（机械设计及理论专业论文）矿用钻机ropsfops的性能研究及优化改进.pdf

南京航空航天大! 学硕士学位论文 摘要 凿岩钻机是一种广泛应用在大型基础设施建设中的施工机械。由于作业环境十分恶劣，凿 岩钻机发生翻车和落物的事故难以避免。为了尽量降低事故发生后造成的生命财产损失，当前 普遍采用的措施是安装对驾驶员能够提供安全保护的翻车和落物保护结构( r o p s & f o p s ) 。本 文以某公司生产的一款露天凿岩钻机翻车和落物保护结构为研究对象，分析其各项性能是否能 达到国际标准要求，并进行优化改进。 以弹塑性力学为基础，综合运用建模技术，利用前处理软件h ) i p e 吼e s h 建立基于整机级别 的r o p s 有限元模型，导入a n s y s 软件中对r o p s 进行各加载工况的有限元分析，并获取了 r o p s 在各工况下的应力、应变云图。分析结果表明，本钻机r o p s 符合国际标准i s 0 3 4 7 1 ： 2 0 0 8 规定的各工况最低承载能力要求，安全性能合格。 利用非线性动力分析有限元程序a n s y s l s d 、i a 实现了整个落锤冲击过程的动态仿 真，得到了落锤撞击后，f o p s 的应力和应变数据。根据分析结果，本凿岩钻机f o p s 符合国 际标准i s 0 3 4 4 9 ：2 0 0 8 规定的抗冲击能力要求，安全性能合格。 根据相关国际标准规定，对所研究的钻机r o p s & f o p s 的安全性能进行了试验检测。试验 结果表明，本钻机r o p s & f o p s 安全性能满足标准要求。同时，对钻机r o p s & f o p s 有限元分 析结果和试验结果进行了对比，以验证有限元模型建立的正确性，为之后r o p s & f o p s 的优化 提供了检验依据。 最后，对原凿岩钻机r o p s 进行了局部优化，并再次利用有限元分析方法，分析了优化后 的r o p s 各工况承载能力。根据分析结果，优化后的钻机r o p s 仍满足标准规定的各工况最小 承载能力要求，为企业产品的更新换代提供了一定的参考价值。 关键词：露天凿岩钻机，r o p s f o p s ，有限元法，试验研究，优化 矿用钻机r o p s & f o p s 的性能研究及优化改进 a b s t r a c t a sav e 巧i m p o r t a n tc o n s 仇1 c t i o nm a c h i n e d r n l i n g 吨i sw i d l yu s e di nt 1 1 ec o n s 订u c t i o n so f 1 a 唱e s c a l ei n 疗a s 协l c t l 】r e f a l l i n g o b j e c ta n dr 0 1 l o v e ra c c i d e n t so r e nh a p p e nb e c a u s eo ft h ep o o r w o 嫩n ge n r o m e n to ft h ed r n ln 蜀a n dt h e y a r ev e r yd i 伍c 1 1 1 tt o a v o i d p r e s e n y ，r o l l 一o v e r p r o t e c t i o ns 仃u c t l l r ea 1 1 df a l l i l l g 0 b j e c tp r o t e c t i v es t n l c t u r e ( r o p s & f o p s ) i st 1 1 e m o s te 鼠c t i v e m e 1 0 dt 0r e d u c em ep r o p e n ：) ，1 0 s sc a u s eb y1 l l ea c c i d e n t 瞄 i n g l er o p s & f o p so fac o m p a n y s o p e n a i rr o c k 嘶l l i n gr i gf o rt 1 1 es t u d y a i l a l y s i so fw h e 吐1 e ri t sp e r f b 咖a 1 1 c et om e e tt h ei n t e m a t i o n a l s t a n d a r d sh a sb e e nr e s e a r c h e di nm i sp a p e r t ot l l em a t e i i a le l a s t i c - p l a s t i cb a s e d ，m o d e l i n gt e c h n i q u e sh a v eb e e nn e 铲a t e dt oe s 协1 i s ht h ef i n e f e mm o d e lb yu s i n gh y p e r m e s h t h em o d e lm a l y s e so ft 1 1 er o p sa r ep r o c e s si na n s y s ，廿1 e 懿i t e e l 锄e n t 抽a l y s i so fe v e r yw or _ l ( i n gc o n d i t i o n sa r es t u d y ，a n dm es 仃e s sa l l ds 的i nc o n t o u ra r ea v a i l a b l e t h er e s u l ts h o wm a tt l l ec a n 弧n gc a p a c 时o fr o p so ft 1 1 e 曲l l i n g 堍i sc o 1 p l i a i l c ew i mt l l e r e ( 1 u i r e m e n t so f 也ei s 0 3 4 7 1 ：2 0 0 8 t 1 1 ed y l l a i i l i cs i r n u l 撕o np r o c e s so fm ei n l p a c to f 也ed r o ph 砌e rh a v eb e e nr e a l i z e db yu s i l l g a n s y s l s d 、i a ，a 1 1 ds 仃e s sa i l ds 衄i nc o n t o u ro ff o p sa r ea v a i l a b l ea f t e ri m p a c t t h er e s u l ts h o w m a t 也ei i n p a c tr e s i s t a n c er e q u i r e m e n t so ff o p so f 廿1 ed r i l l i i l gr i gi sc o r m i a n c e 耐mt h er e q u i r e m e n t s o f m ei s 0 3 4 4 9 ：2 0 0 8 b a s e so n 廿1 ei s 0 3 4 7 1 ：2 0 0 8a n di s 0 3 4 4 9 ：2 0 0 8 ，廿1 e1 a b o t a t o r ye x p e 血n e n tr o p s f o p si sc a 一e d o u t t 1 1 et e s tr e s u l ts h o wt l l a tm er o p s & f o p sm e e tt h ei n t 锄撕0 1 1 a lp e 怕h n a i l c es 切n d 砌，a 1 1 d c o i l l c i d ew i mn l es i l l m l a t o i o nr e s u l t s h 1 1 p o r t a n t l y ，i tp r o v i d e sat e s tb a s i so fn l eo p t i i l l i z a h o nl a t e r f i n a l l y 也e 叩i i i l l i z a t i o no fm eo r i g i n a lr o p sa r em a d e ，a r l d 廿l ec a r r y i i l gc a p a c i 够o fr o p si s a n a l y s e da g a i l lu s i i l g 也e6 i l i t ee l e m e n tm e t l l o d t h er e s u l ts h o wm a tt 1 1 ec a r r y i n gc a p a c i t yo f o p t 咖i z e di 的p so f 也e 嘶l l i n g 五gi ss 伽c o m p l i a l l c ew 池t l l er e q u i r e m e n t so f 廿1 ei s 0 3 4 7 1 ：2 0 0 8 h 1 1 p o r t a l l t l y ，t l l e 吐l e o r e t i c a lr e s e a r c ha n de x p e m e n t a lw o r kp r o v i d et 1 1 e r e f l e r e n c ev a l u ef o rm e u p g r a d i l l go f t 1 1 ep r o d u c t sf 0 r 廿l ee n t e i p r i se k e y w o r d s ：o p e n - a i rd r i l l i l l gr i g ，r o p s f o p s ，f i n i t ee l e m e n tm e t l l o d ，e x p e r i m e n tr e s e a r c h ， o p t i 】：1 1 i 砒 i i 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图2 1 低碳钢静力拉伸曲线7 图3 1 凿岩钻机r o p s 有限元模型1 7 图3 2 标准d l v 与r o p s 相对位置图1 8 图3 3 最小侧向载荷作用下r o p s 位移云图1 9 图3 4 最小侧向载荷作用下r o p s 应力云图2 0 图3 5r o p s 位移一吸能曲线2 0 图3 6r o p s 位移侧向力曲线2 1 图3 7 满足最小吸能要求时r o p s 位移云图2 l 图3 8 满足最小吸能要求时r o p s 应力云图2 2 图3 9 满足最小垂直承载能力时r o p s 位移云图2 3 图3 1 0 满足最小垂直承载能力时r o p s 应力云图2 3 图3 1 1 满足最小纵向承载能力时r o p s 位移云图2 4 图3 1 2 满足最小纵向承载能力时r o p s 应力云图2 5 图4 1f o p s 和落锤有限元分析模型2 8 图4 2 标准d l v 与f o p s 相对位置图一2 9 图4 3 落物保护结构应变云图3 l 图4 4f o p s 受冲击中心点位移一时间曲线一3 l 图4 5 落锤冲击速度一时间曲线3 2 图4 6 受冲击后f o p s 应力云图3 2 图5 1r o p s 实验室试验流程3 5 图5 2r o p s 实验室试验前状态3 5 图5 3r o p s 侧向加载试验流程3 6 图5 4 侧向加载力一加载作用点位移曲线3 7 图5 5 能量吸收值一加载作用点位移曲线3 7 图5 6r o p s 垂直加载试验流程3 8 图5 7 垂直加载力加载作用点位移曲线3 8 图5 8 纵向加载试验流程3 9 图5 9 纵向加载力一加载作用点位移曲线3 9 图5 1 0f o p s 实验室试验前状态4 1 v 矿用钻机r ( ) p s & f o p s 的性能研究及优化改进 图5 1 1 f o p s 实验室试验前状态4 1 图5 1 2f o p s 残余变形图4 2 图6 1 满足最小侧向承载能力要求时的优化后r o p s 应变云图4 4 图6 2 满足最小侧向承载能力要求时的优化后r o p s 应力云图4 5 图6 3 满足最小能量吸收要求时的优化后r o p s 应变云图4 5 图6 4 优化后r o p s 位移一吸能曲线4 6 图6 5 优化后r o p s 位移一侧向力曲线4 6 图6 6 满足最小能量吸收要求时的优化后r o p s 应力云图4 7 图6 7 满足最小垂直承载能力要求时的优化后r o p s 应变云图4 8 图6 8 满足最小垂直承载能力要求时的优化后r o p s 应力云图4 8 图6 9 满足最小纵向承载能力要求时的优化后r o p s 应变云图4 9 图6 1 0 满足最小纵向承载能力要求时的优化后r o p s 应力云图5 0 表3 1 凿岩钻机r o p s 各工况载荷指标1 7 表3 2 凿岩钻机r o p s 个计算工况载荷表1 8 表6 1 优化后i 的p s 各工况载荷指标4 3 v i 南京航空航天大学硕士学位论文 应力列阵 应变列阵 载荷做功 塑性势函数 硬化参数 位形坐标 材料弹性模量 弹性矩阵 应力增量 加载曲面中心移动张量 位移列阵 注释表 k f h s ，p d “二 s c 丁 e m p 刚度矩阵 载荷列阵 摩擦系数 质点位移列阵 应力张量 衰减系数 泊松比 加载曲面内质点的应力列阵 应变增量 弯矩列阵 质量密度 v i i 1 3 s q 尼 葺e d f 口 万 矿用钻机r o p s f o p s 的性能研究及优化改进 v i i i 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早三石1 ：匕 在许多基础设施建设中，包括了诸如建筑和水利工程中的土矿开挖，采石场取料及边坡处 理，矿山的凿岩生产等各项工作，全液压履带式露天凿岩钻机是其中一种非常重要的现代化施 工设备。随着土矿开挖施工技术的飞速发展及先进露天矿山生产工艺的日趋成熟并广泛推广， 露天凿岩钻机的应用日益广泛，同时用户对凿岩钻孔机械的各方面性能要求也在不断提高。 作为典型的现代化工程机械，露天凿岩钻机的作业环境十分恶劣，隧道、矿山、边坡以及 建筑工地经常发生飞溅的混凝土块、跌落的岩石或伐倒的树木等落物坠落砸毁驾驶室事故。凿 岩钻机行驶路况复杂多变，特别是在承载运行时，整机稳定性下降，遇有斜坡、沟坑或地面松 软塌陷处或因操作不当，翻车事故也经常发生。落物和翻车事故一旦发生，加之钻机本身质量 较大，因此事故的致命伤害率极高。为了提高凿岩钻机的可靠性，降低事故发生后造成的生命 财产损失，当前普遍使用且行之有效的措施是采取被动保护，安装对司机能提供安全保护的翻 车和落物保护结构拉。 翻车保护结构( r o l l o v e rp r o t e c t i v es 仃u c t u r e s ，简称r o p s ) 是工程机械发生倾翻时，避免或 减少司机伤亡的一组结构件。结构件包括所有次要机架、支撑件、固定件、插座、销钉、悬架 或减震器，但在机器上安装的设施不包括在内。其主要功能口 5 1 是：当工程机械发生翻滚时， 翻车保护结构能刺入未冻土壤而阻止车辆的进一步翻滚，降低翻滚的工程机械轧伤系着安全带 的司机的可能性；在保证翻车保护结构的任何部分和施工地面不进入人体极限安全区域的前 提下，翻车保护结构应具有一定的能量吸收能力和抗连续冲击能力，减少对司机的冲击伤害： 对于处于颠覆状态的工程机械，已经变形的翻车保护结构应能支撑住整个工程机械。 落物保护结构( f a l l i i l g - 0 b j e c tp r o t e c t i v es 乜u c t u r e s ，简称为f o p s ) 是在工程机械驾驶室顶部 设置的一组加强防护的结构件，在有物体( 例如树木、岩石、小混凝土块等) 坠落时，能防止落 物击穿驾驶室、对司机构成伤害的保护装置。 翻车保护结构和落物保护结构一般是一整体的钢架结构系统，合称为翻车和落物保护结构 ( r o p s f o p s ) 。为最大限度的保护驾驶员生命安全，设计安全性能合格的r o p s & f o p s 是 降低露天凿岩钻机安全隐患的必要措施和必由之路，具有重要的工程应用价值和社会意义。 本文所分析研究的某型号全液压履带式露天凿岩钻机r o p s & f o p s 是某企业的重要产品， 已投入生产多年。本钻机r o p s f o p s 在最初设计的时候是采用传统类比的思想进行经验设计， 没有进行理论分析，精度较低。现公司希望在原有产品的基础上进行升级改进，因此需要根据 一系列行业标准，对本型号凿岩钻机r o p s & f o p s 做全面的分析研究，为企业产品的更新换代 矿用钻机r o p s f o p s 的性能研究及优化改进 提供有力的技术基础。 1 2 研究现况 1 2 1r o p s & f o p s 国际标准 翻车和落物保护结构( r o p s f o p s ) 的出现可追溯到1 9 6 7 年。当时在各类大型工程施工 中，土方机械已开始普遍使用。同时，伴随着属于非路面车辆的土方机械的大规模应用，翻车 和落物事故也经常发生。分析其原因，除开因驾驶员操作不当等因素，无不在于工程机械行驶 的复杂路面以及特殊的工作环境所致【6 】。为了尽量降低财产损失程度，最大限度保障驾驶员的 生命安全，1 9 6 7 年美国工程师协会与工程机械技术协会( c o n s t n j c t i o na 1 1 dh l d u s t r i a lm a c h m r y t e c l l i l i c a lc o m m i t t e e ，简称c t c ) 首先提出了在作业环境恶劣、易发生翻车和落物事故的土 方机械( e 枷1 - m d v i n gm a c h i n e 巧) 上配置适当的保护装置的要求。1 9 6 9 年c m 【t c 对安全保护 装置正式提出了详细的设备要求，并将用于翻车时保护驾驶员免于轧伤的安全装置命名为翻车 保护结构( r 0 1 l o v e rp r o t e c t i v es 仃u c t u r e ) ，落物冲击时保护驾驶员免于砸伤的安全装置命名为 落物保护装置( f a l l i n g o b j e c tp r o t e c t i v es 仃u c t u r e ) ，从此实施并要求以此要求为标准设计工程机 械【7 1 。 在调查分析了大量土方机械翻车和落物事故后，c 讧t c 总结出翻车和落物保护装置之所以 有时候不能有效保护驾驶员，根本上是由于事故发生后，翻车和落物保护装置的变形倾入了系 着安全带的驾驶员生存的最小空间所致，并将这一最小空间称为c 矗t i c a lz o n e ( 人体极限安全 区) 。现实工程机械发生翻车和落物事故后，翻车和落物保护装置将发生塌陷和挤压现象，保留 人体极限安全区成为保护装置是否能有效保障驾驶员人身安全的客观标准【7 ，8 】。为了规范翻车和 落物保护装置的安全性能的检测标准，c n 以t c 于1 9 7 2 年1 月提出了一套用于检测翻车和落物 保护结构的安全性能的实验室静态试验方法，试图通过建立和分析一些由试验得出的静态性能 指标来建立一种可重复的统一的检测翻车和落物保护结构安全性能的方法；与此同时c m t c 在人体极限安全区概念基础上，根据一位身着普通服装、头戴安全头盔且身材高大的操作员坐 姿尺寸提出挠曲极限量d e f l e c t i o nl i i l l i t i n gv o l u n l e l 9 】( 简称d 【v ) 的定义，以此规范静态试验 中翻车和落物保护结构的变形限度标准，保证工程机械发生事故时能保留人体极限安全区。此 后，针对工程机械行业的不断发展，c m t c 又对翻车和落物保护结构的安全性能补充做出了一 系列检测规范。 1 9 7 4 年，美国汽车工程师协会( s a e ) 认可了c m t c 对工程机械翻车和落物保护装置所提 出的一系列要求和规定。由此，这一系列标准成为衡量工程机械翻车和落物装置安全性能的美 国标准s a e j l 0 4 3 和& 垣j 1 0 4 0 。在1 9 7 9 年和1 9 8 0 年，国际标准化组织( n eh t e m a t i o n a l o r g a i l i z a t i o nf o rs t a l l d a r d i z a t i o n 简称i s 0 ) 相继采用了此两标准，并在全面系统的归纳总结的基 2 南京航空航天大学硕士学位论文 础上，制定出了i s 0 3 1 6 4 ：1 9 7 9 土方机械翻车和落物保护结构的实验室鉴定挠曲极限量的规 定、i s 0 3 4 7 1 ：1 9 8 0 土方机械翻车保护结构实验室试验和性能要求以及i s 0 3 4 4 9 ：1 9 8 0 土 方机械落物保护结构实验室试验和性能要求相关国际标准。经过三十多年的发展，目前标准 i s 0 3 4 7 l 和i s 0 3 4 4 9 已修订至第七版，即i s 0 3 1 7 l ：2 0 0 8 土方机械翻车保护结构实验室试验 和性能要求【1 0 1 和i s 0 3 4 4 9 ：2 0 0 8 土方机械一落物保护结构一试验室试验和性能要求 1 】。 1 2 2 国内外有关r o p s & f o p s 试验和理论研究现状 为了对翻车和落物保护装置的安全保护性能进行直观的验证，国内外工程机械行业的设计 研究单位对翻车和落物保护装置作了大量的破坏性试验。比如，作为美国知名的工程机械企业 c a t e 叩i l l a r 公司，进行了针对9 6 0 轮式装载机的落物和翻车保护结构的实验室实物试验，整个 试验严格遵守当时的行业认可标准s a e j l 0 4 3 和s a e j l 0 4 0 。在此次整机破坏性试验基础上，根 据经验，c a t 公司采用传统类比的思想针对自己公司生产的工程机械其它机型的翻车和落物保 护结构进行了设计。根据文献所知，此后，日本的小松公司对d 6 0 推土机翻车和落物保护结构 也进行过相应的性能研究试验，试验执行的标准为i s 0 3 4 7 1 ：1 9 8 0 和i s 0 3 4 4 9 ：1 9 8 0 。与其它国 家相比日本企业的研究试验在整机质量上是最大的，执行的国际标准也是比较新的 1 2 1 3 】。 1 9 8 3 年日本的下田三四郎在d 6 0 推土机翻车和落物保护结构性能试验基础上，提出了使用 非线性有限元法进行翻车和落物保护结构的能量吸收分析的方法。这是有限单元法首次应用在 翻车和落物保护装置性能分析中，但由于翻车和落物保护装置本身结构的复杂性及其失效的特 殊性，非线性有限元解决不了在失去进一步承载能力后翻车和落物保护结构侧向能量吸收的计 算，因而未形成一种有效的设计方法【14 1 。1 9 9 0 年n e l l 通过两组共8 辆不同车型汽车的滚翻试 验，详细研究了汽车滚翻后的运动和变形行为。1 9 9 0 年英国车辆研究所的j cb m w 博士，受 英国交通部的委托开发研制了c r a s h - d 车辆构架非线形分析程序，用以检测进入英国市场的 大型卡车驾驶室能否在车辆滚翻后满足规定的能量吸收标准要求【1 5 】。 由于工程机械技术的不断进步和用户对工程机械的要求不断提高，尽管国际标准组织于上 世纪8 0 年代前后规定了翻车和落物保护结构的实验室试验性能要求，但此标准已远远落后行业 发展的需求，需要不断完善。在2 0 0 6 年的土方机械国际标准化年会上，修订适应大型工程机械 安全性要求的翻车和落物保护结构标准，利用复合材料制造翻车和落物保护结构被提上了工作 议程。随着工程机械技术的不断发展，研究新的翻车和落物保护装置性能检测方法以及结构设 计方法具有重要意义，这也是国际上该行业相关设计研究单位抓紧研究的课题【1 6 。 随着国际市场对工程机械安全保护性能要求的重视程度的不断提高，我国相应的主管部门、 研究单位以及工程机械骨干企业也非常重视翻车和落物保护装置的研究和安全生产，对翻车保 护装置的研究投入了大量的人力，物力。原机械工业部将翻车保护结构的研究列入国家重大引 进技术消化吸收项目，并组织进行攻关。从1 9 8 4 年河北工学院曾联合天津工程机械研究所对保 3 矿用钻机r o p s f o p s 的性能研究及优化改进 护结构初步的模型进行试验研究至今，国内的研究人员结合理论分析和实验室试验两方面分析 方法，针对不同机型的翻车和落物保护结构已做了大量的研究工作。在翻车保护结构性能的动 态试验研究工作方面，王锦雯教授在对上海5 0 拖拉机驾驶室安全架进行了振动锤击试验后， 得到了试验后该安全架的应力分布概貌。由此，分析了驾驶室的薄弱部位并提出了改进意见， 为国家进一步完善有关翻车保护结构性能试验检测标准提供了相关理论依据。同时，工程机械 骨干企业也同样非常重视翻车和落物保护装置的研究和制造。如厦门工程机械股份有限公司、 徐工机械科技股份有限公司、柳工机械股份有限公司等和高校合作开展了有关落物和翻车保护 结构项目的研究，开发了为特定机型的工程车辆配置的合格的翻车和落物保护结构7 1 。 由于工程机械翻车和落物保护装置的安全性能关系着重要的社会意义和巨大的经济利益， 国内外相关工程人员在有限元分析法以及实物试验方法基础上，对翻车和落物保护结构开展了 大量研究工作。目前，对于矿用钻机等大型工程机械翻车和落物保护结构的实用设计方法和计 算机模拟方法在国内刚刚起步。 判定翻车和落物保护结构保护性能是否合格的准则是根据标准极限挠曲量限定。根据标准 得知，翻车和落物保护结构可发生动态塑性大变形，动态塑性大变形设计至今尚属结构力学领 域的尖端课题，在工程实际设计中应用极少。基于这些原因，在翻车和落物保护结构的设计方 法、计算机模拟和性能检测试验方法等方面还有很多问题有待解决【1 7 ，1 8 1 。 1 3 课题研究方法和论文主要内容 1 3 1 课题研究方法 本文基于材料弹塑性力学和非线性有限元理论，利用三维设计工程软件p r o 】三n g n e e r 建 立凿岩钻机r o p s f o p s 的实体几何模型，应用有限元前处理软件h ) ，p e r l 订e s h 建立了基于整机 结构的有限元分析模型，然后导入a n s y s 中分析计算i 的p s & f o p s 在各工况下的变形和应力 分布情况，以基于有限元分析的虚拟试验代替实物试验，提高设计效率。根据国际标准i s 0 3 4 4 9 ： 2 0 0 8 和i s 0 3 1 7 1 ：2 0 0 8 对r o p s & f o p s 进行实验室试验研究，并将有限元仿真结果与实验结 果进行比较，以验证有限元分析结果的可靠性。最后对钻机r o p s 进行尺寸和材料优化，为产品 的升级换代提供参考意见。 有限元前处理软件h ) ，p e r l e s h 的操作界面设计人性化，对保护结构的材料特性的设置、有 限元网格划分、以及边界条件和载荷的处理直观且操作简单方便，具有很高的有限元模型建立 和处理效率。通用有限元软件a n s y s 的计算效率和精度相比h y p e m e s h 都更高，在工程领域 中的应用也及其广泛。本课题结合了有限元软件h ) ，p e m e s h 和a n s y s 各自的优点，综合运用 这两种有限元分析软件进行仿真分析，形成了优势互补，既提高了有限元分析的效率，同时保 证了分析精度，这在工程机械的计算机仿真领域是一次全新的尝试。另外，课题利用非线性动 4 南京航空航天大学硕士学位论文 力分析通用有限元程序a n s y s l s d 呵a 进行凿岩钻机的f o p s 的动态性能研究，采用基于 显式动力学有限单元法实现整个落锤冲击过程的动态仿真，以正确反映落物保护结构在与落锤 碰撞瞬间的相互作用情况。考虑有限元分析计算的效率和精度，本文根据实际情况简化模型并 主要采用壳单元进行r o p s f o p s 结构离散化，为分析提供准确的有限元模型。 1 3 2 论文研究内容 对于诸如凿岩钻机等大型机械设备的结构设计，传统上普遍采用类比的思想进行经验设计， 无论设计的精度还是效率都较低。本课题以某公司生产的一种全液压顶锤式露天钻机的r o p s f o p s 结构为研究对象，主要从有限元分析、实验室试验和优化设计方法三个方面开展研究， 分析其各项性能是否能达到国际标准要求，并在尺寸和材料方面进行改进。本论文的章节安排 如下： 第一章绪论。本章讲述了课题的研究背景、研究意义，以及当前国内外的研究现状，并指 出了课题的研究方法和章节安排。 第二章r o p s & f o p s 性能分析的基础理论。本章主要介绍了材料弹塑性力学的基础理论， 并根据保护结构将发生结构非线性响应的条件，具体阐述了几何非线性、材料非线性和接触非 线性的分析基本概念，为后面翻车和落物保护结构的具体有限元分析奠定了理论基础。 第三章凿岩钻机r o p s 性能分析。本章以所要研究露天凿岩钻机为例，基于以往i 的p s 计 算机仿真中存在的问题，以非线性有限元分析方法和材料弹塑性大变形力学的基本原理为基础， 进行凿岩钻机r o p s 各加载工况的有限元分析，并加以结论分析。本章的有限元分析结果为本 钻机r o p s 的结构改进和优化设计提供了参考。 第四章凿岩钻机f o p s 性能分析。本章论述凿岩钻机f o p s 性能计算机仿真建模和计算方 法，并实现了整个落锤冲击过程的动态仿真，最后分析得到保护结构在落物冲击后的残余应力 分布及变形量，并对落物保护结构性能做出评价。 第五章凿岩钻机r o p s & f o p s 性能实验研究。本章根据相关国际标准各项规定，对所研究 的钻机r o p s 进行各工况承载能力检测试验，并获取各工况试验中的力一位移和能量位移关 系曲线。对f o p s 进行了抗落物冲击性能试验，获取f o p s 最大残余变形量。同时，对钻机 r o p s f o p s 有限元分析结果和试验结果进行了对比，为凿岩钻机r o p s f o p s 的结构以及尺 寸优化提供了检验依据。 第六章凿岩钻机r o p s 的优化改进。本章根据之前r o p s 有限元分析结果及实验室试验结 果的r o p s 应力应变状况，对原有的凿岩钻机i 的p s 进行了局部优化，并再次采用有限元分析 方法，分析r o p s 优化后的各工况承载能力，使设计者在设计阶段便可了解r o p s 优化后的性 能情况。 第七章总结与展望。总结了本课题的研究内容并展望了可以进一步展开的研究工作。 5 矿用钻机r o p s & f o p s 的性能研究及优化改进 第二章r o p s & f o p s 性能分析基础理论 在科学工程领域内，对于一些求解性质简单且几何形状相对比较规则的控制方程的问题， 人们可以通过传统解析方法求得其精确的解析解。但对于很多现实的工程问题，碰到这种简单 情况很少，大多数工程问题则是边界条件复杂或其他物理条件方程的某些特征是非线性的情况。 这时，仅依靠传统经典的解析方法极少能得到问题的正确答案。目前，针对这些问题，求解的 方法主要两种：一是引入简化假设，即简化问题的条件及处理方式，但是如果简化过多或简化 不合理，这种方法极易造成最后求解结果误差过大甚至错误的问题。另一种是数值模拟解法。 随着近年来计算机技术的飞跃式发展，数值模拟技术得到了广泛应用，并已成为了现代工程技 术发展的重要推动力之一。有限单元法( 简称有限元) 即是工程技术领域内应用最为广泛，同 时实用性也最强的一种数值计算方法。 2 1 弹塑性力学基础理论 利用计算机仿真方法可以详细研究翻车和落物保护结构塑性变形随载荷增加的变化规律， 不仅可以确定加载过程中每一时刻结构任意点的应力、应变及位移，并确定弹性区与塑性区之 间的界限，并且还可以确定卸载过程中应力、位移等的变化规律。翻车和落物保护结构在性能 试验过程中发生塑性大变形，所以应用计算机仿真方法对其进行研究时，涉及到材料的弹塑性 力学基础理论。 2 1 1 弹塑性力学基本概念 物体在外力作用下，发生形变，当外力消失后又能恢复到原来形状的物理性质叫做物体的 弹性。但是，如果作用于物体的外作用力大小增加到某一特定值时，撤销掉外力后物体不能完 全恢复到加载前的原状，这种对应于弹性的物理性质叫做物体的塑性。在材料的弹塑性力学概 念中，当作用于物体的外力较小时，物体表现为线弹性特征：当物体所受载荷增加到一定大小 时，物体内应力大的点或某一部分开始进入塑性状态，随着荷载继续增大，物体将出现弹塑性 分区的情况，受力物体在这一应力应变的变化阶段称为弹塑性阶段；随着荷载的进一步增加， 物体将从弹塑性阶段逐渐过渡到塑性阶段，直至塑性部分继续扩展到物体内每一点的应力都达 到或超过物体材料的屈服极限，最后物体将达到其材料的极限状态而可能导致崩溃现象产生。 研究物体的弹性变形阶段的力学问题属于材料弹性力学范畴；研究物体弹塑性及塑性阶的力学 问题则属材料塑性力学范畴n9 2 训。因此，弹塑性力学就是研究物体进入弹性阶段并发展到弹塑 性阶段，最后达到材料的极限状态而被破坏的整个发展过程。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 2 1 2 弹塑性变形的特点 根据宏观材料实验表明，材料的应力和应变两个量之间是相互关联的。事实上，物体内有 应力时就物体就会发生应变，反之有应变发生的同时也会有应力。在一定条件下，对于每一种 具体的客观材料，其应变和应力之间有是有着确定关系的。根据这种关系，材料固有的力学性 能得以客观表达。如图2 一l 所示，为低碳钢轴向拉伸试验所得的应力应变曲线，它描述了材料 为低碳钢的试件从开始加载直到被拉断的整个过程的应力应变关系。下面以此图为例，说明固 体材料发生弹性变形和塑性变形时，应力应变之间的相互关系，并进行比较以描述各自变形阶 段的特点。 在图2 1 中，从开始到加载到a 点，o a 段为一直线段，表明在这一阶段应力和应变是正比 关系。在这一变形阶段中，材料的应力和应变之间的关系是线性的，根据材料力学虎克定律可 表示为式( 2 一1 ) ： 仃= e 占 ( 2 一1 ) 式( 2 1 ) 中比例关系e 为弹性模量，在弹性变形过程中，e 为常数。占为试件发生的应变， 仃为试件对应应变产生的应力。a 点对应的应力称为比例极限，记作叮。加载到a 点以后，由 图可知材料的应力一应变曲线开始偏离原直线路径。由a 点到b 点，曲线呈现出非线性特征，但 材料变形仍是弹性的。也就是说，当加载到b 点后撤销荷载，应力一应变曲线将沿原路径返回， 最终试件卸载前发生的变形将得以全部恢复。b 点对应的应力称为材料弹性极限，记作仃，。 图2 1 低碳钢静力拉伸曲线 e 对于很多材料( 例如低碳钢) 而言，a 点到b 点之间的变化很小，即比例极限与弹性极限 很接近，这种情况下两者通常并不加以区分，用一个共同的参数c r e 表示。由此并认为当产生的 应力小于吒时，材料应力和应变之间的关系应满足式( 2 一1 ) 。在试验中，当应力小于吒时，撤 销载荷作用，随着应力的渐渐减小，应变也将逐渐消失，最终试件将恢复到加载前原形状。若 7 矿用钻机r o p s & f o p s 的性能研究及优化改进 对于本试件再次进行加载试验则应力与应变关系将重现由o 到b 的原路径。b e 段称为屈服阶 段。c 点和d 点对应的应力分别称为材料的上屈服极限和下屈服极限，实际上在这个阶段应力 值将在这两个极限值之间上下抖动，图上没有表现出来。当应力达到b 点后，材料开始进入屈 服阶段。在实际的工程应用中普遍采用的屈服极限为材料的下屈服极限，并记作仃。试件从e 点变化开始，材料将出现了所谓的强化现象，即只有应力继续增加，试件的应变才能同时增加 的现象。在材料的屈服阶段以及强化阶段，如果这时将作用于试件的外荷载撤销，则应力应变 将不会沿着初始加载的路径返回，而是沿着一条平行于o a 线的路径退回。这说明材料虽然在 加载时已进入塑性变形阶段，但荷载卸去后，它的弹性性质仍会得以保留。如果卸载后再次对 试件进行加载，则应力应变曲线将沿着卸载返回的路径变化，当荷载增加到一定大小时，材料 将重新进入塑性变形阶段。显然，通过这个过程可以提高材料的屈服极限：经过卸载又加载， 使材料塑性变形能力降低，即屈服极限比初次加载时的屈服强度高，反而恢复且增加了对变形 的抗变形能力的现象，称为材料的强化( 或硬化) 。显然，当材料变形进入塑性变形阶段后，其 应力和应变就不再具有线性对应的关系。在f 点之前，试件在拉伸试验中一直处于均匀应变状 态，到达f 点后，即超过强度极限后，应力水平将下降，且试件往往进入所谓的缩颈阶段。f 点所对应的应力是材料强化阶段的最大应力，该应力值称为材料的强度极限，用来进行表示。 这一阶段，试件截面积的减小不是在整个试件长度范围发生，而是试件的一个局部区域截面积 急剧减小。颈缩现象一般发生在试件较薄弱的部位，所以试件很快在此部位断裂。试件在断裂 之前，一般会产生较大的塑性变形。低碳钢材料的韧性一般较好，其应力应变曲线所反表现出 的变形特性具有典型代表性，这也为大量固体材料的静力拉伸试验的结果所证实。 综上所述，并总结对大量固体材料力学试验资料综合分析后可知，固体材料的弹性变形具 有以下几个特点【2 1 】： 1 ) 弹性变形是可逆的。物体在受外力作用下产生变形的过程中，物体内同时也在吸收能量 ( 应变能) ，而这部分能量即是外力所做的功的转化形式。当撤销外力作用时，此前物体内贮存 的应变能也将全部释放出来，同时物体的形变也得以完全恢复，没有残余变形。 2 1 无论物体的材料是处于复杂应力状态中，还是只是处于相对简单的单向应力状态中，在 物体的弹性变形阶段，应变和应力成正比关系。 3 ) 在材料的弹性变形阶段，不管是对物体进行加载还是卸载，物体应力应变曲线的路径是 一致的。 而固体材料的塑性变形具有以下几个特点： 1 ) 物体发生塑性变形后不能完全恢复原状，外力所做的功不可逆，同时能量( 形变功或耗散 能) 必定会耗费掉。 2 ) 塑性变形是不可逆的，在物体的塑性变形阶段，材料应力和应变是非线性关系。又由于 卸载过程和加载过程的规律并不相同，应力与应变也不是简单的一一对应的关系，而应当考虑 8 南京航空航天大学硕士学位论文 到具体的加载路径( 即加载历史) 等有关问题。 3 ) 当受力固体产生塑性变形时，将同时存在产生弹性变形的弹性区域和产生塑性变形的塑 性区域，并且随着载荷的空化，两区域的分界面也会产生变化。 物体内一点的应力水平是否超过屈服极限是判断这个应力点是否已由弹性状态过渡到塑性 状态的判据。 2 2r o p s & f o p s 有限元基础理论 凿岩钻机等工程机械发生翻车和落物事故，其翻车和落物保护结构的变形过程是一个瞬态 的复杂的物理过程，其翻车和落物保护结构的设计属于动态塑性大变形设计，它包含以大转动 和大应变为特征的几何非线性问题，以材料弹塑性变形为典型特征的材料非线性问题和以接触 摩擦为特征的边界非线性问题。 2 2 1 结构非线性分析概述 2 2 1 1 几何非线性分析 ( 1 ) 虚位移原理 现在分别用。蕾，。蕾，h 蕾( f = 1 ，2 ，3 ) 描述物体内各点在。时刻，f 时刻、f + & 时刻的位形 内的坐标。类似的用和件血咋( i = 1 ，2 ，3 ) 表示各质点在f 时刻和z + 缸时刻的位移，如式( 3 一i ) ： t2 。+ r ( 3 二1 ) 蕾= o 蕾+ 蚝 所以从f 时刻到f + f 时刻的位移增量可表示为，“f = h 出咋一“f 为得到用以求解f + 出时刻的位形内各个未知变量的方程，首先需要建立虚位移原理。与 f + f 时刻的位形内物体的平衡条件及边界条件相等效的虚位移原理可表示为式( 3 2 ) ， + 甑汁拉乃4 + ，勺件血d y =