《推土机有限元分析》PPT课件.ppt

TY160推土机弓形架应力分析研究 第一章TY160型推土机U型架概述 第二章TY160型推土机相关数据及载荷计算 第三章TY160型推土机U型架有限元分析 第一章TY160型推土机U型架概述 推土机是浅挖及短距离运土的铲土 运输机械 用途较广 它以履带式或轮胎式拖拉机 牵引车等为主机 并配以悬式铲刀 其铲刀也称为推土机的工作装置 包括推土板 顶推架 铲刀升降机构等 按推土板安装位置不同 推土机可分为固定式铲刀推土机和回转式铲刀推土机两类 其中回转式铲刀用途较为广泛 可以在推土机直线行驶时 进行侧向卸土 它适用于平地作业 也用于斜坡横向作业 对于回填沟槽之类的作业 其效率之高 尤为显著 并且回转式推土机也容易改装为其他工程机械 由于作业对象不定 作业条件恶劣 载荷变化较大 作业工序反复循环以及操作频繁 致使推土机的工作装置工作条件十分恶劣 尤其是回转式推土机铲刀的U型架 当铲刀呈正铲形式时要承受弯曲及拉压组合作用 当铲刀呈斜铲形式时要承受弯曲 拉压及扭转组合作用 铲土时铲刀有时会突然顶到障碍物 要承受冲击载荷作用 所以推土机在不同的工作情况下 其U型架结构所受的外载荷均不同 受力状态非常复杂 TY160型推土机为回转式铲刀推土机 在其实际使用中时常发生焊缝开裂 变形及断裂等破坏 严重影响推土机的正常使用 降低生产效率 延误施工进度 为此 我们对TY160型推土机的U型架结构力学性能进行了详细的分析 第二章TY160型推土机相关数据及载荷计算 TY160型推土机U型架相关参数推土机U型架受力分析TY160型推土机U型架外载荷计算结果 TY160型推土机U型架相关参数 在分析中所需的TY160型推土机U型架相关参数见表1 推土机U型架受力分析 土对铲刀的反力铲刀计算位置的选择U型架受力分析 土对铲刀的反力 对于回转式推土机 计算土对铲刀的反力分正铲和斜铲两种作业情况考虑 1 正铲作业时土对铲刀的反力将土对铲刀的反力分解为水平反力PX和垂直反力PZ PX的最大值取决于推土机的牵引性能 其值为 其中为考虑动载因素的铲刀顶推力 2 斜铲作业时土对铲刀的反力在进行斜铲作业时 土对铲刀的反力 除了PX PZ外 还有水平侧向分力PY PX的计算同正铲作业一样 PY PZ可按土的切削斜楔原理计算 公式如下 铲刀计算位置的选择 铲刀的计算位置主要有以下四种 第一计算位置推土机中部顶到障碍物 其计算条件为 推土机在水平地面作业 带土的推土板从切削位置提升到运土位置 推土机功率足够大 在提升推土板的同时 以最大顶推力向前 即可能使推土机翘尾失稳同时履带滑转 回转式推土机 铲刀在水平面安装的回转角 第二计算位置推土板中部突然顶到障碍物 其计算条件为 推土机在水平地面作业 铲刀于固定位置切土 油缸闭锁或绞盘制动 推土机功率不能在提供最大顶推力同时提升推土板 推土机具有最大顶推力 并考虑冲击 惯性等动载因素 需考虑动载系数 第三计算位置推土板侧角顶到障碍物 偏载 其计算条件同第一计算位置 第四计算位置液压推土机铲刀中部强制切土 其计算条件为 推土机在水平地面作业 铲刀中部顶到障碍物上 且全力向下施压 推土机功率足够大 铲刀在强制入土的同时 以最大顶推力向前 即可能使推土机抬头失稳同时履带滑转 切削深度为零 计算中 选择了第二及第三计算位置 U型架受力分析 以第二计算位置为例 取铲刀为研究对象 受力如图 所示 铲刀受力有 土的反力PX和PZ 铲刀自重Gg U型架铰点支反力XC和ZC 提升力S PX PZ和S可前述公式求得 即PX PZ S和Gg均为已知力 铰点反力XC和ZC可按下面平衡方程计算 图 铲刀受力图 单独取U型架为研究对象 受力如图2所示 因为整个系统的结构及受载均对称 图2U型架受力图 所以图中 S S S 作用在U型架上的力有 球铰反力XA ZA 以及斜撑杆与U型架间反力PB1 PB2 PE1 PE 为计算方便 过铰点1 2建立一补充坐标轴u u 由于结构及受力对称 有 建立以下平衡方程 并根据实际受力特点假设 以上六式联立 即可求得XA ZA PB1 PB2 PE1 PE TY160型推土机U型架外载荷计算结果 第二计算位置 正载 计算结果计算中所需U型架各部分尺寸见表2 各尺寸含义见图1和图2 将表1和表2中的数值代入前述公式中 经过计算 得到了U型架在正载时所受外载荷 计算结果见表3 第三章TY160型推土机U型架有限元分析 TY160型推土机U型架有限元模型的建立TY160型推土机U型架有限元计算结果 TY160型推土机U型架有限元模型的建立 一 建立U型架结构的实体模型由前处理软件提供的交互式图形输入功能 在终端屏幕上人机交互地构建几何模型 同时生成几何模型的描述数据 U型架原始结构如图5所示 根据使用特点及计算要求 对U型架结构进行了必要的简化 得到其实体模型 图5U型架原始结构图 二 划分有限元网格对于三维结构的有限元分析 采用高精度的单元 单元数目可以少些 数据准备方便 总计算量也可以减少 高阶单元用于三维问题是更有效的 等参单元既能适应复杂结构的曲面边界 又便于构造高阶单元 在三维结构分析中是很常用的 由于U型架的结构不规则 为适应其边界 提高计算精度并减少计算量 选择20节点六面体等参数单元来划分网格 整个结构共划分为32332个单元 63800个节点 如图6所示 图6U型架结构有限元网格图 三 确定边界条件根据U型架使用情况及有限元分析的要求 对模型施加如下约束 U型架与机身铰接处 UX UY UZU型架前端与铲刀铰接处 UZ其中UX UY UZ分别表示沿各坐标轴的轴向位移 四 施加载荷在U型架上分别施加表3和表5中所列的载荷 五 有限元计算根据静力平衡条件可以建立结构的整体平衡方程 也就是以节点位移为基本未知量的一组联立的线性代数方程组 当有限元分析采用越来越多的单元离散模型来近似实际的结构时 线性联立方程组的阶数越来越高 有限元求解的效率很大程度上取决于这组线性代数方程组的解法 线性联立方程组的解法可以分作两大类 直接解法和迭代解法 由于U型架结构的计算规模较大 选择预处理共轭梯度法 PCG法 运行有限元程序 进行计算 TY160型推土机U型架有限元计算结果 经过计算 得到了U型架结构的有限元分析结果 整个U型架结构共划分为32332个单元 63800个节点 对每个节点都输出了各方向的应力 位移 反力等数据 整个结构的应力与变形分布状况也分别由不同投影方向的云图清晰 直观地反映出来 由于结果数据量非常大 在此不可能完全一一列出 所以只选取了整个结构在第二位置时个别点为例 列出部分有限元计算结果 具体计算结果参照表6 表7及图7 图16 图7正载工况U型架有限元计算坐标系 图8U型架第一主应力分布 正载 图9U型架局部第一主应力分布 正载 图10U型架局部第三主应力分布 正载 图11U型架第三主应力分布 正载 图12U型架位移分布 正载 图13U型架局部位移分布 正载 图14表7有限元计算坐标系 图15对应表7正载应力图 图16对应表7正载位移图 第二计算位置 正载 有限元计算结果分析 从应力与位移分布云图分析 在第二计算位置即正载条件下 U型架结构的最大应力与最大变形都发生在U型架前端与接头连接处附近区域 即图 中所示的矩形区域 其中 接头部分的最大应力数值为186 U型架本身的最大应力发生在U型架与接头连接处 数值为163 另外在U型架中间对称面周围应力值也比较大为122 100左右 从位移分布云图分析整个U型架