结果。 i 翻7 i 篇数术姆1 第预七学娩文1 8 依据上述的第四强度理论，在已有的实体单元有限元模型的基础上进行 了有限元分析，得各工况下的分析结果。 3 3 1 正载工况铲斗位于地面铲入掘起联合作用 此工况铲斗位于地面。插入和掘起联合作用。载荷的大小和施加位置见 3 2 3 1 节。约束施加在轮胎与地面接触的位置，并且约束轮胎的转动和移动 自由度施加了边界条件的有限元模型如图3 - 5 所示。 图3 - 5 边界条件及其有限元模型 此工况下的应力云图图3 - 6 。等效应力的最大值为2 4 0 m p a ，其位置在侧 板圆角处，安全系数为1 a 4 。 如图3 _ 6 所示，立板圆角处的应力最大，其次为立扳的上部。应力值在 1 6 0 m p a - - 2 4 0 m p a 之间。立柱外板的应力也比较大，在实际前车架的破坏位置 处应力为1 3 7 m p a ，在动臂铰接孔和动臂缸铰接孔下方的应力为1 3 3 m p a 。此 外，车架上与前桥的连接板前加强筋的应力也比较大，其值为1 0 7 1 3 3 m p a 之间。 辽弓1 第爨沭大学l 球两吐学撇1 9 图3 - 6 正载一f ：况下应力主视图 如图3 - 7 所示，立柱的后板应力为1 3 3 m p a ，在动臂铰接孔的下方。立柱 底板圆角处的应力较大，其值为1 0 7 1 3 3 m p a 。立板圆角处的应力为1 8 7 1 , 6 p a 。 横梁的应力较j 近摇臂支座处和与立板的连接焊缝处大了1 0 7 m p a 。 图3 7 止载i ：况卜戍力后视图 3 3 2 偏载工况铲斗位于地面水平插入 此工况铲斗位于地面，插入物料。载荷的大小和施加位置见3 2 3 2 节。 约束施加在轮胎与地面接触的位置，并且约束轮胎的转动和移动自出度。施加 辽，i f l 释肋以带。i 弼醑峙钸 7 娩文2 0 亍边界条件的有限元模型如图3 - 8 所示。此图给出的是右侧偏载情况。 图3 - 8 偏载铲斗水平插入工况下有限元模型及其边界条件 外力作用下的前车架的应力如图3 - 9 所示。考虑车架自重的情况，车架的 最大应力仅为2 7 7 m 口a 。安全系数为1 4 5 。 如图3 毋示；。从等值线图标上可以看出此工况下应力最大值为2 7 7 m p ，但 是从下图中并不能看出其位置所在。侧板的大圆弧处应力较大，其值在2 2 5 m p 左右。横梁前侧与立柱交界处应力较大，约在1 5 4 m p 左右。前板圆角处应力 较大，其值大约为2 1 6 m p 。 辽宁工i 躲i 学皤啊砖啊微2 1 圈3 - 9 偏载铲斗水平插入，l ：况f 的前车架应力幽 3 3 3 偏载工况铲斗位于地面插入掘起侧向载荷联合作用 整车级别的前车架边界条件和有限元模型如图所示。 图3 1 0 偏载铲斗水平插入掘起一侧向作川 ：况的边界条什与有限元模型 外力作用下的前车架的应力如图3 一1 1 所示。考虑车架自重的情况，车架 的最大应力仅为3 2 3 m p a 。安全系数为1 0 7 。 幽3 1 l 偏载铲斗东平插入掘起侧向作则l ：况虑力圈 辽宁工程技来大学1 = 程硕l ：学位论文 2 2 3 , 3 4 动臂平伸 此工况为最大倾翻力矩的工况。有限元模型和边界条件如图3 1 2 所示。 轮胎与地面的接触处为全约束。在铲斗的质心处施加额定的载重量产生的重 力。 图3 1 2 动臂平仲工况边界条件与有限元模型 外力作用下的前车架的应力如图_ 3 j 3 所示。考虑车架自重的情况，车架 的最大应力仅为9 5 m p a 。安全系数为3 5 2 。 幽3 - 1 3 动臂平伸i ：况应力图 辽0 i 稿技a t 学莱殒十制论文 2 3 3 3 5 运输位置 运输位置时整车级别的前车架边界条件和有限元模型如图所示。 图3 1 彳运输位置时边界条件与有限元模型 应力结果如图3 一1 5 所示。最大应力为7 0 8 m p a ，位置在立板的圆角处。 应力安全系数为4 9 2 。 幽3 1 5 远输何苴前乍架麻力幽 辽宁丁待戥爿专 孝一啊鞠开t 钧砖 文 2 4 3 3 6 最高位置 铲斗位于最高位置时整车级别的前车架边界条件和有限元模型如图3 一1 6 所示。 图3 1 6 铲斗位于最高位置边界条件与有限元模型 外力作用下的前车架的应力如3 - 1 7 所示。考虑车架自重的情况，车架的 最大应力仅为7 4 m p a 。安全系数为4 6 6 。 3 3 7 右后轮离地 图3 - 1 7 铲斗位丁虽高t i ) = 置前车架应力图 后轮离地时整车级别的i i 车架边界条件和有限元模型如图3 1 8 所示。 辽宁3 笫啦槲可罔睫斟雉谠直2 5 圈3 1 8 后轮离地工况边界条件与有限元模型 外力作用下的前车架的应力如图3 1 9 所示。考虑车架自重的情况，车架 的最大应力仅为1 0 0 m p a 。安全系数为3 4 5 。 3 3 8 紧急制动 幽3 1 9 后轮离地时前卞架戍力图 紧急制动时整车级别的前车架边界条件和有限元模型如图3 - 2 0 所示。 辽铲e | 鹫旁阿学i 甬预十! 烈赫文 2 6 图3 ：j 石紧急制动时边界条砖及其有限元模型 外力作用下的前车架的应力如图3 2 1 所示。考虑车架自重的情况，车架 的最大应力仅为9 9 m p a 。安全系数为3 4 9 。 豳3 2 l 紧急制动i 前下架应力图 迁j 啸教a 氓学1 科呀h 啦论文2 7 3 3 9 转弯工况 转弯工况的整车级别的前车架边界条件和有限元模型如图3 2 2 所示。 图3 - 2 2 转弯l ：况边界条件及其有限元模型 外力作用下的前车架的应力如图3 2 3 所示。考虑车架自重的情况，车架 的最大应力仅为1 6 8 m p a 。安全系数为2 0