矿用电动式挖掘机中央枢轴组件三维设计与分析

矿用电动式挖掘机中央枢轴组件三维设计与分析摘要：矿用挖掘机的结构非常复杂，往往都是多发动机同时驱动，它的工作环境非常糟糕，外部载荷随着工作情况的不同而变化，为了使其平安作业，工作顺畅，在矿用电动式挖掘机设计的时候，除了必要的静力计算和强度校核外，还需要利用仿真软件进行运动学仿真和有限元分析，用来确保当初设计的机械强度及挖掘机的可靠性。本文详细了解了电动式单斗挖掘机的组成结构，根据所掌握的资料和实际测量确定了中央枢轴的结构尺寸。然后将Pro/e中建立的中央枢轴的三维模型导入ANSYS中。最后运用有限元软件ANSYS，对挖掘机中央枢轴在不同工况下受到的载荷进行了静力分析。然后根据所学习的知识和老师的指导，结合实体模型和仿真分析得出的数据，分析可能出现的失效形式，提出有效的解决方案和改进办法。关键词：中央枢轴，有限元分析，Pro/e，ANSYSIMineexplosion-proofelectricexcavatorcentralpivotcomponent3ddesignandanalysisAbstract:Multipleenginesaredrivensimultaneouslybecauseofthecomplexstructureofminingexcavators.Theworkingenvironmentisworsethanothers.Externalloadshasbeenchangedwiththechangingofworkingconditions.Inordertomakingworkpeaceandsmooth,kinematicssimulationandfiniteelementanalysisneedtobemadebyusingthesimulationsoftwarebesidesthestaticcalculationandstrengthcheck.Thisdesigncanbeusedtomakesurethattheoriginaldesignofthemechanicalstrengthandthereliabilityoftheexcavator.Thispaperwritesaboutthecompositionofthestructureoftheelectricsingle-bucketexcavator.Accordingtotheavailableinformationandtheactualmeasurement,thecentralpivotstructuresizeisdetermined.Thenthethree-dimensionalmodelofPro/eintheestablishmentofacentralpivotimportedintoANSYS.Finally,underdifferentconditions,thecentralpivotoftheexcavatorweresubjectedtostaticanalysisbyusingANSYS,whichisafiniteelementanalysissoftware.Accordingtothestudyofknowledgeandtheteachersguidance,thefailuremodesthatmayariseareanalysisedcombingwiththesolidmodelandsimulationdata.Anditisaneffectivesolutionsandthewaytoimprovewhichareputforward.Keywords:thecentralpivot,thefiniteelementanalysis,Pro/e,ANSYSII目录1绪论.11.1概述.11.2电动式挖掘机国内外发展状况.11.3市场前景分析.21.4本论文研究的必要性及意义.31.5本论文研究的内容.32中央枢轴的结构分析.42.1矿用挖掘机工作装置简介.42.2中央枢轴的结构分析.42.3中央枢轴的零件测绘.52.4中央枢轴的应力计算.92.5本章小结.143中央枢轴模型的建立.153.1PROE概述.153.1.1应用软件PROE简介.153.1.2PROE软件的特点.153.2参考模型的创建.163.3中央枢轴模型的导入过程.253.4本章小结.264中央枢轴的有限元仿真分析.274.1有限元方法概述.274.2有限元分析方法的步骤.274.3应用软件ANSYS的介绍.284.3.1ANSYS软件简介.284.3.2ANSYS的主要功能.294.3.3有限元模型的建立.304.4模型网格划分.304.4.1单元类型的选择.304.4.2选择网格划分方式.31III4.4.3指定单元划分形状.314.5中央枢轴应力分析.324.6改进方案.344.7本章小结.345结论.35参考文献.36致谢.3701绪论1.1概述目前，大型矿用电动式挖掘机在国内外工程施工及矿山开采行业中有都着广泛的应用，其功能的优劣对挖掘效率有很大的影响。如今国际市场竞争日趋激烈，怎么样提高产品的质量才是增加市场竞争力的关键。矿用挖掘机的结构非常复杂，往往都是多发动机同时驱动，它的工作环境非常糟糕，外部载荷随着工作情况的不同而变化。为了让它能安全顺利的进行工作，在矿用电动式挖掘机设计的时候，除了必要的静力计算和强度校核外，还需要运用ANSYS进行运动仿真和有限元分析，用来确保当初设计的机械强度及挖掘机的工作可靠性。1.2电动式挖掘机国内外发展状况我国的挖掘机自主设计起步较晚，上世纪五十年代初期只能靠引进苏联机械。1957年我国第一台W-3型3立方米矿用电动式挖掘机试制成功,标志着我国挖掘机生产的开始。经过近二十年的发展，在1977年挖掘机的生产有了重大突破，自主研制出了斗容量为10立方的WK-10型和斗容量为13立方的WD-2000型。中国是个矿业大国，采矿业发展迅速，为了适应形式，我国引进美国P&H公司的先进技术，结合自己的创新研发了P&H-2300XPHEP&H-2800XP两款大型挖掘机，斗容量分别为16m3和23m3。这两款挖掘机的研发成功，是我国挖掘机工业跨越式的一步。近年来我国电动式挖掘机制造有了明显的进步，但不管从产品质量、工艺水平还是设计水平和那些先进的大国相比还是有一定的差距。改革开放以来，随着我国国民经济的高速发展、人们生活水平的提高，对能源和资源消耗也大大增加，高效化、规模化和清洁化的开采方式成为产品开采的主要方向。根据国家规划，未来几年，国家建设数个现代化大型矿井和千万吨级以上的特大型露天煤矿，煤炭行业发展的主要方向逐渐集中化、大型化，大型矿业基地的建设将增多。随着我国的飞速发展，钢铁的消耗大大增加，钢铁产业的趋势也向设备大型化和矿山大型化发展，所以对大型矿用挖掘机的供应需要也将增大。1自从建国以来以来，20至50立方米大型矿用挖掘机是我国露天矿山使用最多的机械，但是由于缺乏自主生产的能力，基本都靠进口或与外国公司合作生产，核心制造技术缺乏受制于国外公司。2006年以来我国成功的研制了具有完全知识产权的20m3、27m3以及大型的WK-55型大型矿用挖掘机，打破了大型矿用挖掘机领域的产品和技术被国外公司垄断的局面，也使我国发展成为世界上屈指可数的自主研发生产大型挖掘机的国家之一。随着高新技术不断的在矿山设备中的应用，以及为了适应日益变大的矿用汽车的铲装需要，对矿用挖掘机的要求更加智能化和大型化。由于挖掘机在土建工程和露天采矿中的应用都非常广泛，很多发达的国家对挖掘机的生产和研发都非常重视。目前，国外制造大型挖掘机的国家主要有日本、美国和德国，其他国家像英国等也有一定的生产规模。以下是几个发达国家的挖掘机生产发展概况：最早研究生产挖掘机的国家是美国，1933年美国的机械工程师开始单斗挖掘机的研发，经过三年多努力制造出世界上首台机械传动挖掘机。美国的挖掘机的生产技术始终处于领先地位，尤其是大容量铲斗的矿用挖掘机，在世界上几乎处于垄断地位，在机械结构、产品性能、电器传动技术和售后服务等方面都领先于大多数挖掘机生产国。美国是挖掘机出口最大的国家，每年世界1/4以上出口量都是出自于美国。国外主要的挖掘机生产公司有美国的Harnischfeger公司（简称P&H公司）、Bucyrus&Eris公司（简称B&E公司）等三十余家企业。其中：B&E公司主要产品有395-B、295-B、1570-WS、1670-W等型号；P&H公司主要产品有2300-XP、2800-XP、P&H-1900AL、P&H-2100BL等型号。美国挖掘机工业的特点是生产专业化、产品高质量、配件充足，其中铲斗、履带板、斗齿、离合器、制动器等都有专业生产厂。1.3市场前景分析根据国家十一五规划，未来几年，将以建设现代化大型矿井和千万吨级以上的特大型露天煤矿的集中开采模式为主。我国在建的和已经投入运行的大型煤炭生产基地有十三个，还有一批年产量在5000万吨以上的大型煤炭企业和4-6个上亿吨的特大企业正在规划中，大型矿业基地的形成已经成为煤炭行业以后发展的主要方向。同时从世界供需情况来看，国际矿产品需求量大、供应紧张，也使大型矿用挖2掘机的市场需求保持增长态势。因此我认为，在矿山机械需求大、设备大型化的大背景下，大型矿用挖掘机的销售方面在接下来几年不会有明显的压力。1.4本论文研究的必要性及意义虽然近年来随着我国经济的发展，挖掘机行业取得了很大的进步，但是由于起步较晚不管在技术水平还是其产品质量方面，与发达国家相比还有一定距离。设计方法的落后、前人经验的匮乏是造成这种现状的主要原因。大家都知道，产品的设计质量对产品在实际生产中的使用至关重要，而采用有限元仿真研究的目的就是设法加快产品的研发速度，提高产品的设计质量，从本质上提高产品的质量可靠性。目前，在大型矿用挖掘机的设计水平上、设计手段及产品质量上，国外已经将人机环境作为一个系统开始向高智能化方向发展，提倡绿色环保的低振动、低噪音设计理念，在挖掘机设计过程中普遍应用现代化设计理念，使产品设计更加合理性能更加可靠。而在中国，传统的仿形设计任然是大部分设计师们采用的手段，直到近几来才与世界接轨逐步应用现代化的设计方法来对挖掘机进行设计制造。本文是对挖掘机中央枢轴进行三维设计及有限元静力仿真分析，充分利用手中掌握的数据和前人的研究成果，在单斗电动式挖掘机基础上对的大型矿用电动式挖掘机中央枢轴进行设计分析。在正确地分析载荷和合理地建立模型的基础上，对其进行有限元仿真分析，从而提高设计质量，减少试验环节，加快设计周期，对我国挖掘机行业的机械设计制造具有一定的实际意义和参考价值。1.5本论文研究的内容本课题的目标是对矿用电动式挖掘机中央枢轴的三维设计及有限元仿真分析。主要内容如下：（1）分析矿用电动式挖掘机中央枢轴的组成结构、设计要求和设计方法，运用三维软Proe建立挖掘机中央枢轴模型，并导入ANSYS中进行有限元静力分析；3（2）在ANSYS中建立中央枢轴有限元分析模型，在载荷最大的情况下对中央枢轴进行静力学分析。（3）根据分析结果提出合理有效的改进意见。2中央枢轴的结构分析2.1矿用挖掘机工作装置简介矿用电动式挖掘机是挖掘机的一种，其工作方式和大多数挖掘机相同，就是挖掘机铲斗在施工地点以间歇重复的工作方式进行循环工作1。一个工作循环分为四个工序：由行走至挖掘地点挖掘、满斗回转至卸载点、卸载、空斗回转至施工地点。在工作的时候挖掘机位置不发生变化，直至将可挖掘范围内的需挖掘物挖完，挖掘机才重新转换作业地点。为完成上述动作，挖掘机应具有以下部分：1）工作装置包括铲斗、斗杆、起重臂、推压传动机构、开斗机构等。2）回转支撑装置回转平台、机棚、中央枢轴、回转支撑机构等。3）行走装置行走减速机、底架、履带架等。4）动力装置电动机发电机机组等。5）辅助装置散热系统、润滑装置、操作装置等。图2-1大型矿用挖掘机外形42.2中央枢轴的结构分析中央枢轴是一个非常重要的部件，它是用来联接上部回转平台和下部行走装置的一个连接体，主要由枢轴、球面垫圈及球面螺母组成。由于矿用电动式挖掘机的工作环境都是比较恶劣的场所，所以导致中央枢轴在工作过程中受到的弯矩过大而且受力不均匀，有时中央枢轴会产生裂纹甚至是断裂的情况。所以本次设计就是为了分析并解决中央枢轴可能出现的失效形式等情况。本次设计设计的中央枢轴采用中空式结构，材质选择优质锰合金铸钢，因为中央枢轴承载着很大的拉力与弯距，锰合金钢具有很高的强度、耐磨性与韧性是铸造中央枢轴的上佳材料。2.3中央枢轴的零件测绘经过现场的实际测量与掌握的中央枢轴资料结合所绘制出各部件的零件图如下:图2-2定位块5图2-3专用键图2-4耳板6图2-5圆盘图2-6中央立轴7-图2-7球面螺母图2-8球面垫圈8图2-9止推垫圈图2-10销零件图完成后，接下来就是根据零件图运用三维建模软件Proe建立各个零件的模型并进行装配。2.4中央枢轴的应力计算根据挖掘机各部位的重量可以计算出中央枢轴受到的弯矩，下面是经过查询得到的挖掘机各部件的重量：9表1挖掘机各部位重量名称重量/kg名称重量/kg铲斗379345行走机24531.734斗杆19443下部其余部件11810.924起重臂与推压机63202.63履带装置132138.022开斗电机794.31司机室2421.3提升机33342.89通风除尘装置8021.26上部其余部件2343.09集中润滑系统1843回转机构6500.355提升稀油润滑系统228.8回转平台103421空压机1220双脚支架11713回转稀油润滑系统159.2机棚20346电气润滑附件6223.82中央枢轴480043566回转支撑机3491挖掘机总重604038底架58042.98WK-20型挖掘机在不同工作情况下各部位之间的距离如下表：表2挖掘机各部件之间的距离名称长度/mm名称长度/mm起重臂长度15500行走机构总宽度8484斗杆有效长度9696行走机构全长8720最大挖掘高度时的卸载半径18400底架距地高度575最大卸载半径18700平衡重箱距地高度2230最大挖掘高度14400起重臂跟脚销距回转中心距离3353最大挖掘半径18700起重臂根脚销距地面高度4000水平清道半径13300机棚顶距地面高度7500最大卸载高度9100司机室顶部距地面高度9100最大卸载半径时的卸载高度5600除尘装置顶部距地面高度9710最大挖掘半径时的挖掘高度8840机棚宽度8534最大挖掘高度时的挖掘半径20300机棚及走台宽度1050010最大挖掘深度1750机棚总宽度11500顶部滑轮顶部距地高度16080机棚及司机室总长12300顶部滑轮回转半径15450司机室水平视线距地面7800尾部回转半径7950铲斗容量20m双脚支架最大高度1100016m-34m起重臂倾角45表3各功用电动机功率输入电源3phs6000/10000V主变压器50Hz2000kVA提升电动机690VAC2560kW推压电动机690VAC315kW回转电动机690VAC2200kW行走电动机690VAC2400kW开斗电动机380VAC11kW图2-11挖掘机简图11在挖掘机进行挖掘和倾倒工作时，中央枢轴受到的主要是轴向的弯矩，这时只需要分析最大时即可，在她满载工作时受到的应力最大以下是应力求解过程：（1）电动式挖掘机的最大挖掘半径为18.7m，也就是说铲斗可以达到的离中央轴最大的距离是18.7m。铲斗的质量为，换算成牛力为：13794.5kgM（2-1）=g3794.5k0=GN由于铲斗不仅自身重量作用于底架梁上，而且因为质心的偏移而产生的弯矩也会通过中间结构传递的中央轴上进而作用于底架梁上。则中央轴上的弯矩为：1T（2-2）1118.m79351.TL（2）斗臂是连接铲斗和起重臂的重要部件，斗臂的作用是推动铲斗在起重臂上旋转移动。如过把斗臂近似的看成一个质点，那么它的质心距离中央轴9.35m。斗臂的质量为，换算成牛力为：2943kgM（2-3）=10=19430GN斗臂自身的重量也作用在挖掘机底架梁上，由于斗臂的质心距离中央轴有9.35m的距离，因此斗臂也会对中央走产生一个弯矩作用。则斗臂在中央轴上的弯矩为：2T（2-4）2219430.5m187920.5LN（3）电动式挖掘机的工作机构的核心部件就是起重臂和推臂机；它不仅要支持斗臂的重量还要支撑铲斗的重量以及工作所受的冲击，挖掘机在工作时起重臂上承受的力是最大的。起重臂与推臂机的质量，起重臂与水平面的最3=6.kgM的角度是。换成牛力为：45（2-5）3g620.k1206.3GN因为起重臂的旋转半径为15.45m，而起重臂有一定的旋转角度，所以起重臂的重心距离中央轴最远时起重臂与水平面呈夹角，那么质心距离中央轴最大距离为7.725m。可以计算出起重臂作用在中央轴的弯矩：3T（2-mNmNLT/1675.4820725.3.620336）12图2-12挖掘机回转平台上的装置简图（4）电动式挖掘机后半部分主要有机棚.通风除尘装置.机用工具.司机室.随机零件.双脚支架等大型部件。机用工具.司机室和随机零件做为一个整体位于起重臂根部以后中央轴以前，是司机操作机器工作的地方。整个部件的质量，换算成牛力为：421.3kgM（2-7）4=21.3kg0=2413GN由于机棚及司机室总长为12.3m而尾部回转半径为7.95m，所以整个装置的宽的为4.35m，那么可以近似的整个装置的质心在距离中央轴2.175m处。则该装置对中央轴的弯矩：4T(2-8)4213.75m=263.75L（5）机棚在挖掘机的后半部分，在挖掘机工作时随起重臂和铲斗一起回转，并且其上装有配重箱用来平衡挖掘机自身的重力分部。机棚的总质量，53209kgM则机棚的重力为：5G(2-9)g=32059k1g=3209MN因为机棚的回转半径为7.95m；假设它的质心在几何中心上，而机棚的几何外形可以看成一个规则的形体，那么机棚的重量集中到离中央轴3.975m的质心上。则机棚对中央轴的弯矩为：5T(2-10)53209.75m1243.5L（6）位于挖掘机尾部的位置装有一套通风除尘装置，它的作用是在挖掘机工作时给挖掘机的发动机.电子设备吹分冷却或者通过泵入冷却液冷却以及清出机器设备13里的的污垢。通风除尘装置的质量，则装置的重量为：68021.kgM6G(2-11)6g=8021.k=.6GN由于通风除尘装置的最大回转半径为7.95m，其前部的箱体距离中央轴大约4.5m，所以该装置的质心距离中央轴有6.225m。弯矩为：6T(2-12)66.6.25m493.5TLN（7）可以查到挖掘机的配重的质量是，由此可以计算出配重的7kg重量因为配重装置位于挖掘记得尾部，而尾部的回7g=430N转半径为7.95m，所以因配重而造成的弯矩(2-13)756.9=346M（8）满载的铲斗中装的是20的煤，煤的密度，所以满3310kgm载时铲斗中煤的质量(2-14)810kgm20V所以(2-15)8=1kgGN因此对中央枢轴的弯矩为:8T(2-16)812.7=34TL以上计算的是挖掘机底架梁以上的部件的重量以及对中央轴的弯矩，因为中央轴所受到的弯矩在两个方向上，所以中央轴所受的力存在前后平衡抵消的问题。设中央轴的总弯矩为T；则(2-17)12348567123495.7mTN这就是中央枢轴在挖掘机满载时受到的最大弯矩。2.5本章小结本章完成了电动式挖掘机中央枢轴的各部位零件图绘制，为接下来的三维模型的建立打下坚实的基础，而且根据挖掘机的主要参数，计算出中央枢轴在满载时受到的最大弯矩以便以后仿真加载时用。143中央枢轴模型的建立3.1PROE概述3.1.1应用软件PROE简介Proe绘图软件是由1985年成立于美国波士顿的PTC公司开发的，它是一款CAD/CAM/CAE一体化的功能多样三维产品开发软件。1988年，第一代V1.0的Pro/ENGINEER诞生了，功能相对简单。经过20余年的发展，Proe的三维设计功能更加齐全，已经成为三维建模软件的领军者。目前已经发布了Pro/ENGINEERWildFire6.0（又名野火6.0)。Proe是最早运用参数化技术的软件，在当前世界的三维设计软件领域特别是国内领域中占有着非常重要的地位，他操作简单易学、功能齐全，是国内使用最多的设计软件。Proe操作软件强大的设计功能不仅得到业界的认可和推广，而且被当作机械CAD/CAE/CAM领域的新标准，是现今最为主流的CAD/CAM/CAE软件之一。PTC的系列软件包含了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还有对大型装配体的管理、结构运动仿真、产品数据管理等许多方面。Proe的产品开发环境功能全面、集成紧密、方便实用，是一套由设计至生产的机械自动化软件，是集参数化、基于特征的实体造型、具有单一数据库等功能的综合性MCAD软件。3.1.2PROE软件的特点Proe软件内嵌的模块众多，基本上机械设计的各个方面都有涉猎。融合了零件设计、组件设计、模具开发、钣金设计、铸造件设计、造型设计、工程图设计、机构仿真等功能于一体。其Wildfire系列的产品广泛应用于电子、机械、模具、加点、汽车、航天航空等领域。Proe软件的主要特征有：1.全局关联性15Proe的所有操作模块都是相关联的，也就是如果在产品开发的过程中某一处进行了改动，那么在整个设计的其他部分也会相应的改动，同时自动更新所有的包括装配体、设计数据以及工程图纸在内的工程文档。2.基于特征的参数化设计Proe是基于特征的实体模型化系统，设计者采用具有智能特性的、基于特征的功能去快速生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性使得工程设计者在设计上更加的方便和灵活。3.单一数据库单一数据库指的是工程中的资料都保存在同一个库，使得不同的用户在为同一件产品造型而工作时，数据都是来自相同的数据库。如果在整个设计过程中，任何一处发生改动，也可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品设计的不同环节都联系起来。这个优点，使得设计更加简单优化，产品质量更高，能更好地推向市场，价格也更便宜。4.易于使用菜单以方式联级出现，使得界面更加直观。不仅提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了下一步的设计提示和完整的在线帮助，这种设计使得学习和使用更加简单方便。3.2参考模型的创建矿用挖掘机中央枢轴是用来连接挖掘机上下两部分的一个立式结构的连接体，主要由枢轴、球面垫圈，和枢轴螺母等零件组成。在模型的建立过程中先逐个把各个部件的模型建立，然后再进行整体的装配。这样有利于在装配某个零件出现装配误差时可以及时的修改。下面是根据图纸所建立零件模型的过程及所有零件：选择TOP平面为草绘平面，点击键进入草绘平面，绘制203mm和470mm圆各一个，16图3-1草绘拉伸图形然后点击确定，选择拉伸命令得到模型如下：图3-2拉伸模型选择旋转命令，点击放置，选择FRONT平面为草绘平面，在如下位置绘制长64mm宽38.5mm的矩形得到如下图3-3绘制旋转截面点击确定，选取中心线为旋转轴，旋转切除，17图3-4旋转切除完成模型选择拉伸命令，点击放置选择如下平面绘制拉伸截面如下图3-5绘制拉伸截面点击确定“移除材料”152.4mm图3-6拉伸完成选择旋转命令，点击放置选择FRONT平面草绘截面图3-7绘制旋转截面点击确定，选择中心轴为旋转轴，点击移除材料18图3-8旋转切除完成点击插入，选择“螺旋扫描”“切口”图3-9创建螺纹的命令定义螺纹属性、扫描轨迹、螺距、绘制螺纹截面，定义材料侧，最后确定绘制出螺纹图3-10创建螺纹完成点击平面，将FRONT平面平移235mm得到新平面，以新平面为草绘平面拉伸出如下图形图3-11拉伸切除选择阵列，以中心轴为阵列中心，120度阵列角度19图3-12拉伸孔并阵列这样主要的步骤已经完成，下来继续运用“拉伸”“阵列”完成下图螺纹孔的拉伸图3-13拉伸孔并阵列这样就完成了对中央立轴的三维模型建立。图3-14中央立轴参考模型以下模型的建立步骤就不进行详细描述了。20图3-15卡紧键参考模型图3-16耳板参考模型21图3-17圆盘参考模型图3-18销22图3-19球面垫圈图3-20专用键23图3-21球面螺母图3-22止推垫圈24图3-23中央枢轴参考模型图3-24中央枢轴参考模型在三维模型建立完毕后就需要对他进行应力分析与强度校核，这里使用的是有限元仿真软件ANSYS进行分析。3.3中央枢轴模型的导入过程在Proe中建立与ANSYS的无缝接口，在Proe的菜单栏里会显示有一个ANSYS接口。在Proe中打开中央枢轴的参考模型，点击菜单栏中的ANSYS,选择Workbench进入ANSYS，双击25图3-25导入模型过程就将中央枢轴的参考模型导入了ANSYS中图3-26导入ANSYS的中央枢轴模型导入ANSYS中接下来就是有限元应力分析。3.4本章小结本章在前期零件图的绘制基础上，运用Proe软件将中央枢轴个部件的三维模型一一建立，并将他们完成装配，建立了完整的中央枢轴实体模型。而且将中央枢轴的实体模型通过Proe和ANSYS的无缝接口成功导入ANSYSWorkbench中，为下章将要进行的仿真分析做好准备。264中央枢轴的有限元仿真分析4.1有限元方法概述有限元法（finiteelementmethod）是一种高效、实用的数值计算方法。在科学计算领域，通常需要求解各类微分方程，而许多微分方程的解析解一般都很难得到。使用有限元法将微分方程离散化后，可以使用计算机编写程序辅助求解。1969年以来，科学家从流体力学中应用加权余数法中的迦辽金法(Galerkin)或最小二乘法等同样获得了有限元方程，因而有限元法可应用于以任何微分方程所描述的各类物理场中，但是可以要求这类物理场和泛函的极值问题不再有所联系。有限元方法求解力学问题的基本思想是:由解给定的泊松方程化为求解泛函的极值问题。将连续的求解域离散为一组单元的组合体，在每个单元内假设近似函数，用来分片的表示求解域上待求的未知场函数，通常用未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表示近似函数。有限元方法的实质是使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。是用一个有限区域的组合代替另一个连续域，把连续场函数的微分方程求解问题转化为有限个参数的代数方程组求解问题。在实际应用中，用普通的方法想求解一些形状复杂边界复杂的工程问题的解析解是不太可能的。只能通过各种近似的数值求解方法来计算，而有限元方法就是一种行之有效的数值分析方法。4.2有限元分析方法的步骤1、结构的离散化就是把结构或连续体分割成许多单元，所以在分析的时时，必须把结构模型分为网格模型，并确定单元的数量、类型、大小和布置。2、从结构中取一个单元研究在离散的结构中选取适当的插值模式（或位移模式近似）的描述单元的位移场，在载荷随意给定的情况下，结构相对复杂的位移解不可能事先精确的确定，所以，通常用多项式的方式来求解差值模式方程。3、单元刚度矩阵和载荷向量的推导27根据假设的位移模式，运用平衡条件或适当的变分原理,能够计算出单元e的刚度矩阵和载荷向量，建立已知量、节点载荷与未知量、节点位移(或应力)之间的关系。4、集合单元方程得到总的平衡方程组在对全部连续体（或结构）进行有限元计算分析时，因为连续体（或结构）是由许多个有限单元组合而成，所以就需要把这些单元进行组合。在分析的过程中，将各个单元的刚度矩阵和载荷向量进行适当的组合，建立结点上内力与外力的平衡方程从而进行求解。5、求解未知结点位移根据问题的边界条件修改总的平衡方程，使结构不会进行刚体移动。可以快速方便的从代数方程组中求解出关于线性问题所需的结点位移。6、单元应变和应力计算根据已知的结点位移，结合所学知识列出和力学有关的方程，单元的应变和应力为未知量，求解方程就得到所需的应变和应力。4.3应用软件ANSYS的介绍4.3.1ANSYS软件简介ANSYS软件是美国的有限元分析软件公司ANSYS在70年代开发的，它是当今世界应用最广泛通用的有限元软件之一，在航空航天、机械制造、电子电气、压力容器、核能、生物医学等众多领域都有广泛应用。它的分析功能十分齐全，包括有结构、电磁、流体、热四大方面，并且开发提供了各物理场间互相耦合的功能。ANSYS经过三十多年的发展，从当年的简单的大型机和工作站到PC机，现在已经发展到可以应用于各种系统，并且支持同构及异构网络的的计算。现在ANSYS公司已经开发出的最高版本为ANSYS15.0。ANSYS软件能与多数的CAD软件建立良好的无缝接口，使用户在建模方面更加方便，增强了CAE软件的可操作性，目前ANSYS与几乎所有的主流CAD软件，如UG、Pro/E、Solidworks、Solidege、CATIA等都有直接的接口。ANSYS软件主窗口主要由五个部分组成，分别为：28（1）Utility菜单这部分菜单主要作用是通过ANSYS的相关功能组件进行工作，比如参数选择、文件的编辑、图像参数处理及参数输入等。（2）InputWindows（命令输入窗口）命令输入窗口提供的作用为：显示程序所提示的信息，并且允许用户直接输入命令，使分析过程简单化。（3）Toolbar（工具栏）工具栏主要由单击按钮组成，这些按钮都是ANSYS中非常常用命令。在分析时可以根据自己的分析类型定义自己的工具栏以提高分析效率。（4）MainMenu（主菜单）主菜单包括了ANSYS最主要的功能，分为前处理器(Preprocessor)、求解器(Solution)、通用后处理器(GeneralPostprocessor)、设计优化(DesignOptimizer)。（5）GraphicWindows（图形窗口）图形窗口显示的是分析过程中的图形，在图形窗口中实现图形的选取，在分析时全部的建模过程的图形变化以及必要的分析结构都可以在此窗口看到。输出窗口以简单的表格形式显示过程数据等程序的文本信息，通常主窗口会把输出窗口遮盖，如果需要则随时可以将输出窗口拖到前面。完全交互式图形操作是ANSYS软件一个非常重要的组成部分，图形对于校验前处理数据和在后处理中分析求解结果都非常重要。4.3.2ANSYS的主要功能ANASYS的基本功能可分为：（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；ANSYS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。（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。ANSYS可29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）结构非线性分析结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化，ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种3。其他基本功能还包括了热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析等。本课题主要是利用有限元软件建立挖掘机中央枢轴的有限元模型，并进行静力学分析。4.3.3有限元模型的建立ANSYS的分析功能非常强大，但它的实体建模功能相对薄弱，用它进行直接建模是非常麻烦的，应为零件结构比较复杂，我们可以先在Proe中创建实体模型，然后建立ANSYS与Proe的无缝接口，从Proe中直接导入ANSYSWorkbench界面中进行分析。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。本次模型划分网格时使用的是正四面体网格，不同的结构部分网格的划分大小也不一样，主要的受力部分网格要划得密一些。4.4模型网格划分4.4.1单元类型的选择由于中央枢轴的实际结构主要是由锰合金钢铸造而成的，而且几何模型较为复杂，所以在划分有限元模型的单元类型时选择三维实体单元Solid45。30图4-1Solid45的几何形状Solid45单元类型一般用于规则的实体结构模型，单元通过8个节点来定义，每个节点有x、y、z三个方向的移动自由度。该单元有塑性、膨胀、应力刚化、变形和应变的性能，因此Solid45单元可以满足本次计算的要求。4.4.2选择网格划分方式ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD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。ANSYS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。4.4.3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31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中央枢轴的网格划分4.5中央枢轴应力分析网格划分完毕之后就需要向中央枢轴添加载荷，再添加载荷之前就需要对中央枢轴进行约束，并且定义材料类型。中央枢轴用锰合金钢铸造而成，对中央枢轴添加六个约束，受力部位主要是球面螺母一端受到弯矩。图4-3为中央枢轴添加约束在前面第二章中已经计算出在满载状态下中央枢轴所受到的最大应力：32，应力施加在球12348567123495.7mTTTN面垫圈底部。图4-4最大载荷时中央枢轴的应力图得到应力图之后通过计算机的计算得到中央枢轴的强度校核之后的形变图如下：图4-5最大载荷时中央枢轴的形变图由中央枢轴的形变图3-15可以看出中央枢轴在挖掘机处于挖掘半径最大且满载时受到的应力最大，所以此时对中央枢轴产生的力距达到最大值为13.4MPa