履带式液压挖掘机下车架有限元分析

1、履带式液压挖掘机下车架有限元分析吴金锋,宗波,汤中连(徐工集团挖掘机械有限公司,江苏徐州221004摘要在对履带式液压挖掘机下车架受力情况进行分析的基础上,进行了静态有限元分析。分析中采用抽中面的形式用壳单元进行模拟,从而使分析结果更接近实际,对挖掘机下车架的设计及改进有一定参考价值。关键词履带式液压挖掘机;下车架;有限元分析中图分类号TU621文献标识码B文章编号1001-554X(201211-0117-03Finite element analysis of frame structures for hydraulicexcavator based on ANSYSWUJin-feng,

2、ZONGBo,TANGZhong-lian履带式液压挖掘机下车架主要由纵梁、X架和回转支承安装座焊接而成,是一个比较复杂的焊接件。在工作过程中,下车架主要承受由工作装置和转台传递的载荷,同时又承受整车的重力,容易造成局部结构的疲劳损坏,因此下车架的强度分析在挖掘机的设计中非常重要。本文以某型号履带式液压挖掘机下车架为例,对典型工况下的下车架进行了基于ANSYS的有限元分析。1几何模型建立与载荷分析计算1.1下车架几何模型建立该履带式液压挖掘机下车架结构主要尺寸参数如图1所示。由于下车架结构复杂,采用三维建模软件PRO/E创建几何模型,再通过PRO/E与ANSYS的接口将其导入到ANSYS中进行

3、网格划分等前处理。1.2计算工况与外载荷履带式液压挖掘机行走装置结构件的计算原则是:挖掘机作业过程中可能出现的最大垂直载荷,且该载荷对整机产生最大倾覆力矩。挖掘机的工作装置相对履带有纵向和横向两个位置1,纵向稳定性较好,下车架可承受的载荷更大,故以纵向位置作为计算位置。71919153843259134图1下车架主要尺寸参数本文以一种典型的失稳工况为计算工况,即斗杆垂直于地面,斗齿尖在地面以下0.5m,用铲斗挖掘,切向阻力垂直于地面,法向阻力指向机体。下车架回转支承安装座的受力情况如图2 所示。收稿日期2012-07-16通讯地址吴金锋,江苏省徐州市经济开发区东环工业园28号117CONSTR

4、UCTION MACHINERY 2012.11118建筑机械 2012.11(上半月刊设计计算DESIGN & CALCULATIONW 1W 2G W 1G 3G X2L 1L 2L z w1H w 1H w图2挖掘机作业中下车架回转支承安装座受力图此工况下,下车架回转支承安装座所受的轴向力F 和倾覆力矩M 为F =W 1+G 1+G 2+G 3M =W 1L W 1+WH W +G 1L 1-G 2L 2-W 2H W 1(1式中W 风载荷;W 1斗齿切向挖掘力;W 2斗齿法向挖掘力;G 1工作装置重量;G 2上车(除工作装置重量;G 3回转支承重量;L 1工作装置重心G 1到回

5、转中心的水平距离;L 2上车(除工作装置重心到回转中心的水平距离;L W 1斗齿切向挖掘力W 1到回转中心的水平距离;H W 风载荷W 到座圈的垂直距离;H W 1斗齿法向挖掘力W 2到座圈的垂直距离。斗齿切向挖掘力W 1和法向挖掘力W 2如图3所示。忽略斗杆及连杆重量对挖掘机的影响,对O 点建立力矩平衡方程13114542r r W P G r r r §· ¨¸©¹(2式中P 1铲斗液压缸的理论推力;G 4铲斗重量;r 4 斗齿切向挖掘力W 1到O 点的水平距离;r 5铲斗重量到O 点的水平距离;r 1、r 2、r 3计算所需的辅

6、助值,已知量。4r 1P 5r 3r 2r 1r 4G 2W 1W 图3斗齿受力模型按经验,W 2=00.2W 1,这里取最大值。各参数值如表1所示。据以上计算,得到此工况下座圈所受的轴向力F =2.3×105N ,倾覆力矩M =3.2×105N·m 。表1受力分析中各参数值W /N W 1/N W 2/N P 1/NL 1/L 2/L W 1/mmH w /mm 212775468150944550003980/1593/4428196G 1/G 2/G 3/G 4/N r 1/r 2/r 3/r 4/r 5/mm 46500/105713/2851/88104

7、60/609/363/1570/6702有限元模型的建立2.1下车架结构简化及几何模型的建立根据挖掘机的结构及工作特点,在保证不影响其受力分布的情况下,对下车架结构进行适当简化。主要对下车架作了如下简化:(1取消对分析影响不大的螺纹孔、工艺孔等;(2考虑在导向座部位比较独立,并且无载荷施加,对分析无影响,将其删除;(3不考虑钢板焊接应力及焊缝形式的影响,对各个零件的连接处进行处理。基于以上简化,将PRO/E软件建立座圈的简化几何模型,通过PRO/E与ANSYS的接口将模型导入。由于下车架主要由薄板件焊接而成,故采用抽中面的形式用壳单元进行模拟。简化后的下车架模型如图4所示,抽中面后的模型如图5 所示。图4 简化后的下车架几何模型图5抽中面后的模型几何模型2.2网格划分由于下车架是实体,其余各件为面体,因此采用实体单元进行模拟,对面体采用面单元进行模拟。划分好网格的有限元模型如图6 所示。图6划分网格的下车架模型2.3加载与约束条件挖掘机在工作过程中,下车架通过支重轮和履带支承在地面上,故对下车架与支重轮连接的安装面施加固定约束(节点的6个自由度均约束,同时在安装面上施加上文计算的轴向力F和倾覆力矩M。施加效果如图7 所示。图7载荷施加后的下车架3分析结果通过计算,得到下车架的应力云图,如图8所示。分析计算结果可知,下车架应力较大处出