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c q u ，m a s t e r sd e g r e et h e s i s 中文摘要 摘要 建筑业对于许多产业都有经济意义，而挖掘作业是在建筑施工的一个重要环 节。用于挖掘作业的挖掘机，通常在恶劣的环境条件下工作，并且在加载，卸 载，升降等过程中，挖掘机要承受较大的载荷。在挖掘作业中，挖掘机的强度对 于其效率、安全和快捷工作都很重要。正铲挖掘机作为矿山挖掘设备中的一个重 要成员，对其有很高的设计可靠性要求。但是，对于地面行走的工程机械来说， 需要较大的质量来满足严格的可靠性或强度标准，但这不利于挖掘机制造商，因 为质量的增加会使制造成本上升。 本论文的研究目的在于满足传统设计中应力要求的前提下，减少挖掘机重 量。这可以通过改变横截面的矩形设计得以实现。本文主要对1 2 5 吨正铲挖掘机 斗杆的横截面进行设计。由于半椭圆形横截面具有较高的结构效率和抗扭刚度， 我们选择其作为斗杆截面形状。本文用p r o e 建立模型，并在p r o m e c h a n i c a 中对 模型的非极限挖掘位置进行分析，再通过静态有限元分析优化初始设计。然后用 a n s a 对最终设计模型划分网格，就得到了有限元模型。最后在a n s y s 中通过分析 有限元模型的极限挖掘工况得出最终分析结果。所得结果与矩形中空横截面斗杆一 分析得到的结果进行比较。极限挖掘载荷下的模型最大应力是1 1 4 m p a ，而最大 扭转应力是1 6 2 m p a ，与传统设计所得结果( 最大应力值和最大扭转应力值分别 是1 2 0 m p a 、1 5 7 m p a ) 基本吻合。此外，极限工况下的位移量分别是3 4 毫米和 5 毫米。椭圆形截面设计较矩形截面设计重量减少量达7 9 ( 由4 4 8 7 k g 减少到 4 1 3 2 k g ) 。 本文为1 2 5 吨正铲挖掘机斗杆截面形状的设计提出了半椭圆形截面的新理念， 通过分析有限元模型达到减少重量的目的。这种设计也可以拓展到其他的工程机 械，以实现总制造成本的最小化。 关键词：挖掘机，椭圆形横截面，静态分析，质量减少，p r o e ，a n s a ，a n s y s i i a b s t r a c t c o n s t r u c t i o ni n d u s t r yh a s a ne c o n o m i cs i g n i f i c a n c et om a n yi n d u s t r i e s w h i l e e x c a v a t i o ni so n eo ft h ek e yj o b si nc o n s t r u c t i o ni n d u s t r y e x c a v a t o r su s e df o rt h i s p u r p o s e ，u s u a l l yh a v et ow o r k i nh a r s he n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n sa n du n d e rh e a v yl o a d s w h i l ed o i n gj o b sl i k ed u m p i n g ，l i f t i n g ，l o a d i n ge t c i nt h ee x c a v a t i o ni n d u s t r ys t r e n g t h o fe x c a v a t o r si sa l w a y sg i v e nm u c hi m p o r t a n c ef o re f f i c i e n t ，s a f ea n ds w i f tw o r k f a c e - s h o v e l s b e i n ga l li m p o r t a n tm e m b e ro fe x c a v a t i o ni n d u s t r ya r ea l s oi nh i g hd e m a n d w i t hr e l i a b l ed e s i g n s h o w e v e rs t r i c tr e l i a b i l i t y s t r e n g t hc r i t e r i a f r o ml a n dm o v i n g i n d u s t r yd e m a n d sh i g h e rw e i g h t w h i c hi sn o ti nt h ei n t e r e s t o ft h ee x c a v a t o r m a n u f a c t u r e r s ，a sw e i g h tw i l le v e n t u a l l yi n c r e a s em a n u f a c t u r i n g c o s t s a i i no ft h i sr e s e a r c hi st or e d u c ew e i g h to fe x c a v a t o rw h i l ek e e p i n g i t ss t r e s s c o n s i s t e n tw i t ht h et r a d i t i o n a ld e s i g n t h i si sd o n eb yc h a n g i n gc r o s ss e c t i o n a la r e ao f r e c t a n g u l a rd e s i g n ，a n d f o c u si sk e p to n12 5 tf a c e - s h o v e le x c a v a t o r sa r m s e m i e l l i p t i c a ls h a p ed u e t oi t ss t r u c t u r a le f f i c i e n c ya n dh i g ht o r s i o n a ls t i f f n e s s ，i sc h o s e na sa c r o s ss e c t i o n a la r e af o rd e v e l o p i n gn e wd e s i g n m o d e li sd e v e l o p e di np r o e v 1 a n d t e s t e du n d e rm a x i m u m1 e n g t hn o r m a ld i g g i n gl o a di np r o m e c h a n i c a t mf o ro p t i m i z i n g i r l i t i a ld e s i 印su s i n gs t a t i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s n n s a t mi st h e nu s e df o rm e s h i n gt h e f i n a lc a da n d 缸i t ee l e m e n tm o d e li sd e v e l o p e d f i n a la n a l y s i s i sd o n eu n d e r m a x i i n u md e p t hn o r m a ld i g g i n gl o a da n dm a x i m u md e p t ht o r s i o n a ld i g g i n gl o a d o i l f i 血ee l e m e n tm o d e li na n s y s t m r e s u l t sg a t h e r e d a r ec o m p a r e dw i t hr e c t a n g u l a r h o l l o ws e c t i o n a la r m sr e s u l t s m a x i m u ms t r e s su n d e rm a x i m u md e p t hn o r m a ld i g g i n g 1 0 a di sll4 m p aw h i l em a x i m u md e p t ht o r s i o n a ld i g g i n gl o a dc a m e o u tt ob e16 2 m p a w h ic _ ha r ec o n s i s t e n tc o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so ft r a d i t i o n a ld e s i g no f12 0 m p a a n d 15 7 m p as t r e s sv a l u e sr e s p e c t i v e l y m o r e o v e rd i s p l a c e m e n t sf o rm a x i m u md e p t hn o r m a l d i g g m gc o n d i t i o na n dm a x i m u md e p t ht o r s i o n a ld i g g i n gl o a d c a m eo u tt ob e3 4 r a m a n d5m mf o rp r o p o s e dd e s i g nr e s p e c t i v e l y w e i g h ti sc h e c k e dt ob er e d u c e db y 7 9 舶m4 4 8 7 k go fr e c t a n g u l a rc r o s ss e c t i o n a ld e s i g nt o4 13 2 k go fs e m i e l l i p t i c a l c r o s s s e c t i o n a ld e s i g n t h i sp a p e rp r o p o s e das e m ie l l i p t i c a l c r o s ss e c t i o n a la r e af o rd e s i g n i n g12 5 t e x c a v a t o r ，s 锄a n da n a l y s i si sd o n eu s i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e lr e s u l t i n gi nr e d u c t i o n o fi t sw e i g h t t h i sd e s i g nc a na l s ob eb r o a d e nt o o t h e rc o n s t r u c t i o n sm a c h i n e st o r m i n i m i z i n go v e r a l lm a n u f a c t u r i n g c o s t s i i i c q u , m a s t e r sd e g r e et h e s i s 英文摘要 k e y w o r d s ：e x c a v a t o r ，e l l i p t i c a lc r o s s - s e c t i o n a la r e a , s t a t i ca n a l y s i s ，w e i g h t r e d u c t i o n ，p r o e t m ，a n s a t m ，a n s y s t m i v c q u , m a s t e r sd e g r e et h e s i s d e d i c a t i o n d e d i c a t i o n t h i sw o r ki sd e d i c a t e dt ot h em e m o r ya n df r i e n d s h i po fm yl a t ef r i e n d ，s i n a nh h u s s a i nm - m u k h t a r ，w h oh e l p e dm el i k eab r o t h e rt h r o u g ha l lt h ef i e l d so fl i f ea n d i n s p i r e dm ew i t hh i sc o n s i s t e n c ya n dh a r dw o r k c q u ，m a s t e r sd e g r e et h e s i sl i s to ft a b l e s l i s to ft a b l e s 7 r 2 f b l e3 1h o l l o ws t r u c t u r a ls h a p e s 9 t a b l e3 2s t r e n g t hb e h a v i o ro fd i f f e r e n tc r o s ss e c t i o n s 11 t a b l e3 3m o d e lm a t e r i a lp a r a m e t e r s 1 2 t a b l e3 4m e a s u r e dm e c h a n i c a lp r o p e r t yo fs t e e l 1 3 t a b l e3 5c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so f s t e e l ( m a s s ) 1 3 t a b l e5 1 a n g l e sm a d eb ye x c a v a t o r sp a r t s 、i mg l o b a la x i s 。2 1 t a b l e5 2f o r c e se n c o u n t e r e db ya r ma tm a x i m u m l e n g t hd i g g i n g c o n d i t i o n 2 3 t a b l e5 3f o r c e se n c o u n t e r e db yf l l n la tm a x i m u md e p t hd i g g i n gc o n d i t i o n 2 3 t a b l e5 4f o r c e se n c o u n t e r e db ya r ma tm a x i m u md e p t ht o r s i o n a ld i g g i n gc o n d i t i o n 2 4 t a b l e5 5m a x i m u m l e n g t hd i g g i n gl o a do nh i n g e su s i n gl o c a lc o o r d i n a t e s 2 4 t a b l e5 6m a x i m u md e p t hd i g g i n gl o a do nh i n g e su s i n gl o c a lc o o r d i n a t e s 2 4 t a b l e5 7m a x i m u md e p t ht o r s i o n a ld i g g i n gl o a do nh i n g e su s i n gl o c a lc o o r d i n a t e s 2 5 t a b l e5 8f o r c e se n c o u n t e rb yt h ea r l na tm a x i m u ml e n g t ha n dd e p t hd i g g i n gc o n d i t i o n s 2 5 t a b l e5 9u n i ts y s t e m sa sc l a s s i f i e db ya n s y s 劬 3 7 】2 8 t a b l e6 1p r o p e r t i e so f m a t e r i a lu s e di nc o n v e n t i o n a ld e s i g n 3 6 t a b l e8 1 w e i g h tc o m p a r i s o no fc o n v e n t i o n a la n dn e wd e s i g n 4 9 v i i i l i s to ff i g u r e s f i g 1 1 c r a l l es h o v e l 1 f i g 1 2m a i np a r t so f h y d r a u l i ce x c a v a t o r 2 f i g 1 3f a c es h o v e l 3 f i g 2 1s o m eb a s i ce l e m e n t su s e df o rm e s hf o r m a t i o ni naf es t u d y 2 1 】8 f i g 3 1g e o m e t r yo f a ne l l i p t i c a lh o l l o ws e c t i o n 9 f i g 3 2i n t e r n a lp r e s s u r ea r o u n de l l i p t i c a ls h a p e s 1 2 f i g 4 1c o n v e n t i o n a ld e s i g no f1 2 5 te x c a v a t o r sa n n 1 4 f i g 4 2f r o n ta n dl o w e rh i n g ec o n v e n t i o n a ld e s i g n 1 5 f i g 4 3i n n e rs t r u c t u r eo f c o n v e n t i o n a la l m sd e s i g n 1 5 f i g 4 4f r o n ta n db a c kh i n g eo ft h ed e s i g nc o n c e p t1 16 f i g 4 5o u t e rf r a m ec r e a t e du s i n gs w e p tb l e n dt o o l 1 6 f i g 4 7s e p a r a t e l yp r o d u c e dh i n g e sa n dm a i nb o d yf o rd e s i g nc o n c e p t2 一1 7 f i g 4 8d e s i g nw i t h o u tt r a n s i t i o nb e t w e e nh i n g e sa n dm a i nb o d y 1 8 f i g ：4 9a i i nd e s i g n 、访t hs t r a i g h tt o pc o v e r 1 9 f i g 4 1 0i n n e rs t r u c t u r em o d e l e do u to f r o u n dt r u s s e s 1 9 f i g 5 1m a x i m u ml e n g t hd i g g i n gc o n d i t i o n 2 0 f i g 5 2m a x i m u md e p t hd i g g i n gc o n d i t i o n 2 0 f i g 5 3a x i sd e v e l o p e di nt h ep r o e 劬f o r e x c a v a t o r sa r l n 2 1 f i g 5 4i n t e r f a c eo fa u t o m a t i cc a l c u l a t i o nm o d u l e 2 3 f i g 5 5c o s i n ed i s t r i b u t i o nl o a d 2 7 f i g 5 6d i s t r i b u t i o no f l o a da n dr e g i o n s 2 8 f i g 5 7l o a d sb e i n ge n c o u n t e r e db yt e e t ho f b u c k e tw h i l ed i g g i n g 31 f i g 6 1c o n v e n t i o nd e s i g na n a l y s i sr e s u l tu n d e re x t r e m el o a d i n gc o n d i t i o nf o rc o m p a r i s o n 3 2 f i g 6 2m o d e ls e t u p 3 4 f i g 6 3c o n n e c t i o no f a r mw i t hb o o ma n db u 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t ea n dt om o v ee a r t hi nv a r i o u sp r o c e s s e ss u c ha si nt h eb u i l d i n g ， c o n s t r u c t i o n ，m i n i n ge r e m o s tm o d e r nm o d e l sc o n s i s to fac a bm o u n t e do n t oab a s e w h i c hc a l l s p i nr o u n d36 0 。a n db o o m ，a r mm e c h a n i s mw i t hs o m ef o r mo fd i g g i n g a n d o rs c o o pi m p l e m e n ta tt h ee n d e x c a v a t o r sc a nd i go u te a r t ha n dt h e ns w i v e la r o u n d t om o v ei te l s e w h e r e t h em a j o rt y p e so fe x c a v a t o r su s e di n e a l t h m o v i n go p e r a t i o n s i n c l u d eh y d r a u l i ce x c a v a t o r sa n dt h em e m b e r so ft h e c a b l e o p e r a t e da r a n e - s h o v e l f a m i l y ( s h o v e l s ，d r a g l i n e s ，h o e s ，a n dc l a m s h e l l s ) d o z e r s ，l o a d e r s ，a n ds c r a p e r sc a na l s o s e r v ea se x c a v a t o r s e x c a v a t o r sa l eu s e di nm a n yr o l e ss o m eo f w h i c ha l em e n t i o n e da sf o l l o w 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na n dp r e c i s e l a t e r a lc o n t r o lw i t ht h e s h o v e l c a b l e o p e r a t e db a c k h o e se x i s tb u ta r e l a r g e l yb e i n gr e p l a c e db yh y d r a u l i cm o d e l sb e c a u s eo f 也e i r s u p e r i o rs p e e da n de a s eo f n 仃0 1 b a c k h o ea t t a c h m e n t sa r ea l s oa v a i l a b l ef o r1 0 a d e r sa n d 舰c t o r s s h o v e l s f h eh y d r a u l i cs h o v e li sa l s oc a l l e da f a c es h o v e lo rh 蛔l i c e x c a v a t o r 舶n ts h o v e l 1 sm 砌o rc o m p o n e n t sa r ei d e n t i f i e di nf i g u r e 1 2 t h eh y 出孤1 i cs h o v e ld i g sw i ma c o m b m a t i o no f 啪w d i n gf o r c ea n db r e a k o u t ( o rp r y i n g ) f o r c e a si l l u s 仃a t c di nf i g u r e i j 。m w m n gf o r e ei sg e n e r a t e db yt h es t i c kc y l i n d e ra n da c t sa tt h e b u c k e te d g eo na t a n g e n tt ot h ea r co ft h er a d i u sf r o mp o i n ta b r e a k o u tf o r c ei sg e n 酬e d b yt h eb u c k e t c y i m d e ra 1 1 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