污泥处理船升降机构设计研究

华中科技大学文华学院毕业设计（论文）污泥处理船升降机构设计研究学生姓名张波学号090302041130学部（系）机械与电气工程学部专业年级09级机械设计制造及其自动化指导教师毛宽民职称或学位教授2012年月日目录摘要4关键词4ABSTRACT5KEYWORDS6前言71论文概述811课题背景和研究意义812国内外污泥处理船结构研究的进展8121国内研究进展8122国外研究进展913课题研究应用前景92污泥处理升降结构的总体设计1021污泥处理船总体结构介绍1022污泥处理船升降机构的设计11221确定升降结构方案前期考虑因素11222污泥处理船升降机构选择123偏心曲柄滑块机构参数计算1431曲柄滑块机构尺寸计算1432曲柄滑块机构力学特性1533曲柄滑块的运动学特性1634实现曲柄运转的电动机参数1835污泥处理船升降部分材料的选择194污泥处理船升降机构的有限元分析2041有限元分析概述2042有限元法的基本步骤2143弹性力学基本知识21431弹性力学基本假设22432弹性力学基本变量22433弹性力学基本方程2444矩形单元26441位移函数26442单元应变27443单元应力28444单元刚度矩阵28445单元等效节点力29446整体平衡方程2945曲柄连杆机构ANSYS分析29451曲柄ANSYS分析29452连杆ANSYS分析315曲柄滑块在PRO/E中的仿真3151建立曲柄滑块机构所需构件31511机架32512曲柄的造型32513连杆三维造型32514滑块三维造型3352装配3353运动仿真3354生成滑块速度与时间关系的运动分析图36结束语38参考文献39致谢40污泥处理船升降机构设计研究摘要我国幅员辽阔,水系发达,河流、湖泊、水库极其繁多,拥有很长的海岸线以及大量的港口。但是,就目前来说，这些河流、湖泊的泥沙堆积现象积严重,需要用污泥处理船进行污泥处理,以提高灌溉、防洪以及通航的能力,来进一步改善我们的生态环境。所以，污泥处理成为清理河道，提高水质量一个重要而又关键的环节，这不仅是对我国资源环境的保护，又是资源可回收利用的重要保证。本篇论文重点讨论了污泥处理升降结构，因为这是保证污泥处理船结构强度及使用能力不可或缺的一部分。首先，根据污泥处理船的工作环境，以及结构设计的原理，初步确定出机械可实现上下升降的机构，再对所初步确定的机构进行强度上的校核以及使用性能上的设计。其次，将所确定的机构进行建模，在有限元模型分析中绘制出相应的结构模型，在进行有限元分析，通过施加载荷以及约束，得出结构的受力变形判断结构是否满足材料上的设计。本文建立了污泥处理船升降结构的数学模型,应用实时仿真软件,仿真了不同污泥密度下的动态特性。，本项研究有助于对学生进行污泥处理的研究,也有助于工程技术人员准确把握设备性能,确保安全高效疏浚。关键词污泥处理升降结构有限元分析数字模型仿真动态特性THESTUDYONSLUDGETREATMENTLIFTINGSTRUCTUREABSTRACTCHINAHASAWIDETERRITORYANDABUNDANTWATERRESOURCESWITHLONGCOASTLINEANDNUMEROUSHARBORSRIVERS,LAKESANDRESERVOIRSSCATTERALLOVERTHECOUNTRYLIKESTARSINTHESKYBUTCURRENTLYAHUGEAMOUNTOFSEDIMENTDEPOSITEDTHEREHASCAUSEDSEVEREPROBLEMSANDNEEDTOBEDREDGEDDREDGINGISONEOFTHEEFFECTIVEENGINEERINGMEASURESTOCONTROLFLOODSANDIMPROVENAVIGATION,IRRIGATIONCONDITIONSANDENVIRONMENTSLUDGETREATMENT,THEREFORE,BECOMESANIMPORTANTKEYLINKOFCLEARINGCHANNEL,IMPROVINGTHEQUALITYOFWATERTHISISNOTONLYTHEPROTECTIONOFRESOURCESANDENVIRONMENTINOURCOUNTRY,BUTALSOTHEIMPORTANTGUARANTEEOFRESOURCESWHICHCANBERECYCLEDINTHISPAPER,SLUDGETREATMENTLIFTINGSTRUCTUREISMAINLYDISCUSSED,FORITISTOENSURETHATSTRUCTURALSTRENGTHOFTHEDREDGERSANDITISANINTEGRALPARTOFSERVICEABILITYFAILUREFIRSTOFALL,ACCORDINGTOTHEENVIRONMENTTHATTHEDREDGERSWORK,ASWELLASTHEPRINCIPLEOFSTRUCTURALDESIGN,WEPRELIMINARYDETERMINETHEMACHINERYWHICHCANFULFILLUPANDDOWNMOVEMENTSOFTHEBODY,THENCHECKONTHEDESIGNINGSTRENGTHANDUSEOFPERFORMANCESECOND,WEWILLCONSTRUCTMODELOFTHEDESIGN,ANDDRAWTHECORRESPONDINGSTRUCTURE,THENANALYSISTHESTRUCTUREINFINITEELEMENTMODELBYAPPLYINGLOADANDCONSTRAINTS,WEWILLSEEWHETHERITMEETTHEDESIGNONTHEMATERIALINTHISPAPER,THEMATHEMATICALMODELOFDREDGERSSTRUCTUREISPRESENTED,ANDISDEVELOPEDBYAREALTIMESIMULATIONSOFTWARE,SIMULATIONOFDYNAMICCHARACTERISTICSUNDERDIFFERENTSLUDGEDENSITY,THISSTUDYWILLHELPTHESTUDENTTOCARRYONTHERESEARCHOFSLUDGETREATMENT,ITCANALSOHELPENGINEERSACCURATELYGRASPTHEEQUIPMENTPERFORMANCE,TOENSURESAFEANDEFFICIENTDREDGINGKEYWORDSDREDGER,LIFTINGSTRUCTURE,FINITEELEMENTANALYSIS,DIGITALMODEL,SIMULATION，DYNAMICBEHAVIOR前言就污泥处理行业发展来说，虽然污泥处理船的发明已经获得成功，但在很多情况下，都要求污泥船可以随着污泥的密度变化升降的高度不同，这是由于不同地方污泥在水中的密度会有所不同，例如，在淤泥密度比较小的情况下，这就要求所设计的污泥处理船能够运行的深度较大一些，这样不仅可以保护好船的结构，而且可以更好的使污泥船在污泥中运行，所以，所设计的污泥处理船升降结构其目的就是为了控制其在污泥中的深度，让污泥船能够更加灵活的在污泥中运转，提高污泥船的工作效率，延长污泥处理设备的使用寿命，保证污泥处理设备的强度，从而增加污泥船的性能。就污泥处理设备的设计这一领域来说，到目前为止，已经有各式各样的污泥处理船被设计出来并取得不少成果，但是，针对污泥在水中各个地方密度存在差异，前人所设计出来的污泥处理船其结构不能随着污泥密度变化而实现上下升降，这也就对污泥处理船本身的结构强度来说，会造成不同程度的损害，这样便会使得污泥处理船的使用寿命下降，而我们所设计的污泥处理船升降结构不仅实现了随污泥密度变化调节运行深度，而且在保证材料使用强度情况下，使船体受力更加合理，从而延长了污泥处理船的使用寿命。机械结构设计是影响机械各个性能的重要指标。机构的设计最终能不能完成，并满足于广大客户的需求，在极大程度上取决于机械结构的设计。就污泥处理船升降结构研究设计来说，我国的污泥处理设计水平还在不断的发展当中，其设计的目的就是要设计出一种最优的污泥处理设备，既能达到预定要求，又具有性能好、成本低、价值优的特点，来满足市场各方面需求。本篇论文的重点设计，包括升降结构的设计以及ANSYS有限元进行受力分析，然后再进行PRO/E机构运动仿真。首先是升降结构的设计。其设计因为涉及机械原理，机械设计，工程材料，材料力学等各个学科，所以要综合考虑。除了升降结构的设计外，更重要的就是机构的有限元分析，分析各个机构的受力变形情况。最后采用的是PRO/E进行仿真，通过PRO/E的运动仿真模拟动态机构的运动过程，并生成了其动力学曲线。因此，本篇论文的设计，就是为了设计出一种机构实现升降，然后对机构进行校核，最终确定所设计的升降机构，更好地实现一种新的功能，保证污泥船可以随污泥密度变化而上下升降，从而达到控制材料强度所受载荷在允许范围之内，进而延长使用寿命。1论文概述11课题背景和研究意义目前，我国江、河、湖库很多,泥沙存在严重的淤积问题,污泥处理是提高大江、大河、大湖质量的一项工程措施。污泥船的设计，可用来处理污泥、治理河道、环保清污,所以其相对而言，具有的市场价值非常广阔。在中国或者是在国外,特别是水域较大的国家，多年以来，在挖泥船方面得到的发展很大。可以从中看出来,在未来的几年里，挖泥船的发展前景依然良好。污泥处理船升降部分结构设计的意义，从性能上来说，可以提高污泥处理船的工作性能，从使用上来说，可以延长污泥处理船的使用寿命，从灵活度上说，使污泥处理设备在水上运行的更加方便。总之，升降结构部分的设计，在污泥船整体结构设计中，是很重要的一个环节。12国内外污泥处理船结构研究的进展121国内研究进展我国水资源总量丰富,是世界上陆地水域面积最大的国家之一,江河、湖泊、水库众多,在世界各国中排名排第6位。前6名的国家为巴西、前苏联、美国、加拿大、印尼、中国。但我国的河流、湖泊、水库、港口淤积比较严重,大多需要进行处理。新中国成立以来,国内的污泥处理行业得到了快速的发展。1953年成立了交通部航务工程总局疏浚公司,这是新中国成立之后第一个全国性的专业疏浚公司,专门用来负责国内水利工程以及港口航道的污泥处理。20年后,我国在日本建造了46艘各种类型的挖泥船、起重船、打桩船等，而且先后几次从荷兰IHC公司引进了总共39艘大中型的现代挖泥船,使得长江和我国沿海的港口码头等内河航道的污泥处理能力在较短时期内得到提高。目前,我国已经出现了两个强大的污泥处理实力群体,这是以水利和交通为主的。除此之外，我国已经拥有各类挖泥船和辅助方面的船舶上千艘,潜力非常大,后劲十分足,但这大都是大型河湖的疏浚设备1。就目前的情况来说，我国虽然有了河道水下的清淤机,而且可以保证河道清淤期间不停灌、不停排、不停航、不影响交通、不影响养殖、不影响正常供水、不影响旅游,水下污泥处理技术逐渐取代断水污泥处理技术而广泛在河道的污泥处理实践中起作用,并有望成为以后的发展趋势。总的来说,不管是以前还是现在,我国的污泥处理行业仍处在持续发展阶段,我国的水利和水运建设总是我国污泥处理行业发展的推动力,污泥处理始终拥有广阔的发展前景。相对于国外疏浚机的发展概况,国内船类还有待发展,因为很多先进的污泥处理船都依靠进口，不过还是有很多污泥处理船是我国自行研制的。例如,江阴市水利机械施工工程有限公司，根据气举提升工作原理，生产出气动式深水清淤机,其型号为SSYA型。其抽吸各种径向尺寸在600MM以下的物料，污泥处理深度10120M，对淤泥的处理能力为50OM3/H，对沙和砾石的污泥处理能力为278M3/H。122国外研究进展由1988年初的有关资料显示,美国以及荷兰等70个国家总共拥有大型污泥处理船2500多艘。与1980年相比，增加了113。到目前，自航绞吸式污泥处理船功率已经达2000OKW,其绞刀的功率达440OKW。而耙吸式污泥处理船舱的容积已经达11000M3,斗轮式挖泥船生产率达2250M3/H,最大的抓斗铲斗两用挖泥船铲斗船最大斗容38M3、抓斗容量382M3。水陆两用推土机的成功发明,能够在5M到10M的水深下面来进行推松堆积硬粘土,平均的产量为80M3/H，而且可以工作290天。国外在污泥处理设备操作自动化方向发展的很快,现已有挖槽剖面监测器、绞刀自动控制器、链斗自动控制器、耙臂位置监测仪、耙头绞车自动控制器、绞吸式真空释放阀、耙管自动控制器、挖泥船定位显示系统等。然后随着任务变化以及施工区域的扩大,出现了斗轮式、吸盘式、喷射式、喷水挖泥船、两栖式、步移自升平台绞吸式、对开船体耙吸式、气动泵式、刮耙式以及能够破冰的耙吸式等各种新型污泥处理船2。13课题研究应用前景目前,我国已经拥有各种类型污泥处理船以及辅助方面的船只上千艘,潜力很大,后劲十分足。虽然说我国污泥处理船数量不少,但是对于城市污泥处理这一块来说，还远远不够。这就要求城市污泥处理的水平进一步发展，并能够促进污泥处理设备、技术的提高。污泥处理行业在我国经济发展中地位越来越突出,各企业应不断创新其污泥处理设备、技术和管理,这样才能更好地适应社会市场的需求。除此之外，政府和社会都应该提高重视，加大污泥处理设备方面的投入、规范市场3。正是由于水运和水利建设一直推动着我国污泥处理行业，才使得污泥处理行业还仍在不断发展,可以说，污泥处理行业拥有广阔的发展前景，所以，本次的课题研究，其应用前景也是相当大的。2污泥处理升降结构的总体设计21污泥处理船总体结构介绍机械挖泥一般情况下采用绞吸式挖泥船清淤。该方法是通过绞刀把泥浆吸入刀筒内,然后通过输泥管把泥浆送入排泥场,处理效果非常显著。如图21为实际生活中污泥船的工作图4。图21污泥处理船下图两种污泥船结构是根据污泥处理船运动方式不同而分类的，其中，图22所示的污泥处理船结构是通过叶轮旋转来带动污泥船在污泥中行走，而图23所示的污泥处理船结构是由简单的平面连杆组成一种爬行机构，从而来带动污泥船运行，其使用的是平面连杆机构设计原理，与叶轮式污泥船相比较而言，其设计简单，所以本篇论文所设计的污泥处理升降结构根据平面连杆机构所设计的。图22叶轮式污泥处理船图23爬行式污泥处理船22污泥处理船升降机构的设计221确定升降结构方案前期考虑因素对于结构的设计，并不是简单的画出简图、选择材料，就可以达到预期设计的目标。机械设计的实质，是在约束存在的前提下力求达到规定的功能和性能要求的过程，从宏观上看，这一过程包括总体方案的设计、参数设计和结构设计等阶段。设计出一种可实现上下升降的机构，我们要从以下几个方面进行考虑A）减少成本的投入也就是说在设计的过程当中，要尽可能少地消耗以材料、能源、劳动力、资金等形式存在的资源，创造出满足预先设想功能要求的物质实体。B）强度问题机器及其零部件丧失正常工作能力或其功能参数降低到限定值以下，称为失效。所谓强度，就是抵抗这类失效的能力。而强度约束，则是指要求所设计的零部件，在正常工作条件下，不出现这种类型的失效。C）机械设计中的摩擦、磨损和润滑问题两个接触表面做相对运动或有相对运动趋势时，将会有阻止其产生相对运动的现象发生，这种现象就称为摩擦。通常，摩擦的大小，可通过摩擦系数来衡量。磨损是指由于表面的相对运动而使物体工作表面的物质不断损失的现象。润滑是减少摩擦和磨损的有效措施之一。所谓润滑，就是向承载的两个摩擦表面之间引入润滑剂，以减少摩擦力及磨损等表面破坏的一种措施。D）材料的选择考虑材料的力学性能、工艺性能、经济性以及产品的轻型化、高寿命。零件的工作条件是复杂的，为了便于分析，可将它分为受力状态、载荷性质、工作温度、环境介质等几个方面来考虑。受力状态为拉、压、弯、扭等，载荷性质有静载、冲击、交变等。工作温度可分为低温、室温、高温、交变温度。环境介质是指与零件接触的润滑剂。E）使用寿命的分析使用寿命是设计一个机构所必须考虑的，因为它决定了机构工作时间的长短，使用寿命的计算，与机构运行的循环次数以及寿命系数相关。222污泥处理船升降机构选择从实现机构升降的原理来说，有多种机构能够满足升降的目的，其中包括曲柄滑块机构、链传动、齿轮齿条机构、摇杆滑块机构等。本文对各个机构进行比较之后，最终确定实现升降机构由曲柄滑块机构实现。1）摇杆滑块机构最简单的连杆机构是由四个构件和四个低副组成的四杆机构。机构中必有一个构件为机架。与机架相连的构件称为连架杆，其中能绕定轴作整周回转的构件称为曲柄；绕定轴作往复摆动的构件称为摇杆或摆杆。不与机架相连的构件称为连杆。只作往复移动的构件称为滑块。图24为摇杆滑块机构示意图。摇杆滑块是带有一个移动副的机构。一般有作为机架的3个构件。构件3与构件4用移动副相连，又与连杆2用转动副相连，称为滑块。构件3作为机架，BC成为铰链C摆动的摇杆，AC杆成为滑块做往返移动。这就是摇杆滑块机构。摇杆滑块的机构原理比较简单，但在污泥处理船升降结构设计研究时要求滑块的循环运动，这也就是说，摇杆也能实现往复运动。一般来说，实现摇杆往复运动还需要用其他机构带动，显得比较复杂。所以在升降结构设计时，不考虑使用摇杆滑块机构。图24摇杆滑块机构2）链传动图25为链传动的示意图。图25链传动按照用途不同，链可分为起重链、牵引链和传动链三大类。起重链主要用于起重机械中提起重物，其工作速度V025M/S；牵引链主要用于链式输送机中移动重物，其工作速度V4M/S；传动链用于一般机械中传递运动和动力，通常工作速度V15M/S。链传动时，不会出现弹性滑动和打滑，且能够保持准确的平均传动比；需要的张紧力小，作用于轴的压力也小，可减少轴承的摩擦损失；结构紧凑；能在温度较高、有油污等恶劣环境条件下工作。链传动效率高，轴间距离适应范围较大，能在温度较高、湿度较大的环境中使用；但链传动一般只能用作平行轴间传动，且其瞬时传动比波动，传动噪声较大。由于链节是刚性的，因而存在多边形效应（即运动不均匀性），这种运动特性使链传动的瞬时传动比变化并引起附加动载荷和振动，在选用链传动参数时须加以考虑。综合升降机构设计的要求，不考虑使用链传动实现升降运动5。3）曲柄滑块机构曲柄滑块机构是铰链四杆机构的演化形式,由若干刚性构件用低副回转副、移动副联接而成的一种机构。曲柄滑块机构是由曲柄（或曲轴、偏心轮）、连杆、滑块通过移动副和转动副组成的机构。曲柄滑块机构常用于将回转运动变换为往复直线运动或者将往复直线运动变换成为回转运动。分析曲柄滑块机构，是为了得到机构上各个点的速度、加速度，判断是否满足实验设计时的要求，判断机构是否发生运动干涉，以及判断机构的性能等。曲柄滑块机构具有运动副为低副,各元件间为面接触,构成低副两元件的几何形状比较简单,加工方便,易于得到较高的制造精度等优点。根据结构特点，将其分成3大类对心曲柄滑块、偏置曲柄滑块、偏心轮机构。图26是对心曲柄滑块的结构简图。图27是偏置曲柄滑块机构。图28为偏心轮机构。图26对心曲柄滑块机构图27偏置曲柄滑块机构图28偏心轮机构曲柄摇杆机构的优点面接触低副，压强小，便于润滑，磨损轻，寿命长，传递动力大，低副易于加工，可获得较高精度，成本低，杆可较长，可用作实现远距离的操纵控制，可利用连杆实现较复杂的运动规律和运动轨迹。所以，就设计简便而言，本篇论文中污泥处理船的升降结构，就是采用偏心曲柄滑块机构实现的。3偏心曲柄滑块机构参数计算31曲柄滑块机构尺寸计算已知，由船的结构初步估计，本次设计要求污泥处理升降结构升降范围为1M，行程变化系数为15,偏距值为400MM，设计曲柄长度以及连杆长度6。几何法求杆长。极位夹角180OK1/（K1）36O。按滑块的行程作线段C1C2。过点C1作OC1C290O54O,过点C2作OC1C290O54O,则得到交点O,以O为圆心、OC1或OC2为半径作圆弧，它与直线C1C2的平行线交于A，如图31。图31作图法比例120根据图示几何关系从图上量得LAC2LBCLAB68MM，LAC1LBCLAB25MM，联解上式可得LBC465，LAB215。再由于图示比例为120，故选择曲柄长度为430MM，连杆长度设计为930MM，结构如图32所示。图32污泥处理升降结构32曲柄滑块机构力学特性由分析污泥处理船结构可知，船身初次设计长度为6300MM，高度为1700MM，本次设计要求污泥处理升降结构升降范围为1M，选择曲柄长度为430MM，连杆长度设计为930MM。取其中的曲柄滑块进行受力分析7,如图33所示图33曲柄滑块机构受力分析图滑块长宽高分别为05M、025M、025M。选择材料为铸铁，密度为7250KG/M3。故滑块自重为GVG725005025025KG9822203N从曲柄R传到连杆L上的力PC与滑块发出的压力P之间，存在如下关系PCCOSP（31）曲柄颈A处，沿半径方向的力PR和PC的关系PRPCCOS（32）将上2式联立，可得到PRPCOS/COS（33）曲柄颈沿圆周方向所受切线力PT与半径R的乘积，就是转矩T。TPTR（34）根据上图可知PTPSIN（35）将（1）、（4）式代入（5）式，则TPSIN/COSR（36）滑块运动时PFMG（37）取025，所以PF22203024446N故滑块上升时PC最小值为PCMIN22643N2FP223064PTMINPCMINSIN（38）PRMINPCOS/COS（39）33曲柄滑块的运动学特性由曲柄滑块机构运动分析知，曲柄以R/MIN转动时，连杆的速度为移动和转动两种速度的合成。而实现上下升降的滑块存在平移的速度，其移动速度是变化的，即存在水平方向上的加速度。图示34为曲柄滑块机构运动分析简图8。图34曲柄滑块机构运动分析图取A点为坐标原点，X轴水平向右。在任意瞬时T，机构的位置如图。按矢量封闭回路ABCD建立矢量方程和其投影的坐标方程HS21L（3INISCO2110）由上式可求S及2（3SINHCOSII12211LL11）上式对T求导得（3221COSCS0INIL12）由上式可得（32S和。TANCOSINS2111211L13）上式再对T求导（3222112COSSINSI0CCOLLIS14）由上式可得S及2315SINCOSSISIN21221112212L34实现曲柄运转的电动机参数本文设计的污泥处理船升降结构，在承受压力方面，主要是推动船运行的爬行机构，故所选用的电动机相当于起重用电动机。其电动机模型外形如图35所示。起重用三相异步电动机是用于驱动各种形式的机械及辅助机械的专用系列产品，它具有较大的过载能力和较高的机械强度，特别适用于短时或断续周期运行、频繁启动和制动、有时过负荷及有显著的振动和冲击的设备。所以适用于污泥处理升降结构所用电动机。此类型电动机由不同系列组成，YZ系列为笼型转子电动机，YZR系列为绕线转子电动机。对于30KW以下的电动机以及在启动不是很频繁的情况下，可选用笼型转子。表31为YZ系列电动机技术数据。由电动机带动曲柄滑块机构，污泥处理船升降结构速度无需太高，故选择电动机转速要求不高，最终选择电动机机座号为160L，功率为75KW，转子转速为750R/MIN。转子转动惯量为01929。表31YZ系列电动机技术数据图35电动机安装外形尺寸35污泥处理船升降部分材料的选择首先是选材的思路，选材应考虑材料的力学性能，根据材料的工作条件，分析计算出或测定出材料力学性能，这是选用材料的基本出发点。零件的工作条件是复杂的，为了便于分析，可将它分为受力状态、载荷性质、工作温度、环境介质等几个方面来考虑。对于新设计的重要零件，还应进行失效分析，以确定失效的主要抗力指标。根据该指标，再选择相符合的材料。选材过程中还应考虑材料的工艺性能、经济性、以及产品的“轻型化、高寿命”等。从机械零件设计和制造的一般程序来看,先是按照零件工作条件的要求来选择材料,然后根据所选材料的机械性能和工艺性能来确定零件的结构形状和尺寸。在着手制造零件时,也要按所用的材料来制订加工工艺方案。比如选用的材料是铸铁,就只能用铸造方法去生产了。机械零件选材时,主要是考虑零件的工作条件、材料的工艺性能和产品的成本。现将有关选材的一些基本原则分述如下我们设计所选用的材料应该满足零件各个方面的工作条件零件工作的条件有很多种。例如就拿受力来说，有压、拉、剪切、弯曲变形、扭转变形等。工作温度分为高温、室温、低温之分。载荷性质分为冲击、静载和交变。从上面所说的工作条件来看,载荷性质和受力状态反映的是机械性能，而工作温度是属于使用环境方面的。屈服极限、疲劳极限、强度极限等是反映材料强度方面的指标。因为材料选择的出发点是为了满足零件强度上的要求,所以强度指标一般都直接用于零件断面尺寸的设计计算。材料的工艺性能也是选材的重要依据之一。因为零件的生产方法不同,将直接影响其质量和生产成本。金属材料的基本加工方法有铸造、压力加工、焊接、切削加工和热处理等。对于连杆件的选材，连杆所受应力都均匀的分布在连杆的整个截面上。在这些应力作用下，连杆的损坏形式主要是疲劳断裂。在制造的行业中，连杆的材料选择较多，如45钢、40CR、40CRNI、40MNB钢等。实践证明，40CR钢能达到各项技术性能指标，是制作连杆较为理想的材料，对于连杆件，其一般加工路线为下料模锻成形正火粗加工调质精加工。对于滑块与曲柄的材料选择，则一般选择45钢或40CR，其工艺路线为下料锻造正火粗加工调质精加工高频淬火及低温回火精磨10。4污泥处理船升降机构的有限元分析41有限元分析概述随着现代工业、生产技术的发展，不断要求设计更高质量、高水平的大型、复杂和精密的机械及工程结构，但是，传统的方法已经难以完成对工程实际问题的分析，因此，需要寻求一种简单而又精确的数值计算方法，有限元法正是适应这种要求而产生起来的一种十分有效的数值计算方法。基于有限元分析软件对设计的结构进行详细的力学分析，并能获得尽可能真实的结构受力信息，还可以在设计阶段对可能出现的问题进行安全评判和设计参数修改。故本次设计中的曲柄滑块机构力学分析，采用的正是有限元分析。有限元法是一种接基于变分法而发展起来的求解微分方程的数值计算过程，该方法以计算机为手段，采用分片近似，进而逼近整体的研究思想，来求解物理过程。首先是离散化，将原始边界条件转化为节点上的边界条件。其次是分片近似，并按弹性理论中的能量原理建立单元节点力和节点位移之间的关系。最后，把所有单元的这种关系式集合起来，就得到一组以节点位移为未知量的代数方程组，解这些方程组就可以求出物体上有限个节点的位移。这是有限元法的创意和精华所在。有限元法经过几十年的发展之后，目前成为一种很普遍的数值计算方法，其特点表现如下1理论基础比较简单，物理概念很清晰。几何分片和分片插值就是有限元法的基本思想，概念非常清晰，而且很容易理解。之所以说几何上的近似是因为用离散单元的组合体来逼近原始的结构；而数学上的近似是指用近似函数逼近未知变量在单元内的真实解；体现了其明确的物理背景是因为利用与原问题的等效的变分原理建立有限元基本方程。2计算方法通用，应用范围较广泛。它不仅成功地处理如应力分析中的非均匀材料、各向异性材料、非线性应力应变关系及复杂边界条件等难题，而且随着其理论基础和方法的逐步完善，还能成功的用来求解如热传导、流体力学等领域的许多问题。理论上来说，只要是微分方程可以表示的问题，都可以用有限元法来求解。3可以处理任意复杂边界的结构。由于有限元法的单元不限于均匀规则单元，单元形状可以是任意的，大小也可以不同，边界也可以是曲线或曲面，不同形状的单元还可以进行组合，所以，有限元法可以处理任意复杂边界的结构。4计算格式规范，易于程序化。该方法在具体推导运算中，广泛采用了矩阵方法，矩阵代数能把繁琐的分析和运算用矩阵符号表示成非常紧凑简明的数学形式，因而最适合于电子计算机存储，便于实现程序设计的自动化。42有限元法的基本步骤将有限元分析的基本步骤分为三大步骤结构离散化、单元分析和整体分析。1）结构离散化结构离散化是有限元法分析的基础，是进行有限元分析的第一步。所谓结构离散化，就是用假想的的线或面将连续物体分割成由有限个单元组成的集合体，且单元之间仅在节点处连接，单元之间的作用仅由节点传递。2）单元分析单元分析包括选择位移函数、建立单元平衡方程、计算等效节点力三个方面的内容。连续体被离散成单元后，每个单元上的物理量的变化规律，可以用简单的函数来近似表达，这样的简单函数为位移函数，又称位移模式。在选择了单元类型和相应的位移函数后，即可按弹性力学的几何方程、物理方程导出单元应变与应力的表达式，最后利用虚位移原理或最小势能原理建立平衡方程，也是刚度方程，其系数矩阵为单元刚度矩阵。KEEFE41式中，角标E为单元编号，E为单元的节点位移向量，FE为单元的节点力向量，KE为单元刚度矩阵。3整体分析其基本任务是建立整体平衡方程，形成整体刚度矩阵和节点载荷向量，完成整体方程求解。有限元法的分析过程是先分后和，即先进行单元分析，在进行整体分析。形成整体平衡方程为KF42式中，K为整体节点位移向量，为整体节点位移向量，F为整体载荷向量。然后是方程求解，方程求解包括边界条件引入和数值计算，一旦利用适当的数值计算方法求出未知的节点位移以后，即可按弹性力学的应力、应变公式计算出各个单元的应变、应力等物理量。43弹性力学基本知识431弹性力学基本假设1）连续性假定假定物体整个体积都被组成该物体的介质所填满，不存在任何空隙2）完全弹性假定假定物体满足虎克定律；应力与应变间的比例常数称为弹性常数。弹性常数不随应力或应变的大小和符号而变。由材料力学已知脆性材料在应力未超过比例极限以前，可以认为近似的完全弹性体；而韧性材料在应力未达到屈服极限以前，也可以认为是近似的完全弹性体。3）假定物体是各向同性的即认为整个物体在所有各个方向都有相同的物理性质。这样，物体的弹性常数不随方向而变。4）假定物体的位移和应变是微小的即物体在外力和其他因素的作用下，所有各点的位移都远远比物体原来的尺寸要小。5）假定物体是均匀的即认为整个物体在各点都有相同的物理性质。432弹性力学基本变量在弹性力学中常涉及4个基本物理量外力、应力、应变和位移。作用在物体上的外力分为体积力和表面力，分别简称为体力和面力。应力是弹性体内某一点作用于某截面单位面积上的内力，它反映了内力在截面上的分布密度。对于应力，与物体的变形及材料强度直接相关的是应力在作用截面的法向与切向的分量，也就是正应力和剪应力，如图41所示。显然，在物体内同一点P的不同截面上的应力是不同的。如图42所示为物体中所取出的微小的平行六面体。把每个侧面应力分解，其中，垂直的应力为正应力，用表示，平行于微元体表面的应力为剪应力，用表示。XY表示法线为X轴的平面上，剪应力方向与Y轴平行的应力。图41应力概念图42应力分量根据剪应力互等原理，微元体剪应力存在如下关系XYYXYZZYXZZX这样，在任意点的应力只有6个独立应力分量。应力的矩阵形式为（43）ZXYXZYXZXYZYX称为应力矩阵或应力向量。一般来说，应力分量不是常量，而是坐标X，Y，Z的函数。当微元体变形时，三个棱边的长度和它们之间的角度都会发生变化，其变化分别称为正应变和剪应变。正应变用表示，X表示X方向的正应变，XX/A,如图43所示。剪应变如图44所示。图43正应变图44剪应变弹性体内任意一点的应变，可以由6个应变分量X，Y，Z，XY，XZ，YZ来表示。应变的矩阵形式为称为应变矩阵或应变向量。ZXYXZYXZXYZYX而位移的矩阵形式为（44）WU一般而论，弹性体内任意一点的体力向量、面力向量、应力向量、应变向量和位移向量，都是随该点的位置变化而变化的，是位置坐标的函数。433弹性力学基本方程弹性力学基本方程描述弹性体内任一点应力、应变、位移和外力之间的相互关系，它包括几何方程、平衡方程、物理方程3类。1）几何方程对于空间上的问题，应变分量与位移分量之间的几何关系可以表示为（45）ZUXWYZYXUZYX上式说明空间一点的6个应变分量可用该点的3个位移分量来表示，当物体的位移分量完全确定时，那么，可求出相应的应变分量，而反过来却并不如此，这是因为物体产生位移有两个原因，一是受力变形引起的位置变化，二是刚体运动产生的位置变化，称为刚体位移。刚体运动是与变形无关的位移，有位移并不一定有变形，由此可知，虽然物体的变形已知，那么它可能存在各种刚性位移，所以不能由应变分量确定位移分量。2）物理方程物理方程描述应力分量与应变分量之间的关系，对于完全弹性体的各向同性体，它们为广义胡克定律。（46）ZXYXYZZXYYX11G式中，E为弹性模量，G为剪切弹性模量，为泊松比。这3个弹性常熟之间的关系为G（47）12E以上的物理方程用应力分量表示应变分量。在有限元分析中，常常需要用应变分量表示应力分量，则可直接由上式得到，并记为矩阵形式ZXYZYXZXYZYX1200012001121E简记为D（48）式中，D称为弹性矩阵，由材料弹性模量E和泊松比确定，与坐标位置无关。3）平衡方程当物体在外力作用下静止或等速直线运动时，则物体处于平衡状态。弹性内任一点满足平衡方程，在给定表面力的边界上满足应力边界条件。体积力一般用单位体积上的力在3个坐标轴方向上的投影PX，PY，PZ表示，根据平衡条件得如下方程（49）0ZYXZZYXYXP平衡方程是弹性体内任意一点都必须满足的条件，它说明6个应力向量不是独立的，它们通过3个平衡方程互相联系。4）边界条件由上诉物理方程式、几何方程式、平衡方程式可知，足够的微分方程个数可求出位置的应变、应力和位移。静力学的定解通常分为位移边界条件、应力边界条件，而且只包含边界条件，。物体在边界上的位移分量已知的的条件称为位移边界条件，即在已知边界U上，有（410）WUU，式中为在边界U上沿X，Y，Z轴方向的已知位移量。WU，应力边界条件是指物体在边界上所受的面力分量已知的条件，即在已知边界P上，有（411）ZYZXXNMLQLY式中，QX，QY，QZ为边界上一点处单位面积上表面力分量，L，M，N分别表示边界P上外法线方向的方向余弦。44矩形单元。441位移函数从离散结构中任取一个矩形单元，设其单元编号为E，矩形的4个角点作为节点，逆时针为正向。单元节点位移为（412）PMJIUUE矩形单元有4个节点、8个自由度，单元内任一点（X，Y）的位移分量为（487654321U13）上式称为位移函数。1，2，3，4，5，6，7，8为待定系数。将4个节点的的局部坐标系代入上式，得到8个方程如下（48765432187654321UUPMJI14）由上述方程求出8个待定系数1，2，3，4，5，6，7，8，再代入式（413），得到单元内任一点的位移U、V用单元4个节点位移来表示的位移插值公式。（4PMJIIPMJJIIJNNUU,I,IU15）式中的型函数分别如下（41414PMJIN16）上式合并得（I,J,M,P）417III14将（415）写成矩阵形式（4ENUF18）其中型函数矩阵（4PMJJNNNI0019）442单元应变应变分量的计算公式为（4BUAAUBXYUXXY1120）将其代入（415）得（4EB21）式中B可写成分块矩阵形式。（4PMJI22）又（I,J,M,P）（4IIIIIIBAABBI1100423）443单元应力根据弹性学物理方程可得（4ESDB24）其中（4PMJIS25）（I,J,M,P）426121214IIIIIBAABABES444单元刚度矩阵单元刚度矩阵表示为DXYDBTATKE427写成分块形式为PMPJIMJJJJIIPIMIKKE428则每个子块DXYDBTATJIIJ429将式（423）代入上式，得31BA2121314K2IJJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIABET（430）上式对应的是平面应力情况，对于平面应变，只需将式中的E和进行相应的变换即可。445单元等效节点力单元的体积力和表面力引起的节点力仍可用等效节点力列阵和单元等效结点力进行计算。在目前的情况下，由于位移分量在X为常数及Y为常数的直线上是线性变化的，因此，往节点的移置也符合静力等效的原则。例如，（1）对于单元的自重W，移置于每一节点的载荷都是四分之一的自重。2如果单元在一个边界上受有三角形分布的表面力，在该边界上一个节点处为零，而在另一个节点处为最大，则将总表面力的三分之一移到前一个节点，三分之二移到后一个节点。446整体平衡方程当各单元的刚度矩阵KE、等效节点力FE确定以后，与前述三角形常应变单元一样，将各单元的KE、KE和FE都扩大到整个弹性体自由度的维数，再进行叠加，便可得到整个弹性体的平衡方程，它仍具有如下的形式。K（431）引入位移约束条件，解上述线性方程，可得节点位移，进而可求得各单元应力11。45曲柄连杆机构ANSYS分析图45所示为一曲柄滑块机构，曲柄长度R430MM、连杆长度L930MM、偏距E400MM，曲柄为原动件，其所受力为22643N。根据机械原理的知识，该问题的解析解十分复杂，使用不太方便。本例采用单独分析的原理，对曲柄、连杆进行受力分析，最终得到曲柄、连杆在受力之后的变形，通过所得到的变形，对机构进行分析，检测材料是否满足强度上的需求。图45曲柄滑块机构451曲柄ANSYS分析在ANSYS分析曲柄时，所选择的曲柄材料属性分别如下材料选择为45钢，密度7850KG/M3，泊松比03，弹性模量E21011，长度为430MM，厚为50MM，由于长度与宽度比值约为5，故将曲柄分析采用平面受力分析，而且划分单元采用四边形单元1213。创建曲柄的几何模型如图46图46曲柄几何模型网格划分如图47。图47网格划分对于曲柄来说，施加的约束在小圆孔处，在另一圆孔内施加22643N，方向竖直向下。然后求解。查看变形结果如图48所示。图48曲柄变形曲柄受力分布如图49。图49曲柄受力分布452连杆ANSYS分析。连杆长度为930MM，宽100MM，高50MM，材料选择为45钢，密度7850KG/M3，泊松比03，弹性模量E21011，由于长度与宽度比值大于5，故连杆分析同样采用平面受力分析，而且划分单元采用四边形单元。由于连杆在受力过程中，所受的力为连续变化的力，为了简便起见，在分析连杆时，将在连杆上所施加最大的力，观测连杆的变形情况。连杆分析的前期处理情况与曲柄相同，只是在施加力上有变化。如图410为连杆几何模型图。图410连杆几何模型网格并受力后的图形如图411。图411连杆网格及约束变形后图形如图412。图412连杆受力变形5曲柄滑块在PRO/E中的仿真51建立曲柄滑块机构所需构件图51曲柄滑块机构如图51所示，曲柄长度430MM，连杆长度930MM，滑块长宽高分别为500MM，250MM，250MM14。511机架绘制机架，图52为机架的立体图图52机架立体图512曲柄的造型绘制曲柄，如图53，长度430MM，宽100MM，拉伸50MM。53曲柄立体图513连杆三维造型绘制连杆如图54所示，连杆长度930MM，宽100MM，拉伸50MM。54连杆立体图514滑块三维造型滑块长500MM，宽250MM，高250MM，如图55所示。图55滑块立体图52装配插入机架，位置缺省，然后插入曲柄，约束类型选销钉，然后插入连杆，同样选销钉，把凸台插入曲柄孔中，再插入滑块，首先选销钉，把滑块凸台插入连杆孔中，销钉的平移不能选重合，选偏距，距离计算好后再输入，要使滑块孔轴线与机架圆柱轴线在同一基准平面内15。装配完毕如图56所示图56曲柄滑块装配53运动仿真1）选择应用程序下面的机构，如图57图57应用程序选择2）设置主动件。单击“伺服电机”按钮，弹出新窗口。选择曲柄为主动件，产生回转运动。如图58，59。图58伺服电动机选择图59运动轴选择然后点轮廓，把位置改为速度，A处输入10，意思为10度/秒，确定。如图510图510电机速度选择点机构分析，出现如图511所示对话框图511运动学分析位置改为运动学，终止时间为72即曲柄运动两圈，点运行，机构开始运动。单击“回放”，然后单击“捕获”，弹出窗口，输出动画。如图512。图512动画捕获54生成滑块速度与时间关系的运动分析图1单击工具按钮“生成分析”，弹出如图513所示对话框图513测量结果在弹出的对话框单击新建按钮，弹出“测量定义”对话框，如图514所示图514测量定义位置改为速度，选择滑块移动的运动学移动轴，点确定，在弹出的对话框中把分别绘制测量图形打钩，如图515图515测量图形绘制2在结果集选择一结果，点绘制图形，即得到滑块的速度图，如图516图516仿真结果结束语经过两个多月的学习,查找资料，以及在老师的指导下，污泥处理船升降结构设计最终确定下来了，这是一个比较漫长的过程，在这个时间段内，我们通过对结构设计的比较，终于找到一种合适的机构来实现污泥处理船升降，而且所设计方案是最佳方案，即采用曲柄滑块机构实现升降。除此之外，我们并对所设计的机构进行了分析，仿真，完成了机构一系列动画模型，终于，在