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某液压破碎机动臂部件的有限元力学特性分析毕业论文目 录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 本课题研究的背景和意义11.2 破碎机技术的发展21.2.1 国外破碎机技术的发展现状21.2.2 国内破碎机技术的发展现状31.2.2国内液压破碎机与国外的差异与不足31.3 液压破碎机的简介41.3.1 液压破碎机的基本类型及主要特点41.3.2液压破碎机的工作原理41.4 固定式液压破碎机的基本结构51.5 本论文设计内容及任务概述6第二章 三维模型的建立与运动仿真72.1 UG三维软件的简介72.2 动臂三维模型的建立72.2.1整承架的建模82.2.2 中间板的建模92.2.3前臂的建模102.2.4 动臂的装配体112.3斗杆三维模型的建立122.4其他零部件三维模型的建立132.4.1液压缸等其他部件的建模132.5整机装配与运动仿真142.6三维模型的建立与运动仿真小结21第三章 动臂的有限元分析223.1 有限元分析的简介223.1.1 有限元分析的概念223.1.2 NX Nastran简介223.2 动臂的静态分析223.21工况选择223.22 动臂的静态分析303.3优化分析设计343.4静态分析小结38第四章 动臂的疲劳分析394.1动臂的疲劳分析394.2疲劳分析小结44第五章 动臂的模态分析455.1动臂的模态分析455.2模态分析小结50结 论51致 谢52参考文献53第一章 绪论1.1 本课题研究的背景和意义随着2014年全国两会召开以及新型城镇化规划的出台，第十二届全国人民代表大会第二次会议批准2014年国民经济和社会发展计划, 使国家的基础建设能有效的快速增长。其中由于破碎机在矿山开采、冶金、铁路、公路、市政园林、建筑、船舶等场合上的应用广泛，尤其是国家加大对中西部的基础设施的建设，带动破碎机的需求。对中国发展影响最大的是水泥行业、铺路和矿山两个应用领域，这两个行业的破碎机各约占整个行业的30%左右。破碎机对国家经济发展建设中显示出重要作用。液压破碎锤，又叫做液压破碎器或液压碎石器（hydraulicbreaker），日本、韩国多用此术语。也有称之为液压锤（hydraulichammer），芬兰、德国的公司多用此术语。中国的厂商与用户，有称之为液压破碎机的，也有称之为液压镐、液压炮、破碎头等等，国家标准的术语称之为液压冲击破碎器。液压破碎锤一种将液压能转变为机械冲击能的破碎机具，它主要以挖掘机、装载机等液压机械为承载设备，被广泛应用于城建、采矿、冶炼、交通、水电等工程施工。液压破碎锤的动力来源是挖掘机、装载机或泵站提供的压力油，它能在挖掘建筑物基础的作用中更有效地清理浮动的石块和岩石缝隙中的泥土，提高工作效率。液压破碎机的工作装置中，动臂部件是主要的承载部件，其结构强度直接影响到破碎机的使用寿命和工作性能，设计时通常有多种方案备选，通过有限元分析软件对动臂部件进行力学特性分析，才能够快速准确地选择较好的方案，提高产品的市场竞争力，这也是企业所需的竞争力。同时也带动了国家的经济发展建设进程。图1.1 正在进行破碎作业的液压破碎机1.2 破碎机技术的发展1.2.1 国外破碎机技术的发展现状从上世纪六十年代德国克虏伯公司生产出第一台液压破碎机以来，经过五十多年来的研究发展，逐步形成一个巨大的产业。全球范围来讲，液压破碎机的主要生产厂家有60多家，按产地可分为韩系、欧美系、日系和国产。其中韩国发展极为迅速以GB（工兵）、SB（山水）、KOMAC（工马）、SC（广林）、KOORY（高力）、DEMO（大模）、S.J（世进）等许多知名品牌。而德国资深企业克虏伯则从第一台液压破碎机经历几十年的技术革新，细节和技术都是全球一流水平。日本的古河、芬兰的rammer也是液压破碎机行业的领先者。液压破碎机从最初功能单一、结构复杂的形式发展到现在的产品多样化、功能多样化。具体可以归纳为以下几个方面的新发展：（1）液压破碎机的结构形式多样化。（2）产品系列化。（3）功能多样化、结构柔性化。（4）智能化。（5）便捷的售后服务。国外液压破碎机在根据市场需求不断的研究开发，清楚认识到任何产品生产出来后，最终都要走向市场，经受市场的严格检验。从而获得良好的发展。1.2.2 国内破碎机技术的发展现状国内液压破碎机的发展现状起，从上个世纪八十年代初至今，国内参与了液压破碎机产品的研制开发有许多单位。科研单位有长沙矿山研究院、北京科技大学、中南工大等。制造厂有惊天液压机械制造有限公司、张家港市力特机械有限公司、烟台艾迪精密机械有限公司、湖南山河智能机械股份有限公司、长治液压有限公司、浙江创路机械有限公司、温州市森泰环保设备有限公司等单位。但时至为止，不完全统计，许多企业由于种种原因，已经逐渐停止或减少生产液压破碎机，更有些企业已经消声灭迹了。只有长治液压有限公司还在坚持生产液压破碎机，沈阳风动工具厂与日本古河公司生产（日本古河)系列液压破碎机，马鞍山惊天公司、湖南山河在21世纪初开始生产自己商标的液压破碎机，但规模仍然较小。上述这些液压破碎机制造企业除长治液压有限公司以为其他的都是21世纪才成立的新企业，张家港市贝力特机械有限公司成立只有短短几年，但发展迅速。目前该行业国内情况是：（1）市场处于快速成长期。（2）国产品牌众多，市场竞争无序。（3）国产品牌初步形成，未来品牌集中度将快速提高。由于我国经济持续发展，对液压破碎机需求大大增加。是的国内液压破碎机销量也快速增长，同时液压破碎机的配件基本都是国产，满足国内市场需求，不仅如此液压破碎机配机也同时开始向国外出口。从目前来看我国液压破碎机未来发展趋势主要体现在以下几个方面：（1）产业结构调整有利于行业整体实力的提升。（2）固定资产投资强劲增长带动工程机械工程行业持续向好。（3）液压挖掘机等主机保有量迅猛增长。（4）挖掘机配套率还有较大提升空间。（5）新产品开发带来了应用领域的不断拓展。1.2.2国内液压破碎机与国外的差异与不足国内具有生产液压破碎机能力的品牌企业为数不多，而且能独立自主研发的更是少之又少，基本都靠引进国外技术。剩余企业不是进口就是组装生产销售，或直接销售。使中国出现了关于液压破碎机的企业，包括液压破碎机整机制造企业、液压破碎机零部件制造企业、液压破碎机维修企业、液压破碎机销售企业。虽然液压破碎机相关的企业在中国不断的涌现和发展，但是同时也暴露出了我国液压破碎机所面临的问题,具体有以下几个问题：（1）国内整机生产厂家的生产规模不大。（2）核心部件的加工能力不足。（3）产品研发能力不足。其中研发工作主要有以下4个研究方向：（1）产品理论分析研究。（2）加工工艺的研究。（3）材料与热处理研究。（4）检测试验研究。国外在欧洲和北美等国对于检测试验研究中的噪声和振动水平已经是产品的重要性能指标，可在国内并没有引起重视。“十一五”期间,中国工业的年产值突破10万亿元,工业的增加值在全球制造业中的比重已经超过14%。中国制造业也已经首次超过日本,成为仅次于美国的全球第二大工业制造国。但是通过目前国际上挖掘机配锤率比较，其中日本挖掘机配锤率为6075左右，韩国为5360，而目前中国只有1015的挖掘机配有破碎锤。据破碎锤专业人士分析，预测称中国的比例应该在30%40%之间，未来的破碎锤市场容量还将有1525%的增长空间，通过以上数据可知制造液压破碎机的能力逐渐增强，但普及使用率还有待时日。就国内的液压破碎机制造商而言，发展前景很好，但要迎接挑战。随着国内液压破碎机使用率增加，各种破碎机的应用领域的扩大，用户对液压破碎机的认识更加专业，对市场更加了解，对制造商也提出了更高的要求，所以液压破碎机制造商在品牌实力、产品质量和售后服务等方面需进行进一步的提升。随着液压破碎机市场的成熟、国家的管理和重视，市场逐渐整合，国内液压破碎机市场混乱的局面将会渐渐改变，对液压破碎机制造有有实力的制造商将会占据主导地位，通过创新、销售、提供高质量服务、专业化的产品。国内市场也会向日、韩、欧美这样的成熟市场方向进化。1.3 液压破碎机的简介1.3.1 液压破碎机的基本类型及主要特点液压破碎锤，亦称破碎器、液压破碎器 。破碎锤的动力来源是挖掘机或装载机的泵站提供的压力油，它能在挖掘建筑物基础的作用中更有效地清理浮动的石块和岩石缝隙中的泥土。破碎锤的结构，主要包括阀门、氮气室、油缸、活塞下部主体、钎杆等部分。破碎锤的冲击能量的来源的还是由以下3种方式提供：第1种由液压油提供，例如Rammer和Montabert；第二种由气压提供，例如日本的破碎锤；第3种效果最好，由液压、气压混合提供，一般液压占25%，气压占75%，如阿特拉斯科普柯公司设计、生产的破碎锤。但所有的破碎锤活塞复位的完全由液压提供。通过液压缸的伸缩来达到不同的工况要求进行作业。有噪音小，工况条件好、锤击力强，作业效率高、反冲力小、适用于各种苛刻工况等优点。1.3.2液压破碎机的工作原理液压破碎机通过调节液压缸来控制液压破碎锤的位姿来达到不同的工况，而液压锤是一种特殊的液压机具，它将控制阀、执行器、蓄能器等液压元件集于一身，控制阀与执行器相互反馈控制，自动完成活塞的往复运动，将液体的压力能转化为活塞的冲击能。目前市场上的液压锤的活塞回程运动都是液压作用力完成的，而活塞的冲程运动，则可根据冲程时作用力的来源不同将液压锤分为氮爆锤、全液锤与气液锤三种类型。其工作时通过阀门系统接受挖掘机液压动力，推动活塞向破碎器尾部运动，同时压缩氮气室中的氮气，积蓄能量。当活塞运动到尾部规定位置时，阀门调整液压方向，推动活塞反向运动，同时氮气膨胀一同推动活塞向下运动，撞击钎杆，将液压能转变为机械冲击从而能实现破碎功能。1.4 固定式液压破碎机的基本结构固定式液压破碎机整机的基本结构如图1.1所示：图1.1 液压破碎机整机结构图GTP固定式破碎机主要由工作装置（图中的4、5、6、7、8、9）、回转机构（图中的10）、液压泵站（图中的1、2）、操作驾驶室（图中的3）和电气系统几部分组成8。各主要部分的名称如下：1. 油泵电机组 2. 油箱总成 3. 操作驾驶室 4. 动臂 5. 斗杆油缸 6. 斗杆 7. 转锤油缸 8. GT60液压破碎锤 9. 动臂油缸 10. 回转平台及底座1.5 本论文设计内容及任务概述本文是对液压破碎机动臂部件进行有限元力学特性分析，根据液压破碎机工作装置的结构特点和实际工作情况，对液压破碎机进行运动仿真从而分析其运动和动力特性，确定液压破碎机动臂部件危险工况。并应用UG有限元分析软件对动臂进行静力学分析、模态分析、疲劳分析。根据分析结果进行优化和改进。任务概述1）完成调研，检索文献，对国内外在该领域的研究现状有足够的认识。2）基于各种认识的基础上,了解本课题需要解决的问题。4）使用UG软件的三维建模功能完成某液压破碎机的三维建模和装配5）有限元分析软件NX Nastran对动臂进行静力学分析并对其结果分析6）有限元分析软件NX Nastran对动臂进行疲劳分析并对其结果分析7）有限元分析软件NX Nastran对动臂进行模态分析并对其结果分析8）根据相关数据与结果，整理得出结论。第二章 三维模型的建立与运动仿真2.1 UG三维软件的简介UG是Siemens PLM Software公司出品的集 CAD/CAM/CAE 于一体的三维参数化设计软件,在汽车、交通、航空航天、日用消费品、通用机械及电子工业等工程设计领域得到了大规模的应用。UG针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。UG具有三个设计层次，即结构设计、子系统设计和组件设计。该软件具有以下特点：l）具有统一的数据库，真正实现了CAD/CAE/CAM等各模块之间的无数据交换的自由切换，可实施并行工程。2）采用复合建模技术，可将实体建模、曲面建模、线框建模、显示几何建模与参数化建模融为一体。3）用基于特征的建模和编辑方法作为实体造型基础，形象直观，类似于工程师传统的设计办法，并能用参数驱动。4）以Parasolid为实体建模核心，实体造型功能处于领先地位。目前著名CAD/CAE/CAM软件均以此作为实体造型基础。5）提供了界面良好的二次开发工具GRIP和UFUNC，并能通过高级语言接口，使UG的图形功能与高级语言的计算功能紧密结合起来。6）具有良好的用户介面，绝大多数功能都可通过图标实现；进行对象操作时，具有自动推理功能；同时，在每个操作步骤中，都有相应的提示信息，便于用户做出正确的选择。所以本文选用UG软件进行三维建模。根据某液压破碎机的数据和设计图纸，利用UG软件的三维建模功能对整机进行建模并装配，包括动臂部件、斗杠部件、液压缸、活塞杆、底座、破碎锤、连杆机构等。建模时对不会影响结果的特征进行去除。模型里的焊缝处按连续处理。2.2 动臂三维模型的建立液压破碎机工作装置里动臂部件和动臂液压缸与回转平台上的底座用销轴铰接，动臂液压缸的控制工作装置。液压破碎机中其他工作装置如破碎锤、连杆机构、斗杆部件与液压缸都是使用销轴铰接。动臂是液压破碎机工作装置中的主要部件，其机构有整体式和组合式两种。整体式动臂。其整体式动臂的有点事结构简单，质量轻而刚度大。其缺点是更换的工作装置少，通用性交叉。整体式动臂又可以分为直动臂和弯动臂中直动臂结构简单。质量轻、制造方便，不适用于通用破碎机机。整体式动臂通常使用弯曲梁结构，使用厚钢板Q345材料的上下接板和左右侧板对接焊缝焊接而成。而组合式动臂由辅助连杆或液压缸或螺栓链接而成。可以根据作业条件随意调整作业尺寸，且调整时间短，此外，它的互换工作装置多，可以满足各种作业的需要。装车运输方便。所以本文选用组合式弯动臂。组合式动臂由整承架、中间板、前臂组成。对其分别建模并装配可得动臂部件。2.2.1整承架的建模整承架由支撑架与后置板组成，支撑架由连接管、前置板、加厚板组成建模， 如图2.1连接管的建模，图2.2前置板的建模，图2.3加厚板的建模，图2.4后置板的建模图2.5支撑架的装配，图2.5整承架的装配。图2.1连接管的建模 图2.2前置板的建模 图2.3加厚板的建模 图2.4后置板的建模 图2.5支撑架的装配图2.5整承架的装配2.2.2 中间板的建模中间板由支撑板、耳板、中间板组成。如图2.6耳板的建模，图2.7连接管的建模，图2.8支撑板的建模，图2.9中间板的建模，图2.10中间板的装配。图2.6耳板的建模 图2.7连接管的建模图2.8支撑板的建模 图2.9中间板的建模图2.10中间板的装配2.2.3前臂的建模前臂对动臂是用于力的传递功能，主要由前板和前支架组成。而前支架是由两前支架的前板和前支架组成的，如图2.11前板的建模，图2.12前板1的建模，图2.13前板2的建模，图2.14前支架的建模，图2.15前支架的装配，图2.16前臂的装配。图2.11前板的建模图2.12前板1的建模 图2.13前板2的建模图2.14前支架的建模 图2.15前支架的装配图2.16前臂的装配2.2.4 动臂的装配体 将整承架、中间板、前臂装配组成动臂部件，如图2.17动臂部件。图2.17 动臂部件装配2. 3斗杆三维模型的建立斗杆部件一般用箱形断面的变直梁结构，能够承受较大的侧向弯矩。它主要由前板、前支架、前加强板、下顶盖、加强板、后板和耳板组成。分别对其建模并装配组成斗杆部件如图2.18斗杆部件。图2.18斗杆部件2.4其他零部件三维模型的建立液压固定式破碎机除了操作室、固定装置、动臂和斗杆以外，还有其他很重要的组成部分，主要包括底座、液压缸、液压油杆、连杆、安装板、破碎锤等。其中底座部分可以根据实际情况的需要选择是挂式还是坐式；液压油杆是主要的动力传输装置；连接部分是用来连接斗杆与液压破碎锤的；而破碎锤是直接与被破碎物相接触的零件，根据锤型进行建模。2.4.1液压缸等其他部件的建模 根据PC系列挖掘机油缸中性能参数及连接形式，与GT6O破碎锤等部件参数进行三维建模，如图2.19液压缸建模、图2.20底座的建模、图2.21破碎锤的建模、图2.22连杆机构的建模。图2.19 液压缸的建模图2.20底座的简化模型图2.21 GT60破碎锤的建模 图2.22 连杆机构2.5整机装配与运动仿真将以上各个部件装配组成液压破碎机，在各部件的铰接点处匹配装配，各部件装配体如图2.23所示液压破碎机总装配体。图2.23 液压破碎机总装配体进入运动仿真环境，新建运动仿真。选择类型为动力学，单击确定。选择底座为固定连杆LOO1，其他部件依次设置成不固定连杆。对于本文参考约束关系，采用旋转副、滑动副、固定副，施加在各部件之间的约束情况如表2-1所示表2-1约束使用情况表部件1部件2约束底座地面固定副动臂底座旋转副动臂油缸缸筒底座旋转副动臂油缸活塞杆动臂油缸缸筒滑动副动臂油缸活塞杆动臂旋转副斗杆油缸缸筒动臂旋转副斗杆油缸活塞杆斗杆油缸缸筒滑动副斗杆动臂旋转副斗杆油缸活塞杆斗杆旋转副转锤油缸活塞杆转锤油缸缸筒滑动副转锤油缸活塞杆连杆旋转副连杆摇杆旋转副摇杆斗杆旋转副破碎锤斗杆旋转副破碎锤连杆旋转副添加了符合实际情况的运动副可以对其进行运动仿真分析了，液压破碎机的动力来自动臂油缸、斗杠油缸和转锤油缸产生的液压驱动力提供的，通过调节液压缸来控制液压破碎机的工作。UG中将实际运动函数模型转换为UG运动仿真中的阶跃STEP运动控制函数，从而控制机构的运动规律。STEP函数格式如下：STEP (x, x0, h0, x1, h1) 其中，x 自变量，可以是时间或时间的任一函数 x0 自变量的STEP函数开始值，可以是常数或函数表达式或设计变量； x1 自变量的STEP函数结束值，可以是常数、函数表达式或设计变量 h0 STEP函数的初始值，可以是常数、设计变量或其它函数表达式 h1 STEP函数的最终值，可以是常数、设计变量或其它函数表达式因为液压破碎机工作尺寸只涉及到平面，不考虑液压破碎机的回转动作，依据各油缸的理论行程、仿真过程避免发生干涉及获得工作范围原则将三个液压缸驱动函数设置如下：动臂油缸STEP函数设置：STEP(time,5,0,10,-200)+STEP(time,20,0,30,850)+STEP(time,40,0,50,-850)+STEP(time,55,0, 60,200)斗杆油缸STEP函数设置：STEP(time,5,0,10,800)+STEP(time,30,0,35,-550)+STEP(time,35,0,40,550)+STEP(time,55,0, 60,-800)转锤油缸STEP函数设置：STEP(time,5,0,10,250)+STEP(time,55,0,60,-250)将STEP函数分别添加到油缸的滑动副驱动中，分别设置好动臂油缸、斗杆油缸和转锤油缸的STEP函数，STEP函数曲线图如图2.24、图2.25、图2.26所示。 图2.24动臂油缸STEP曲线图图2.25斗杆油缸STEP曲线图图2.26转锤油缸STEP曲线图由图2.24、图2.25、图2.26可知，首先调整动臂油缸全伸，斗杆油缸与转锤油缸全缩，使破碎锤达到最高点，接着调整动臂油缸全缩，斗杆油缸伸至使破碎锤达到最低点。最后调整动臂油缸、斗杆油缸、转锤油缸使液压破碎机回到原位。在UG的运动仿真模块对其进行求解运算。仿真结束后，可在动画中观看仿真结果。利用UG仿真模块中的作图功能选取破碎锤为对象，定义Y轴为破碎锤Y方向的位移，定义X轴为破碎锤X方向的位移。生成图2.27为液压破碎机在XY平面内工作范围轨迹。图2.27 XY平面最大工作范围运动仿真轨迹图 根据液压破碎机工作范围轨迹图，研究其工作区域，分析可得到破碎锤最远工作位置，破碎锤最低工作位置与最高工作位置等极限工作尺寸，现对其液压破碎锤位于离回转平台最远位置并垂直工作下的工况进行运动仿真。为了模拟实际工作状态加入回转动作。添加简化回转装置，并将其在UG运动仿真模块中设置为固定连杆。将底座与回转装置设置为旋转副。根据其工况将液压缸驱动函数设置如下：动臂油缸STEP函数设置：STEP(time,5,0,10,300)+STEP(time,15,0,30,-300)斗杆油缸STEP函数设置：STEP(time,5,0,9,700)+STEP(time,20,0,30,-700)转锤油缸STEP函数设置：STEP( time,5,0,10,-240)+STEP(time,20,0,25,240)回转装置STEP函数设置：STEP( time,0,0,5,50)+STEP(time,30,0,35,-50)将STEP函数分别添加到油缸的滑动副驱动中，STEP函数曲线图如图2.28、图2.29、图2.30、图2.31所示。图2.28动臂油缸STEP函数曲线图图2.29斗杆油缸STEP函数曲线图图2.30转锤油缸STEP函数曲线图图2.31回转台STEP函数曲线图 由图2.28、图2.29、图2.30、图2.31可知，首先使回转台回转，再调整动臂油缸和斗杆油缸且斗杆油缸全缩，使破碎锤达到最远，接着调整转锤油缸使破碎锤垂直工作，。最后调整动臂油缸、斗杆油缸、转锤油缸、回到装置使液压破碎机回到原位。将其工况下的STEP函数和受力输入滑动副中并求解。可在动画中观看仿真结果了解其工作过程。经过液压破碎机的运动仿真作铰点处旋转副受力曲线，动臂与斗杆铰接点处的受力曲线如图2.32，动臂与动臂油缸铰点处受力曲线图2.33，动臂与斗杆油缸铰点处受力曲线图2.34。图2.32动臂与斗杆铰接点处的受力曲线图2.33动臂与动臂油缸铰接点处的受力曲线图2.34动臂与动臂油缸铰接点处的受力曲线 由以上几个主要铰点的受力曲线可知，5s到15s这时间段中，各个铰点的受力情况变化显著，说明动臂在此时间段内受力逐渐增大之后减小，由受力曲线图可知，动臂与斗杆铰点处最大受力为2.1105N,动臂与斗杆油缸铰点处最大受力为1.9105N，动臂与动臂油缸铰点处最大受力为4.3105N。该组曲线显示了液压破碎机最远工况时的受力情况，也为之后的有限元分析提供了依据。2.6三维模型的建立与运动仿真小结 本章利用UG对液压破碎机进行三维建模并装配，通过UG的运动仿真模块，添加运动副与驱动建立液压破碎机的运动仿真，根据各个液压缸的行程和工作时间，合理设置液压缸的驱动函数，研究液压破碎机的工作区域，对其工作装置工作范围的运动轨迹进行仿真绘制，分析可得到破碎锤最远工作位置，破碎锤最低工作位置与最高工作位置等极限工作尺寸的仿真值，并按最远工况分析其受力情况，展现了液压破碎机工作保证其运动无干涉，为了接下来的有限元分析提供了依据和验证其设计的合理性。第三章 动臂的有限元分析 3.1 有限元分析的简介3.1.1 有限元分析的概念有限元法是一种高效能、常用的计算方法。有限元法在早期是以变分原理为基础发展起来的，所以它广泛地应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中。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。有限元分析的原理是将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而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。将有限元法引入产品和结构设计是CAE的重要组成部分。传统的产品设计流程与现代设计中采用CAE技术后的设计流程对比可知，从产品概念设计方案对比、样机测试到加工制造，可以把有限元仿真和优化设计方法贯穿整个产品的全部过程，把传统产品设计方法中的从概念设计到样机测试，再返回修改的大循环过程，演化成平行于每一个设计环节的精确分析及其优化，减少了设计过程中的缺陷和不足，大大提高了产品的质量和可靠性，大幅缩减了设计时间.降低了产品研发成木。3.1.2 NX Nastran简介Nastran，即NASA 结构分析系统，是1966年美国国家航空航天局(NASA)为了满足当时航空航天工业对结构分析的迫切需求，有多家软件开发商参与了结构分析求解器的开发过程。 NX Nastran适用于需要完成大量流程化分析计算的用户。它的特点是灵活，可靠并能同大量的其他分析软件协同运作，形成统一高效的分析流程，并在整个流程中承担核心求解功能。它的数据格式可以在绝大多数的CAE软件中识别和使用，使得同其他CAE使用者交换数据的方式灵活方便，大大减少了数据转换和共享的工作量。由于UG自带NX Nastran，使用UG建模可不需转换无缝连接减少模型导入信息丢失,本文选用NX Nastran进行有限元分析。3.2 动臂的静态分析3.21工况选择液压破碎机作业时，通过铰接处的转动和液压缸的举升相互配合进行不同工况的作业，为了更好分析，本文通过运动仿真选取三种典型工况进行比较。工况一如图3.1所示动臂位于动臂缸作用力臂最大处，斗杆位于斗杆缸作用力臂最大处。 图3.1工况一工况二如图3.2所示液压破碎锤位于离回转平台最远位置。图3.2工况二工况三如图3.3所示液压破碎锤位于离回转平台最低位置。图3.3工况三计算工况一各铰点受力图3.4工况一各铰点位置如图3.4工况一各铰点位置通过对动臂模型的B、D、F铰点添加力来表达动臂的受力。B、D、F铰点受力由液压破碎锤所产生的最大冲击力确定。根据参考液压破碎锤型号惊天GT60参数为：钎杆直径100mm，钎杆重量57kg，工作量：736-880/kg，工作流量80-110i/min，工作压力15-17MPa，冲击频率6-11Hz。配套挖机斗容0.4-0.6m，机重11-16t。再由破碎锤活塞上端与液压油的接触面积，可求得其液压破碎锤最大冲击力 F=PS其中， F破碎锤冲击力，单位N P破碎锤的工作压力，单位Pa S破碎锤活塞上端与液压油的接触面积，单位根据破碎锤型号参数破碎锤活塞上端与液压油的接触面积为0.0031代入相关的参数。F=0.003117106=52612.64N表3-1国内几种反铲装置的构件近似重量序号斗容量（m）质量（t）动臂斗杆斗杆缸转锤油缸连杆摇杆动臂缸40.150.2230.1790.0550.0510.0170.055611.50.80.230.130.150.4根据表3-1与惊天液压破碎锤GT60配套挖机斗容0.4-0.6m，机重11-16t。用插值法求得各构件重量动臂G1为7.49KN、斗杆G2为4.35KN、破碎锤G3为7.36KN、斗杆油缸G4为1.27KN、转锤油缸G5为0.84KN、连杆摇杆G6为0.72KN、动臂缸G7为1.97KN。对F点取矩求铰点D的受力，测量力臂如图3.7所示DNF=1.31m e1=0.85m R2F=0.32m R3F=1.25m R5F=0.89m R6F=0.85m 图3.7工况一斗杠计算参数示意图取斗杠为隔离体，按对铰点F的力矩平衡方程MF=0求得 FD=（FDNF-G2R2F-G3R3F-G5R5F-G6R6F）/e1即：FD=75.59KN对C点取矩求铰点B的受力，测量力臂如图3.8所示DNC=6.72m e2=0.76m R1C=2.23m R2C=5.73m R3C=6.66m R4C=4.47m R5C=6.29m R6C=6.37m图3.8工况一动臂计算参数示意图取动臂为隔离体，按对铰点C的力矩平衡方程MC=O求得 FB=（FDNC-G1R1C-G2R2C-G3R3C-G4R4C-G5R5C-G6R6C）/ e2即：FB=325.46KNFB与水平方向的夹角为52.82铰点F点受力为FFX=-Fsin+FDcos=18.2KNFFY=Fcos+FDsin-G2+G3+G5+G6=-2.45KN其中为F与水平方向的夹角为90，为FD与水平方向的夹角为8.23计算工况二各铰点受力图3.9工况二斗杠计算参数示意图对F点取矩求铰点D的受力，测量力臂如图3.9所示DNF=3.24m e1=0.62m R2F=0.59m R3F=3.16m R5F=1.69m R6F=2.59m 取斗杠为隔离体，按对铰点F的力矩平衡方程MF=0求得 FD=（FDNF-G2R2F-G3R3F-G5R5F-G6R6F）/e1即：FD=227.9KN对C点取矩求铰点B的受力，测量力臂如图3.10所示DNC=8.56m e2=0.75m R1C=1.95m R2C=5.91m R3C=8.48m R4C=3.89m R5C=7m R6C=7.9m图3.10工况二动臂计算参数示意图取动臂为隔离体，按对铰点C的力矩平衡方程MC=0求得 FB=（FDNC-G1R1C-G2R2C-G3R3C-G4R4C-G5R5C-G6R6C）/ e2即：FB=441.3KNFB与水平方向的夹角为60.21铰点F点受力为FFX=-Fsin+FDcos=174KNFFY=Fcos+FDsin-G2+G3+G5+G6=10.55KN其中为F与水平方向的夹角为90，为FD与水平方向的夹角为6按照上述方法计算工况三铰点受力并与工况一与工况二比较如表3-2所示表3-2三种工况受力对比FB（KN）FD（KN）FFX（KN）FFY（KN）工况一325.4675.5918.2-2.45工况二441.3227.917410.55工况三417139.459.769.3由表3-2可知工况二斗杠缸全缩，液压破碎锤位于离回转平台最远位置时受力最大，与运动仿真时的受力曲线图进行对比分析可知受力基本符合，选取工况二进行静态分析。3.22 动臂的静态分析将破碎机三维模型用UG打开，进入高级仿真环境，新建FEM和仿真。设置求解器选用NX NASTRAN，解算方案类型SESTATIC 101-单约束进行静态分析。如图3.11所示。图3.11解算方案类型对模型定义材料属性。根据设计要求，动臂构件选用Q345低合金钢，具良好的综合力学性能，塑性和焊接性良好，冲击韧性较好。定义单元类型和网络类型划分网格。使用3D四面体网络，单元大小为45mm进行网格划分，划分结果如图3.12所示。其中网格中的单元数为58512，网格中的节点数为115288。图3.12动臂网格划分结果由液压破碎机危险工况对动臂施加约束，对于有限元静力分析，需要限制模型的刚体位移，本文选择动臂与底座的销孔C点进行约束，由于动臂的外力对铰点C的力矩之和为零，而在铰点C处限制Z方向的旋转自由度对计算结果无影响，考虑其影响大小，约束不同的销孔分别进行计算，结果表明除约束点附近的应力大小不同其余部位的应力大小和分布相同，表明约束方式是可行。在NX NASTRAN中对模型底部与底座铰接的铰点C点添加对x、y、z三个方向的位移自由度，和x、y两个方向的旋转自由度进行约束如图3.13所示。图3.13 动臂添加约束NX NASTRAN中轴承载荷的方向总是垂直于圆柱面或者圆形边缘的，通过添加轴承载荷来等效各铰点受力分布情况，对动臂模型B、D、F铰点添加轴承载荷来表达动臂的受力。添加效果如图3.14所示图3.14动臂添加轴承载荷进行模型求解，得到动臂的位移云图，如图3.15所示动臂最大位移在动臂与斗杆铰接处节点编号为92383上为9mm。图3.15动臂位移云图动臂的应力云图，如图3.17所示动臂最大应力为177.27MPa。图3.17动臂应力云图根据动臂局部应力云图3.18可知最大应力在动臂与底座铰接处单元节点编号45909上,最大应力为177.27MPa,通过查工程手册，取安全系数为1.5，所以材料的许用应力为：屈服强度/安全系数=345/1.5=230MPa177.27MPa符合要求。图3.18动臂局部应力云图图3.19动臂应变云图根据动臂应变云图3.19可知最大应变为0.0003mm/mm，切最大应变在单元节点编号45909上与最大应力的单元节点编号一样可知，应力最大应变也最大。3.3优化分析设计 从以上分析可知最大应力在编号45909单元节点上，最大应力为177.27MPa小于Q345的许用应力230MPa，现对其质量最小化进行优化，所以在同样的载荷和约束等条件下对动臂进一步优化。 首先在静态分析的基础上，UG软件菜单栏中的“插入”菜单下单击“几何优化”来创建几何优化解算方案如图3.20所示。图3.20创建几何优化解算方案 在图3.21中的解算方案列表选择要优化的解算方案solution1来获得同样的载荷和约束等条件，点击确定后，在“几何优化”对话框进行以下设置:(1)定义目标：动臂的重量设定为最小化；（2）定义约束：创建约束，设定应力上限为230MPa；（3）定义设计变量：分别对后置板内肋板和前支架内肋板的厚度定义为1520mm。最后最大迭代次数为10次。对几何优化进行求解，经UG软件运算，优化处理结果如图3.21所示，第5个设计循环重量最小。如图3.22所示后置板内肋板厚度为16mm左右。如图3.23所示前支架内肋板厚度为15mm左右。图3.21动臂重量变化图图3.21后置板内肋板厚度变化图图3.22前支架内肋板厚度图图3.23优化前位移云图图3.24优化后位移云图图3.25优化前应力云图图3.26优化后应力云图 由图3.23图3.26可知，优化后的位移和应力减小，其中优化后应力为177.13MPa小于Q345的许用应力230MPa。说明通过减小后置板和前支架的厚度，可以在小于材料的许用应力下减少重量。从而节约材料，达到优化的目的。3.4静态分析小结通过运用UG软件建立液压破碎机的三维实体模型，对其动臂部件在UG有限元分析模块下进行静力学分析可知最大应力主要在动臂与底座的铰接处最大应力为177.27MPa，但实际情况中由于外部有其他载荷，所以应该避免应力集中，可以修改模型使外形圆弧过渡，例如使用倒圆，倒角等。加大接触面积，匀称结构变形。本文在静力学分析的基础上对其进行质量最小化的优化分析，结果表明，减小后置板和前支架的厚度后的动臂薄弱部位的应力更加合理，质量减小从而节约材料，达到了优化的目的。所以在有限元静态分析的仿真结果为结构分析提供了计算依据，并在此基础上进一步对动臂结构尺寸进行优化，可以找出设计中较弱的部位和不合理的部位，降低设计开放成本，缩短了产品的开发周期，提高了产品质量。第四章 动臂的疲劳分析4.1动臂的疲劳分析疲劳是产品/零件失效最常见的方式之一。疲劳种类较多.常见的有机械疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳和微动疲劳等，其中，机械疲劳包括应力疲劳、应变疲劳和接触疲劳3种方式。引起疲劳失效的机理和因素比较复杂，因此，必须遵循客观规律和按照严格的分析程序进行失效分析和疲劳预测。而近年来发展的将有限元法和疲劳机理分析相结合的计算机仿真技术，无疑为解决实际中的疲劳问题捉供了经济、有效的分析和评判工具。疲劳寿命是材料在疲劳破坏前所经历的应力循环数称为疲劳寿命。结构疲劳分析是一种工具，用于在各种简单或复杂加载条件(也称为疲劳载荷循环)中评估设计结构的强度或者耐久性。NX NASTRAN疲劳分析可在静态分析的基础上修改。编辑静态分析的解算方案如图4.1所示勾选单元迭代求解器。 图4.1编辑解算方案进行模型求解后，在UG菜单栏的工具栏中点击“耐久性向导”。根据对话框提示进行设置，其中的疲劳强度因子是由疲劳应力准则除以应力幅值计算得到，用来估算疲劳强度，预测结构的任何部分是否会由于周期载荷而被破坏取值一般小于1，此处取0.9。通过耐久性分析对话框输入疲劳强度因子0.9求解，疲劳分析解算结束后，其分析结果包括疲劳寿命、疲劳安全系数、强度安全系数3个指标。疲劳分析结果中，如图4.2动臂寿命云图,可看到动臂的低寿命区域主要集中在动臂底部。图4.2疲劳寿命云图图4.3局部疲劳寿命云图根据图4.3局部疲劳寿命云图，可知最小寿命在单节点编号为18074上循环次数为7.41107次。该型破碎机冲击频率为6-11Hz，若以6Hz的频率在此工况下，每天工作8小时。计算可得该动臂的疲劳寿命为1.43年。疲劳安全系数云图如图4.4，疲劳安全系数是指结构所能承受的疲劳极限应力与NX NASTRAN结构计算所得应力的比值。最小疲劳安全系数为0.135。疲劳安全系数大于1的区域为安全区域。图4.4疲劳安全系数云图由局部疲劳寿命云图4.3与局部疲劳安全系数4.5云图可知疲劳寿命的低寿命区域疲劳安全系数的数值也较低。最小疲劳安全系数在单节点编号为35749上为0.135。疲劳安全系数分析结果反映了疲劳负载循环中所定义的的循环载荷条件相对应的疲劳安全系数，根据其最小疲劳安全系数0.135小于1代表在给定的疲劳载荷周期的反复作用下最终安全。图4.5局部疲劳安全系数强度安全系数是用于衡量零件的总体强度，由应力准则除以某一类型的应力值计算得到，结果如图4.6所示。最小强度系数为1.376。图4.6强度安全系数图4.7局部强度安全系数 根据局部强度安全系数图4.7可知，最小强度安全系数在单元节点编号16732上为1.376。强度安全系数大于1的区域为安全区域。说明结构不会破坏。4.2疲劳分析小结利用UG软件得到动臂的疲劳寿命参数可方便地知道最大应力点，知道最小寿命在单节点编号为上循环次数为7.41107次，计算可得该动臂的疲劳寿命为1.43年。此疲劳寿命相对与一般液压破碎机的寿命较低，说明在此工况下的作业不利于延长动臂的寿命。所以在条件允许下，尽量少选此工况作业。选择合理的作业方式能有助于延长工作装置的寿命，减少不必要的疲劳破坏。也可以通过避免动臂单元节点的应力集中来提高疲劳寿命，从而延长液压破碎机工作装置的整体寿命。通过疲劳分析预估动臂的强度和疲劳寿命，有效地降低设计成本，缩短设计周期，产生更好的经济效益。第五章 动臂的模态分析5.1动臂的模态分析结构模态分析是结构动力学分析的基础，其实质是求解外载荷为零时动力学方程的特征值，通过求解特征值可以得到多阶固有频率和相应的振型。模态阶数和模态振型数相对应的，有一个固有频率就有一个模态振型与之对应。UG模态分析用于计算和评估结构的固有频率和自然模态(振型)计算时不考虑限尼，和外载荷也不相关，它提供Tracking Method(跟踪法)、TransformationMethod(变换法)和Lanezos Method(兰索士法)3种数位解算方法，其中.跟踪法提供逆幂法( INV )和移位逆幂法(SINV )两种迭代解法，变换法包括吉文斯法(GIV)和修正的吉文斯法(MGIV )、郝斯厚德法(HOU)和修正的郝斯厚德法(MHOU)。它们各有适用场合，相比较而言，兰索士法为首先推荐的。使用本文采用Lanezos Met