旋挖钻机工作装置有限元分析

旋挖钻机工作装置有限元分析 发表时间： 2008-4-15 作者: 朱金光 陈敏革 刘安宁 冷峻 丁雄飞 关键字: 工作装置有限元分析应力NASTRAN 采用NASTRAN有限元分析软件对旋挖钻机工作装置进行有限元分析,在NX MASTERFEM中抽取UG模型中面建立几何模型,以shell单元和solid单元为基本单元,建立各部件有限元模型,使用有限元装配方法建立工作装置整体有限元模型,分析了旋挖钻机几种典型工况下工作装置的强度及模态,然后对桅杆进行了屈曲分析.4 计算结果分析 利用NASTRAN求解器对车架的有限元模型进行求解,求得工作装置的应力和位移图,见图4图11(增大了变形显示比例)工作装在6种工况中的应力分布各有不同,但应力水平比较接近,工况1工作装置的最大应力出现在吊锚架根部侧边,其应力值达到321MPa,接近Q345的许用应力345MPa.工作装置的最大位移出现在吊锚架顶部,其值为0.103m.工况2工作装置的最大应力出现在动臂上,其应力值达到133MPa,低于Q345的许用应力345MPa.工作装置的最大位移出现在吊锚架顶部,其值为0.0689m.其余各工况各部件的应力值普遍在130MPa以下,其中中桅杆的应力值较低,普遍在80MPa以下,是比较安全的.5 模态分析 模态也叫固有振型,结构按某一固有圆频率振动时,各节点位移振幅相对关系,也可以说相对振幅.对于一个有限元模型来说,有多少个节点自由度,就有多少个模态,在实际工程中,当计入激振频率值范围内的固有频率对应的主振型,然后用模态叠加法计算出结构对激振力响应,一般已能得到较好的近似解. 另外,还应指出的是,结构是否能产生共振,不仅与激振力的频率有关,而且与激振力的空间分布有关,如果某模态振型与激振力正交,那么即使这些主振型的固有频率接近激振力的频率,也不会发生共振. 经计算分析,取前3阶模态,其模态频率分别为1.49Hz、2.16Hz、3.51Hz、其具体振型见图12图14(模态振型图),由于挖斗的最大转速为22r/min(0.37Hz),所以不会产生共振现象.6 桅杆屈曲分析 利用I-DEAS中的Linear Buckling分析模块进行桅杆屈曲分析. 屈曲分析的第一个子工况为求解下列线性方程组的线性静力分析. 一个真实的结构有无限多个自由度.有限元模型用有限个自由度模拟结构的性能.有限元模型能得到的屈曲载荷的数目等于模型的自由度数.也就是说我们最关心的是最小临界载荷.因为结构在达到任何更高的屈曲载荷之前已经破坏了. 建立桅杆屈曲分析有限元模型 施加旋挖钻机最大压力载荷P*和约束条件,组成有限元计算模型,见图15.进行求解计算,计算结果如图16所示,得到临界屈曲载荷比例因子i=5.18,故临界屈曲载荷.桅杆在旋挖钻机最大压力载荷不会失稳,表现出了良好的结构稳定性.7 结论在计算的6种危险工况中,主卷扬最大提升时,吊锚架根部应力较大,容易造成局部塑性变形,可以在其根部增加加强筋,以提高强度.中桅杆部分区域在各工况中,应力都较低,可以适量减少中桅杆部分区域用料以降低成本.对改进后的模型再次进行了强度和屈曲分析验证了改进的可行性.4 计算结果分析 利用NASTRAN求解器对车架的有限元模型进行求解,求得工作装置的应力和位移图,见图4图11(增大了变形显示比例)工作装在6种工况中的应力分布各有不同,但应力水平比较接近,工况1工作装置的最大应力出现在吊锚架根部侧边,其应力值达到321MPa,接近Q345的许用应力345MPa.工作装置的最大位移出现在吊锚架顶部,其值为0.103m.工况2工作装置的最大应力出现在动臂上,其应力值达到133MPa,低于Q345的许用应力345MPa.工作装置的最大位移出现在吊锚架顶部,其值为0.0689m.其余各工况各部件的应力值普遍在130MPa以下,其中中桅杆的应力值较低,普遍在80MPa以下,是比较安全的.5 模态分析 模态也叫固有振型,结构按某一固有圆频率振动时,各节点位移振幅相对关系,也可以说相对振幅.对于一个有限元模型来说,有多少个节点自由度,就有多少个模态,在实际工程中,当计入激振频率值范围内的固有频率对应的主振型,然后用模态叠加法计算出结构对激振力响应,一般已能得到较好的近似解. 另外,还应指出的是,结构是否能产生共振,不仅与激振力的频率有关,而且与激振力的空间分布有关,如果某模态振型与激振力正交,那么即使这些主振型的固有频率接近激振力的频率,也不会发生共振. 经计算分析,取前3阶模态,其模态频率分别为1.49Hz、2.16Hz、3.51Hz、其具体振型见图12图14(模态振型图),由于挖斗的最大转速为22r/min(0.37Hz),所以不会产生共振现象.6 桅杆屈曲分析 利用I-DEAS中的Linear Buckling分析模块进行桅杆屈曲分析. 屈曲分析的第一个子工况为求解下列线性方程组的线性静力分析. 一个真实的结构有无限多个自由度.有限元模型用有限个自由度模拟结构的性能.有限元模型能得到的屈曲载荷的数目等于模型的自由度数.也就是说我们最关心的是最小临界载荷.因为结构在达到任何更高的屈曲载荷之前已经破坏了. 建立桅杆屈曲分析有限元模型 施加旋挖钻机最大压力载荷P*和约束条件,组成有限元计算模型,见图15.进行求解计算,计算结果如图16所示,得到临界屈曲载荷比例因子i=5.18,故临界屈曲载荷.桅杆在旋挖钻机最大压力载荷不会失稳,表现出了良好的结构稳定性.7 结论 在计算的6种危险工