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27m3矿用挖掘机斗杆结构有限元分析【毕业论文+开题报告+外文翻译】
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矿用挖掘机斗杆结构有限元分析
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本科生毕业设计（论文） 开题报告 中文题目： 27m矿用挖掘机斗杆结 构有限元分析 英文题目： of of 7 录 一、毕业设 计题目背景、目的 . 1 1 背景 . 1 2 目的 . 4 二、毕业设计主要内容及要求 . 5 1 工作内容 . 5 2 要求 . 5 三、毕业设计技术难点 . 5 四、毕业设计进度表 . 6 五、文献阅读情况 . 6 1 一、毕业设计题目背景、目的 1 背景 1)a)中国工程机械制造业受国家加大基础设施建设投资以及扩大内需政策的拉动与出口贸易增长的影 响，从 1998 年下半年出现旺销的好形势。尤其是 2001年来，随着西部大开发战略的实施，以及“西气东输”，“南水北调”，“西电东输”等重大工程项目的逐步实施，工程机械的国内市场需求进一步上升，国内工程机械行业整体出现高速上扬，未来一段时间工程机械行业前景乐观。挖掘机械是一种重要的土方工程机械，广泛应用在房屋建设、道路工程、水利建设、农田开发、港口建设、国防工事等土方施工和矿山采掘作业中，对减轻繁重的体力劳动，保证工程质量，加快建设速度，提高劳动生产率起到巨大的作用。挖掘机其本身由于工况恶劣，且属效率型设备，使 用寿命 7000 小时，较其他工程机械为低，市场更新期快。 b)掘机市场前景持续看好 当前，我国挖掘机行业正处在一个历史性发展关键时期。 2000 年我国挖掘机产量为 8111 台， 2001 年猛增到 12569 台，挖掘机的销量也从 2000 年的 7926台跃升到 2001 年的 12397 台。 2001 年与 2000 年比较，全国挖掘机的产、销量分别增长 55%和 56%。 2002 年是我国工程机械行业历史上增长速度最快、经济形势最好的一年，堪称“井喷之年”。挖掘机产品全年销量 台，同比增长58%，挖掘 机在整个工程机械行业中是产、销量增长最快的机种之一。 2004 年国内生产销售挖掘机 33000 台，比 2003 年回落 1000 余台，其中出口较往年有大幅增长，达到 2000 多台。产销下降始于 2 月份， 6 月份到 8 月份下降得最厉害， 10 月份开始回升。 05 年工程机械行业经历了宏观调控的大浪淘沙，市场形势发生了翻天覆地的变化，就挖掘机而言，国内品牌市场份额上升，已经接近 2 15%，而此前 3 年国内品牌的市场占有率分别是 5%、 8%、 10%。这几年我国把 70%的精力放在了国产挖掘机上，现在我欣慰地看到努力已经有了结果。 c)打乱了外资挖掘机企业的战略部署，给了国产挖掘机一个崛起的机会。 在前几年市场热销的时候，“萝卜快了不洗泥”的现象时有发生，而且售后服务也跟不上，宏观调控给了企业一个搞产品开发、抓质量管理的机会。 近几年，不管是国有企业还是民营企业，其生产的新一代挖掘机产品的性能、可靠性都已达到了较高水平，柳工、徐挖以及三一开发的挖掘机，关键部件都选用国外进口配套件。目前国内其他企业也先后开发了一批采用国外液压件、发动机等优质配套件的新机型，主要性能参数与日韩相当。 未来几年国内品牌挖掘机的市场份额肯定还会有所上 升，五到八年内将达到 20%。 2)27 立方米自主产权矿用挖掘机的诞生，标志着大型挖掘机在我国的技术可行性得到体现 ， 2006 年 12 月 18 日，太原重型机械集团有限公司 (以下简称太重 )研制的重大装备 27 立方米矿用挖掘机通过了用户的出厂试车验收。 27 立方米矿用挖掘机是太重继成功开发出我国第一台具有完全自主知识产权的 20 立方米矿用挖掘机以来，开发出的又一大型矿用挖掘机，这是我国自主制造并拥有自主知识产权的最大挖掘机。同时，太重还充分发挥其技术潜力，将大型起重机产品向铁路建设领域 延伸，与意大利爱登公司技术合作，成功研制了世界首台具有过隧道功能的铁路架桥专用设备 架桥机，这是世界上起重量最大、能起重最长件的架桥机。 长期以来，我国露天矿所需的斗容 2050 立方米大型矿用挖掘机全部为进口或与外国公司合作制造。 1983 年，太重引进了美国 P&H 公司的大型挖掘机成套制造技术，但核心技术 重与 P&H 公司合作制造 方米挖掘机，随着合 作台数的增加，国产化率从 34%提高到 80%以上。 1998 年，太重继续与 P&H 公司合作，生产 3 方米挖掘机铲斗、斗杆 及起重臂等关键装置。通过 20 多年引进消化吸收和合作制造，太重完全掌握了 P&H 的成套设计和制造技术，并在此基础上实现了再创新，特别是针对 P&H 没有转让的核心技术 行了自主开发，成功地研制了世界上最先进的交流变频调速系统。在神华准格尔能源有限公司、首钢矿业公司等单位的大力支持下， 2005 年，太重自主开发出我国第一台具有完全自主知识产权的 20 立方米矿用挖掘机，经过准格尔黑岱沟露天矿近一年的运行， 2006 年 3 月正式投入使用，并且性能卓越，达到了国际同类产品的先进水平，生产能力已远远超出其设计生产能 力。此后，太重又赢得了华能集团伊敏煤电公司的 3 台 20 立方米制造合同，承接了中电投霍林河煤电集团 3 台 27 立方米矿用挖掘机制造合同，神华准格尔能源有限公司 1 台 35 立方米矿用挖掘机的制造合同和中煤集团 2 台 55 立方米矿用挖掘机的制造意向。这台 27 立方米矿用挖掘机试车验收，标志着太重已为我国独立开发 1500 万吨级大型露天矿奠定了坚实的基础。太重成为与美国 P&H 公司和美国 司全球并列的能独立制造大型矿用挖掘机的企业。 3)型电动挖掘机 大型电动挖掘机主要由机械和电气两部分组成。其中机械部分包括：斗杆、斗杆、起重臂与推压机构、开斗机构、提升机构、回转机构、回转平台、中央枢轴、辊盘、底架、行走机构、履带装置、上部其余组件、下部其余组件、压气操纵系统、润滑系统及润滑室、机棚及其通风除尘装置、司机室及其空调、梯子、栏杆、走台、配重等主要部分。挖掘机的推压机构采用齿轮 气控制系统部分包括：供电、高压集电环、避雷器、高压开关柜、主变压器、辅助变压器、低压集电环、变频驱动电机、 频驱动系统、 助电气系统 、加热及通风装置、限位保护、照明及通讯系统、电缆等。 4 2. 目的 1)7用挖掘机的斗杆为参考模型，运用大学四年的学到的专业知识，（例如：虚拟样机技术， 件， 械设计理论等）对其进行模型的构筑，并对斗杆结构进行有限元理论分析，根据最优化原理和方法综合各方面的因素，以人机配合方式或“自动探索”方式，在计算机上进行半自动或自动设计，摒着最优设计的设计原则；运用电子计算机及计算程序的设计手段；采用最优化数学方法的设计方法，以选出在现有工程条件下的最佳设计方案，实现结构优化。 2)研究范围主要是机械系统运动学和动力学以及应力应变分析，其核心是利用计算机辅助分析技术进行机械结构的动力学分析，以确定系统及其各构件在任意时刻的应变和应力，通过求解代数方程组确定引起系统及其各构件运动所需的作用力及其反作用力。步骤： 挖掘装载机的斗杆装置做运动学及动力学分析。详尽分析动臂机构，斗杆机构，斗杆连杆机构的设计要求，特别是传动角，各铰点和结构布置的空间几何要求。基于斗杆装置对整机稳定性进行分析。 用件对矿用挖掘机的斗杆建模，并对 斗杆工作装置参数化建模，加载，约束；应用参数分析对斗杆挖掘工作装置仿真优化，建立优化后的系统模型 ,研究系统工作的稳定性（校核约束）。 3)图达到性价比最大化，充分考虑各种智能工具的使用，以期给出技术经济性分析和技术可行性分析报告。 4)导师的辅导下，充分发挥自主性，利用各种软硬件，系统的对大学四年的课程进行一次归纳总结，为将来的学习和工作打下一个良好的基础。 5 二、毕业设计主要内容及要求 1. 工作内容 1) 在图书馆，阅览室查阅相关书籍和文献资料，完成 5000 汉字的外文文献翻译；写出可行性论证报告（开题报告），主要内容应包括国内外发展趋势，技术经济分析，技术可行性分析，字数在 30005000 字左右。 2) 研究 27 立方米矿用挖掘机斗杆的结构受力特点，对其结构进行有限元分析，实现结构优化。 3) 利用 件进行应力及应变分析。 4) 万字的论文 2. 要求 以 27 立方米矿用挖掘机的斗杆为参考模型，研究斗杆结构的单元分析，利用 有限元分析软件 现对 27 立方米挖掘机斗杆的结构应力等性能的分析。 三 、 毕业设计技术难点 1)运用有限元分析理论对 27用机械式单斗挖掘机斗杆结构的有限元分析，实现结构优化。 2)件，并熟练运用 件实现对 27杆的结构应力及应变等性能的分析。 6 四、毕业设计进度表 阶段日期 计划完成工作量 完成情况 指导教师签字 译文及开题报告 总体设计：（建模，软件等） 完成有限元分析，完成 2 万字论文 五、文献阅读情况 1. E. M. C. J. W. A. 2J. . 1,00J. 2, 003阎书文，机械式挖掘机设计，机械工业出版社， 1982 年 4于仁灵，矿山机械构造，机械工业出版社 5构分析及实例解析， 机械工业出版社 6用软件入门及参考， 机械工业出版社 7李占春，成来锁， 掘机无机械加工面 ,变断面高强度斗杆的研制，矿山机械， 9871 8武昭晖 ， 机械零件强度的可靠性设计与传统设计 （ 太原大学，山西太原 030009） 9王超，王金机械可靠性理论北京：冶金工业出版社， 1992 10曹金榜现代设计技术与机械产品北京：机械工业出版社， 1987 毕业设计开题报告 7 11周大力工程机械结构现代强度设计方法的研究 1995 12掘机的研制与试验太原重型机器厂， 1985 13傅永华 武汉 :武汉大学出版社， 2003 本科生毕业设计（论文） 中文 题目： 27m矿用挖掘机斗杆结 构有限元分析 英文题目： of of 7 摘要 摘 要 挖掘机结构非常复杂，往往是多发动机同时驱动，其工作环境恶劣，外载荷随机性变化，因此在设计大型矿用挖掘机时，为了使其能够作业安全，工作顺畅，除必要的理论分析和静强度计算外，还必须要进行动力学分析和有限元分析， 以保证在设计之初机械的动强度及可靠性。 介绍了国内外挖掘机的发展状况，以及本课题研究的意义及内容。 本文是对挖掘机进行 静 力学及有限元分析，适应我国矿用挖掘机发展的需要，充分利用前人的研究成果和已有的实验数据，在 P&7 3m 的大型矿用挖掘机 的斗杆 进行分析。 对 机械式单斗 挖掘机的结构进行了介绍，并斗杆的 结构进行 了分析， 根据经验公式确定 了斗杆 的结构尺寸 。简 单介绍 斗杆模型的建立过程以及所用软件的发展过程及应用特点 ， 然后 将 建立的 斗杆的模型 导入 。 文章结尾 介绍了有限元分析软件在静力分析的应用，针对挖掘机 斗杆 在不同工况下的受力，应用静力分析模块对 斗杆 的简化模型受力情况进行了分析，得到其应力变化情况，并得到最大单元的位置。 我们以后要做的工作是建立起 有限元 的有效性评估机制，结合 实体模型 仿真实验数据，分析误差产生的原因，研究出一个 更有效更快捷的分析体制。 关键词： 斗杆 有限元分析 he of is At is As a of in to on do of to in of is to of As as of rs a- of 7 It s- of of to to of re of of of of in G in a- of in in it of by to of it is of is to of to of a to is be 录 目录 第 1 章 绪论 . 1 述 . 1 械式挖掘机国内外发展状况 . 1 场前景分析 . 3 论文研究的必要性及意义 . 4 论文研究的内容 . 4 第 2 章 斗杆的结构设计 . 6 用挖掘机工作装置简介 . 6 杆的结构分析 . 7 杆的设计计算 . 8 杆应力的计算 . 9 第 3 章 斗杆模型的建立 . 11 述 . 11 用软件 介 . 11 G 软件的特点 . 12 考模型的创建 . 13 杆模型的导入过程 . 14 第 4 章 斗杆的有限元仿真分析 . 16 限元方法概述 . 16 限元方法的历史 . 17 限元方法的基本思想 . 错误 !未定义书签。 限元法的分析步骤 . 19 用软件 介绍 . 20 件简介 . 20 主要特点 . 21 限元模型的建立 . 22 目录 元类型的选择 . 23 格划分简介 . 23 择网格划分方式 . 23 定单元划分形状 . 24 界条件 . 24 况的确定及载荷计算 . 错误 !未定义书签。 况 1 . 错误 !未定义书签。 况 2 . 26 杆强度刚度分析 . 28 况 1 . 28 况 2 . 30 第 5 章 结论 . 32 论 . 32 望 . 32 参考文献 . 33 致 谢 . 35 第 1 章 绪论 1 第 1章 绪论 述 目前，大型矿 用 机械式电铲挖 掘机在国内、国际的矿山开采及工程施工行业中有着广泛的应用，其性能的优劣对生产率的有很大的影响。在国际市场竞争日趋激烈的今天，如何提高产品的质量是提高其市场竞争力的关键。 大型矿用机械式电铲挖掘机结构非常复杂，绝大多数是多发动机同时驱动，其工作环境十分恶劣，外载荷随机性变化，因此在设计新产品时，为了使其能够作业安全，工作顺畅，除必要的理论分析和静强度计算外，还必须要进行动力学、动力学及有限元分析，以保证机械设计的可靠性和性能的优化。 械式挖掘机国内外发展状况 1954 年我国第一台斗容量为 1 3m 的机械传动式正铲挖掘机试制成功 , 开始了我国挖掘机的生产。 1977 年研制出 容量为 8m ),容量为 10m )，才使大型矿用挖掘机生产有了新的突破。随着采矿工业的发展，我国从美国 P&H 公司引进技术，生产了斗容量为 16 3m 和 23 3m 的P& P&种大型挖掘机，并投入矿山使用。这两种挖掘机的试制成功，标志着我国的 机械式电铲 挖掘机制造技术又前进了一步。虽然我国 机械式电铲挖 掘机制造近年来有很大的发展，但其产品质量与发达国家相比还是相当落后的，这不仅反映在工艺水平上，还反映在设计水平上。在大型矿用挖掘机方面的主要差距体现为铲斗容量仍然较小、可靠性较差及工作循环时间长等等 。 近年来，随着我国经济的高速发展，对能源和资源产品的开采使用将以规模化、高效化和清洁化为主要方向。根据国家规划，未来 5，国家将以建设千万吨级以上的特大型露天煤矿和现代化大 型矿井为主，建设大型矿业基地将成为煤炭行业发展的重要方向。冶金工业也面临矿山大型化和设备大型化的发展趋势，对大型矿用挖掘机的需求也十分强劲。第 1 章 绪论 2 长期以来，我国露天矿山所使用的 20 至 50 立方米大型矿用挖掘机，一直全部为进口或与外国公司合作生产的产品，其核心制造技术被国外公司所垄断。2006 年以来公司成功的研制了具有完全知识产权的 20 3m 、 27 3m 的挖掘机，打破了国外公司在大型矿用机械的产品和技术垄断，也使公司成为世界上少数几个自 主生产大型矿用机械的企业之一。 此次技术改造将在原有基础上进行自主研制、开发，适合年产 2000 万吨级及以上大型露天矿的矿用挖掘机，新增年产量为 28 台。从需求方面看，预计国内新增需求量将在 50 台以上。我们认为，在矿山机械大型化和进口替代的大背景下，公司的新项目在未来销售方面不会有明显的压力。 近年来，随着高新技术不断地在矿山设备中的应用，以及为适应日益增大的矿用汽车的铲装需要，矿用挖掘机正朝着大型化和智能化方向发展，由于挖掘机在露天采矿和土建工程中的广泛应用，许多工业发达的国家都比较重视挖掘机生产。目前国外制 造大型挖掘机的国家主要有美国、日本和西德，法国、英国、意大利、捷克、瑞典等国家也有一定的生产规模。现将几个主要发达国家的挖掘机生产概况分别阐述如下 。 单斗挖掘机发 展较早的国家是美国。 1933 年美国机械工程师取得了单斗挖掘机的发明权， 1936 年制造出世界上第一台机械传动挖掘机，其挖掘机生产技术一直处于领先地位，尤其是大容量的矿用挖掘机几乎垄断了资本主义市场，并在机械性能、结构、电器传动技术和运行可靠性方面遥遥领先。美国是出口挖掘机主要国家之一，每年出口量一般占 1/4 以上。美国生产的挖掘机关键零部件寿命较长并 且设备重量较轻。 美国生产挖掘机的公司主要有 司（简称 B&E 公司）、司（简称 P&H 公司）、马里恩公司等三十多家。其中： B&95295295290型； P&H 公司的主要产品有 P&P& P&P&型；马里恩公司的主要产品有 204201191型。挖掘机生产的专业化和充足的备件是美 国第 1 章 绪论 3 挖掘机工业的特点，铲斗、斗齿、履带板、离合器、制动器、 司机室等都有专业生产厂。 场前景分析 近年来，随着我国经济的高速发展，对能源和资源产品的开采使用将以规模化、高效化和清洁化为主要方向。根据国家规划，未来 5 ，国家将以建设千万吨级以上的特大型露天煤矿和现代化大型矿井为主。我国将建设 13 个大型煤炭生产基地， 5亿吨级特大企业集团和一批 5000 万吨以上的大型煤炭企业，建设大型矿业基地将成为煤炭行业发展的重要方向。冶金工业也面临矿山大型化和设备大型化的发展趋势，对大型矿用挖掘机的需求也十分强劲。同时从全球范围看，国际矿产品供应紧张，也使国 际市场上对大型矿用机械的需求保持上升的态势。 不过长期以来，我国露天矿山所使用的 20 至 50 3m 大型矿用挖掘机，一直全部为进口或与外国公司合作生产的产品，其核心制造技术被国外公司所垄断。太重是我国最早生产制造大型矿用挖掘设备的企业，大型挖掘机的发展经历了原始创新、合作制造和引进消化吸收再创新三个阶段，一直在国内的前列。 2006年以来太重成功的研制了具有完全知识产权的 20 3m 、 27 3m 的 挖掘机，并在神华准格尔能源有限公司投入使用，打破了国外公司在大型矿用机械的产品和技术垄断，也使公司成为世界上少数几个自主生产大型矿用机械的企业之一。与国外产品相比，太重产品具有 30%以上的价格优势。 目前， 太重已把重点放在开发研制 35 3m 挖掘机上， 50 3m 挖掘机的开发生产也列入发展规划。此次技术改造将在原有基础上进行自主研制、开发，适合年产 2000 万吨级及以上大型露天矿的矿用挖掘机，标准斗容量为 20 3m 、 27 3m 、35 3m 、 55 3m 的超大型机械式矿用挖掘机，新增年产量为 28 台。 从需求方面看国内即将开发的年生产能力达 1500 万吨的大型露天煤矿至少有 10 座，需要 27 3m 以上的大型挖掘机至少 40 台以上；同时，露天采矿业第 1 章 绪论 4 对 27 3m 挖掘机需求也在 15 台以上，市场很大。 因此我们认为，在 矿山机械大型化和进口替代的大背景下，公司的新项目在未来销售方面不会有明显的压力。 论文 研究的必要性及意义 近年来，随着我国国民经济的发展，我国的挖掘机行业也取得了很大的成就，但无论其技术水平还是其产品质量，与世界先进水平相比还有一定距离 8。而造成这种现状的一个重要原因就是设计方法的落后。众所周知，产品的设计质量对产品的使用质量的影响至关重要，而动力学研究的目的就是设法提高产品的设计质量，以求在根本上保证产品的动强度和可靠性。 目前，我国的大型机械式挖掘机在设计水平上、设计手段及产品质量上与国外 同类产品相比尚有较大差距。国外已经将人 机 环境作为一个系统统一考虑，提倡振动低、噪音低的绿色设计，将现代设计方法普遍的应用于挖掘机设计，使产品设计现代化及性能可靠。而我国仍然采用传统的仿形设计，近年来才将现代设计方法逐步应用到挖掘机的设计上。 本文是对挖掘机进行动力学及有限元仿真分析，适应我国矿用挖掘机发展的需要，充分利用前人的研究成果和已有的实验数据，在 P&基础上对斗容为 27 3m 的大型矿用机械式电铲挖掘机 斗杆 进行分析。在正确地分析载荷和合理地 建立模型的基础上，对其进行动态分析，从而提高设计质量，减少试验环节，加快设计周期 ， 这对我国挖掘机行业的机械设计具有一定的理论和实际参考价值。 论文 研究的内容 本课题的目标是对斗容为 27 3m 的矿用机械式挖掘机 斗杆 的动力学及有限元仿真分析。主要内容如下： （ 1）分析大型矿用机械式挖掘机 斗杆 的设计要求和设计方法，在 建立挖掘机 斗杆 模型，并导入 进行 有限元 分析；第 1 章 绪论 5 （ 2）探讨基于特征的参数化建模技术，构建挖掘机 斗杆 特征参数化模型； （ 3）建立挖掘机 斗杆 有 限元分析模型，分别对两种典型工况下斗杆的静力进行 分析。第 2 章 斗杆的结构设计 6 第 2章 斗杆的结构设计 用挖掘机工作装置简介 机械式单斗挖掘机是挖掘机的一种，用一个铲斗以间歇重复的工作循环进行工作，即由挖掘、满斗回转至卸载点、卸载、空斗回转至挖掘地点等四个工序构成一个工作循环。在作业过程中挖掘机位置是不变的，直至将一次停机范围内的土壤挖完，挖掘机才移动到新的作业地点。 为完成上述动作，单斗挖掘机应具有以下部分： 1） 工作装置 包括挖掘土壤的铲斗、 斗杆， 提升机构、推压机构、动臂、斗底开启机构等。 2） 回转支撑装置 回转机构、回转平台、回转支 撑机构等。 3） 行走装置 履带行走机构、底架、履带架等。 4） 动力装置和附属设备 电动机 发电机机组、操纵装置、润滑装置等。 图 2型矿用挖掘机外形 单斗挖掘机如图 2示，主要由单铲工作装置、回转装置及行走装置三大部分组成。单铲工作装置主要由动臂 1、斗杆 2、铲斗 3、推压装置 4 和提升钢丝绳 5 组成。动臂下端铰接于平台上，上端用支架 6 上的变幅钢丝绳保持其位置固定，调节变幅钢丝绳的长度，可以调整动臂的倾角。铲斗提升是靠提第 2 章 斗杆的结构设计 7 升电机拉动提升钢丝绳，下降则靠铲斗自重。为确保挖掘，推压齿轮能够推出斗杆，斗 杆随铲斗的提升下放可绕推压轴转动。 矿用正铲挖掘机在露天采矿中大多是用来铲装爆破后的松散矿石，故其挖掘过程实质上也就是铲装过程。当挖掘机铲装松散矿石时，其循环过程主要是：通过行走机构使挖掘机靠近作业场所；放松提升钢丝绳下放铲斗，在提升机构和推压机构配合下铲装矿石；装满后将铲斗提升到一定位置，利用回转机构将铲斗转到卸载地点，开启斗底，物料借助自重卸载，然后空斗回转，从而完成一个工作循环。机器的移动并不是每一个工作循环都需要进行的，只有在需要铲装的矿石不在机构作业范围内时才移动。其工作的主要特点是： 臂倾斜角度不变； 此满足挖掘工作的需要； 有足够大的提升力和推压力，故可以用于装硬度大的岩石和挖掘各级土壤。 杆 的结构分析 在进行单斗挖掘机设计时，已初步确定铲斗容积、外形尺寸和工作尺寸等参数，对于铲斗作挠性联系的挖掘机来说，如拉铲、抓斗等，其工作装置的尺寸即可相应地予以确定，但对于铲斗作刚性联系的正铲挖掘机的工作装置的设计，因为其工作装置在满足同样工 作尺寸的条件下，可以有不同的结构方案。因此，在设计中要想得到较好的结构方案，必须对工作装置的结构做深入的分析、比较，才能取得一个良好的结构设计。 本次设计中的 斗杆 装置采用双梁外斗杆结构。 材质选择 20 号钢，由于 20号钢是优质碳素结构钢 ，而 普通碳素结构钢 ， 同等条件下 20 钢防腐蚀性能更强，因为其杂质含量少，产生电化学腐蚀的几率低 ， 所以总体说来 20号钢的综合性能比 的好 。第 2 章 斗杆的结构设计 8 该 斗杆是由箱形截面的双梁构成。在靠近铲斗的一端，两侧梁用中间横梁连接起来。该横梁用一个钢板焊接成的，它把两侧斗杆连接起 来。横梁与每一侧斗杆都用三个螺钉连接，其中两个螺钉做成偏心的，可用来调节两个侧梁是否处于一个水平面内。双梁斗杆可以承受的载荷较大，并能承受由于挖掘时的偏心作用而产生的扭力，以及回转时铲斗和斗杆自重造成的惯性力矩。 杆的设计计算 正铲工作装置的斗杆的标准长度可按下式近似求得： 3 （ 2 式中 标准的斗杆长度， l 为 m ； G 挖掘机的工作重力， G 为 经验系数，取 普通结构的带有悬梁的标准正铲铲斗斗重位为 和铲斗容积q (单位为 3m )的关系可按下式求得： （ 2 式中0K 经验系数，查 表取 15。 由式（ 2： 052715 正铲工作装置的斗杆的质量可按下式计算： )( （ 2 式中)( 标准长度的斗杆的质量； 带有悬梁的标准铲斗的质量； 1K 经验系数。 由式（ 2：取 K ，则 ； 取 K , 则 2 44 0 。 工作装置总重第 2 章 斗杆的结构设计 9 0（ 2 式中0G 工作装置总重。 由式（ 2： 2 9 63 2 45 6 74 0 50 大型矿用挖掘机工作装置的质量大约占整个挖掘机工作质量的 17%，则 6 2 9 将上述结果代入式（ 2 取 56.0斗杆长度为 斗杆铰接端端面高度： b 0 0 斗杆小梁宽度： b 斗杆小梁高宽比为 斗杆小梁高度为 杆应力的计算 杆 单元的应力分为两项：正应力 和剪应 力 ，它们均由各应力迭加而成 ,其中正应力 =+b y b z x （ 2 式中 约束扭转正应力 , ,其中 ,B 为双力矩 (N 为广义扇性面积 ( 2FI 为广义扇性惯矩 ( 弯曲正应力， y （ 2； 弯曲正应力， z （ 2； x 拉伸正应力，x （ 2 剪应力P H b y b z （ 2 式中 约束扭转剪应力， M S I t ； （ 2 p 自由扭转剪应力， t ； （ 2 2 章 斗杆的结构设计 10 剪力引起的剪应力， b y y z I t ，b z z y I t （ 2 应力计算时考虑以下两个条件 ： (1) 在内力最大的截面上或内力组合最大的截面上计算 。 (2)在截面上应力最大点处迭加各应 力分量 。 求得了单元的内力后 ,根据单元的截面几何特征便可作应力计算。因为正应力最大处，约束扭转剪应力为零，且约束扭转剪应力影响较小，所以在此不考虑约束扭转剪应力，本文主要分析斗杆因为正力发生的应变。第 3 章 斗杆模型的建立 11 第 3章 斗杆模型的建立 G 概述 用软件 介 简称 广大客户提供的一种基于台的设计软件， 主要为汽车与交通、 航空航天、日用消费品、通用机械以及电子工业等领域通过其虚拟产品开发 (理念提供多级化的、集成的、企业级的包括 软件产品与服务在内的完整的 决方案。其主要的 G。 司的产品主要有为机械制造企业提供包括从设计、分析到制造应用的 件、基于 设计与制图产品 团级产品数据管理系统 品可视化技术 及被业界广泛使用的高精度边界表示的实体建模核心 内的全线产品。 航空航天、汽车、通用机械、工业设备、医疗器械以及其它高科技应用领域的机械设计和模具加工自动化的市场上得到了广泛的 应用。多年来，直在支持美国通用汽车公司实施目前全球最大的虚拟产品开发项目，同时 是日本著名汽车零部件 的 制造商 司的计算机应用标准，并在全球汽车行业得到了很大的应用，如 特律柴油机厂、 G 等。另外， 司在航空领域也有很好的的表现：在美国的航空业，安装了超过 10,000 套 件；在俄罗斯航空业， 件具有 90%以上的市场；在北美汽轮机 的 市场， 件占 80%。 喷气发动机行业也占有领先地位 ，拥有如 气发动机公司这样的知名客户。航空业的其它客户还有： B/E 航空公司、波音公司、 以色列飞机公司、英国航空公司、 尔飞机和 司的产品同时还遍布通用机械、医疗器械、电子、高技术以及日用消费 品等行业，如： 3M、第 3 章 斗杆模型的建立 12 利浦公司、吉列公司、 。 有丰富的曲面建模工具。包括直纹面、扫描面、通过一组曲线的自由曲 面、通过两组类正交曲线的自由曲面、曲线广义扫掠、标准二次曲线方法放样、等半径和变半径倒圆、广义二次曲线倒圆、两张及多张曲面间的光顺桥接、动态拉动调整曲面、等距或不等距偏置、曲面裁减、编辑、点云生成、曲面编辑。 入中国已经有九个年头了，其在中国的业务有了很大的发展，中国已成为远东区业务增长最快的国家。几年来， 中国的用户已超过 800 家，装机量达到 3500 多台套。 G 软件的特点 1、建模的灵活性 复合建模 ： 无需草图 ,需要时可进行全参数设计 ,无需定义和参数化新曲线 可直接利用 实体边缘 。 几何特征 ： 具有凸垫、键槽、凸台、斜角、挖壳等特征、用户自定义特征 、引用模式 。 光顺倒圆 :业界最好的倒圆技术 ， 可自适应于切口、陡峭边缘及两非邻接面等几何构形，变半径倒圆的最小半径值可退化至极限零。 2、协同化装配建模 可提供自顶向下、自底向上两种产品结构定义方式并可在上下文中设计编辑 ， 高级的装配导航工具 ， 可图示装配树结构，可方便快速的确定部件位置 ，对装配件的简化表达，隐藏或关掉特定组件。局部着色 ， 强大的零件间的相关性 ， 配对条件，零件间的表达式（关系）， 协同化团队工作 ， 可方便的替换产品中任一零部件，刷新部 件以取得最新的工作版本，团队成员可并行设计产品中各子装配或零件。第 3 章 斗杆模型的建立 13 3、直观的二维绘图 对制图员来讲，简单并富于逻辑性 ， 剖视图自动相关于模型和剖切线位置 ，正交视图的计算和定位可简便的由一次鼠标操作完成 ， 自动隐藏线消除 ， 自动尺寸排列 不需要了解设计意图 ， 自动工程图草图尺寸标注。 考 模型 的创建 矿用挖掘机的斗杆为双梁箱形断面焊接结构，在靠近铲斗的一端，两根斗杆之间用一根横梁连接起来，构成一个整体，如图 333示。 图 3杆参考模型 图 3杆参考模型第 3 章 斗杆模型的建立 14 图 3杆参考模型 杆模型的导入过程 进入 户界面， 如图 33示点击应用菜单 现对话框 择 *件所在路径，进行导入。 图 3入路径过程图第 3 章 斗杆模型的建立 15 图 3入路径过程图 经过数据的传递，得到 *型如下图 3示 : 图 3入 斗杆模型第 4 章 斗杆的有限元仿真分析 16 第 4章 斗杆的有限元 仿真 分析 限元方法概述 有限元方法 (一种借助计算机进行工程分析的离散化数值方法。它首先应用于航空工程，由于其方法的有效性，迅速被推广应用于机械、建筑和造船等工程部门。随着计算机技术的发展，其应用范围更加广阔，几乎可以推广应用于所有求解连续介质和场的力学及数学物理方程问题。 有限元方法求解力学问题的基本思想是 :将一个连续的求解域离散化，即分割成彼此用节点 (离散点 )互相联系的有限个单元，一个连续弹性体被看作是有限个单元体的组合。根据一定精度要求，用有限个参数来描述各单元体的力学特性，而整 个连续体的力学特性就是构成它的全部单元体的力学特性的总和。基于这一原理及各种物理量的平衡关系，建立起弹性体的刚度方程 (即一个线性代数方程组 )，求解该刚度方程，即可得出欲求的参量。 有限元方法按照所选用的基本未知量和分析方法的不同，可分为两种基本方法，一种是以应力分析计算为例，以节点位移为基本未知量，在选择适当的位移函数的基础上，进行单元的力学特征分析，在节点处建立平衡方程 (即单元的刚度方程 )，合并组成整体刚度方程，求解出节点位移，可再由节点位移求解应力，这种方法称为位移法 ； 另一种是以节点力为基本未知量，在节 点上建立位移连续方程，解出节点力后，再计算节点位移和应力，这种方法称为力法。一般来说，用力法求得的应力较位移法求得的精度高，但位移法比较简单，计算规律性强，且便于编写计算机通用程序，因此，在用有限元法进行结构分析时，大多采用位移法，机械产品的零部件，特别是基础大件，根据其结构特点及受力状态一般情况属于空间问题求解。对大型复杂结构，如不作任何简化，将导致计算工作复杂化，花费大量人力和财力，有时甚至难以实现。因此，在保证计算精度的前提下，应尽可能地进行简化。 有限元法不仅对计算对象有较强的模型化能力，而且求解问题 的范围十分广泛。包括位移计算、应力计算、第 4 章 斗杆的有限元仿真分析 17 温度场计算、稳定性计算、自振特性和动力响应计算、接触问题计算、断裂计算以及撞击、损伤、疲劳等问题 :计算对象包括结构、流体、岩土 ;材料包括弹性、塑性、粘弹性、热塑性以及复合材料、聚合材料等新型材料。除了固体和流体力学问题外，有 限元法还应用于金属和塑料成型、电磁场分析、无损探伤、优化设计等许多专门领域。 有限元方法又称有限元素法（ 写为 是求解边值或初值问题，建立在特定场函数离散化基础上的一种数值方法，是 20 世纪中期兴起的应用数学、力学及计算机科学相互渗透、综合利用的交叉学科。 有限元方法的实质是用有限个单元体的组合代替连续体，化无限自由度问题为有限自由度问题；是用有限子域的组合代替一个连续域，化连续场函数的微分方程求解问题为有限个参数的代数方程组求解问题。对于大多数形状和边界条件复杂的工程问题，要想获得问题的解析解答是不可能的，只能寻求各种近似的数值方法，而有限元方法是一种行之有效的数值分析方法。 限元方法的历史 有限元法始于本世纪四十年代初期，当时数学家 三角形单元计算棱杆的扭转 问题， 这一方法运用到工程设计中并加以推广，在五十年代中期，他们用平面分析法求解了复杂的飞机结构问题。他们得到的有限元 分析 方程属于以节点位移为未知量的矩阵位移 方 法。 这种新的工程计算方法拓广到土木工程上，并在一篇题为“平面分析的有限单元法”论文中首先使用“有限元法”（ 个名称。初期的有限元都是以单一的位移场作为未知量，它在单元间边界上满足协调条件，故称之为位移元或协调元。位移元有列式简单、计算量小、 易于在计算机上实施的优点。当然也有其缺陷，对于平板弯曲问题与薄壳问题，在 引用变分法时，位移元要求挠度及其导数都连续，这样很难建立单元内插值形函第 4 章 斗杆的有限元仿真分析 18 函数。另外，位移元对于奇异性问题效率较低，对不可压缩材料存在“自锁”现象。 六十年代中期，美国麻省理工学院卞学磺教授提出了一种新的有限元模型。最初，这种模型基于最小余能列式，在单元内部假设应力，同时独立的在单元边界上假设位移。由于不需要单元内部位移，所以前面提到的问题都不存在了。1976 年，卞学磺教授将这一模型取名为“杂交应力模型”。 1968 年，卞学磺和董平提出在单 元邻界上为了保持单元间面力平衡，约束条件要由一个新的独立变量即单元邻界上的协调位移作为拉氏乘子引入，于是得到修正的余能原理。由此以后，借助于单元边界上的拉氏乘子建立起来的有限元都称之为“杂交元”。杂交元避免了“自锁”问题，对非线性问题如弹塑性问题或蠕变问题，杂交应力元的精度相对位移元来说，也有需要改进的地方。例如，假设应力时，往往有许多可能，而应力与位移搭配不当，就会出现多余机动模式。 七十年代初， 人提出了非协调单元，即在单元位移插值中附加内部节点的位移项，使插值函数中的二次项趋于完备 ，从而改进了位移等参 元的计算精度。但它对任意形状的单元不能通过补片试验。 出了 通过补片试验的补救方法，即用等参座标元点处的雅可比值来代替雅可比矩 阵。 八十年代初，唐立民，陈万吉等人提出了拟协调元，它通过对几何方程的加权积分进行离散来得到假设的应力参数与节点位移的关系。这里应力与应变有相同的插值函数。从变分法来看，拟协调元是基于 义变分原理，以位移场、应力场、应变场为变量的多变量有限元。 到现在，基于有限元技术的大型通用程序已发展得非常完善，广泛的应用于各个工程领域。 限元方法的基本思想 假想把弹性连续体分割成数目有限的单元，并认为相邻单元之间仅在节点 第 4 章 斗杆的有限元仿真分析 19 处相连。根据物体的几何特征、载荷特征、边界约束特征等，单元有各种类型。切点一般都在单元边界上。切点的位移分量作为结构的基本未知量，这样组成的有限元单元集合体，并引进等效节点力及节点的约束条件，由于节点数目有限，就成为具有有限自由度的有限元计算模型。它代替了原来具有无限自由度的连续体，也就是有限元离散化。 在此基础上，对每一单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数来近似模拟其位移分量的 分布规律，即选择位移模式，再通过虚功原理 (或变分原理或其它方法 )求得每个单元的平衡方程，这就建立了单元节点与节点应力之间的关系。 最后，把所有单元的这种特性关系，按照保证节点位移连续和节点应力平衡的方式集合起来，就可以得到整个物体的平衡方程组。引入边界约束条件后，解此方程组，就求得节点位移，并可计算出各单元应力。 从上述论述可见，有限元法的实质是把具有无限多个自由度的弹性连续体，理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题化为适合于数值解法的结构型问题。因此，只要研究并确定有限个小单元的力学特性，就可以根据 结构分析的方法求解，使问题得到简化。 限元分析方法的概括 1、物体的离散化 就是将拟分析的物体假想地分成有限个分区、分块或分块的集合体表示原来的物体，籍此建立起单元力学分量与未知分量的关系式。 2、挑选形函数或插值函数 物体或结构离散化后，用被称为位移模式或位移函数的近似函数对单元内 的一些力学量进行描述，单元的位移模式需满足一定的条件。 3、确定单元的性质 所谓确定单元的性质就是对单元的力学性质进行描述。一般用单元的刚度 第 4 章 斗杆的有限元仿真分析 20 矩阵 （或柔度矩阵）来描述单元的性质，确立单元节点力与位移的关系。 4、 组成物体的总性质方程组 组成物体的总性质方程组就是由单元刚度矩阵集成表示整个物体性质的总刚度矩阵（或总柔度矩阵），从而建立起整个物体已知量 总节点载荷与整个物体的未知量 总节点位移或应力的关系。 5、解方程组 上述所形成的总性质方程组往往数目庞大，可能是几十个、几百个、甚至于成百上千万个，对于这些方程组需要运用一定的计算数学方法解出其未知数。 6、进一步计算 在求得整个结构物的未知量后，可进一步求得单元的未知量。在有限元法的物理 数学描述中，一般有两种求解微分方程的方法：力法和位移法。由于位移法可以满足动力 学的协调性，并且通过借助于与时间有关的位移矢量，可用于动态和非线性问题，同时通过与位置有关的附加函数可保证满足几何的边界条件，所以有限元法一般都采用位移法求解。 由上面的过程还可以看出，用有限元法解决问题工作量很大，不借助于电子计算机的帮助，有限元法的广泛应用是相当困难的。 用软件 介绍 件简介 统是由美国 司研制开发的一个大型通用分析软件，它融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体，在核工业、铁道、石油化工二航空航天、机械制造、能源、汽车 交通、国
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