挖掘机动臂建模与分析设计论文初稿

挖掘机操作臂的建模与仿真分析摘要： 挖掘机集挖掘和装载功能于一体,在基础建设和民用建筑建设中的使用与日俱增,但液压挖掘机的工作条件比较恶劣,造成工作装置可靠性较差。本文对挖掘机进行虚拟仿真及运动和有限元分析,从而为改进挖掘机设计、提高挖掘机工作的稳定性提供了理论依据。具体的工作步骤：对挖掘机工作装置进行建模仿真,建立各个零件的三维模型图,装配挖掘机操作臂的三维结构模型,进行挖掘机操作臂的运动仿真模型,并对其运动分析,提供运动性能分析参数；对挖掘机操作臂的进行力学分析,采用ANSYS 分析软件对挖掘机操作臂的主要零部件进行有限元分析,给出出应力分析云图和变形图；能够对分析结构提出建议和意见。30 / 32目录1 引言挖掘机发展概况及仿真分析的意义11.1 挖掘机的发展历史11.2 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段途径32 挖掘机工作装置的建模仿真42.1采用UG软件对挖掘机工作装置进行建模仿真42.2挖掘机工作装置的运动仿真113挖掘机工作装置主要结构的受力分析113.1 斗杆的计算载荷113.2 斗杆载荷的计算124 挖掘机工作装置的有限元分析124. 1 有限元分析软件简介1242 ANSYS中的有限元分析步骤164. 3 挖掘机操作臂的有限元分析20结论29参考文献291 绪论 挖掘机发展概况及仿真分析的意义1.1 挖掘机的发展历史液压挖掘机是功能最典型、结构最复杂、用途最广泛的工程机械之一,作为工程机械的代表产品,它在工业与民用建筑、交通运输、水利电力工程、矿山采掘以及军事工程等施工中起着极为重要的作用1。第一台手动挖掘机问世至今已有130多年的历史,期间经历了由蒸汽驱动斗回转挖掘机到电力驱动和燃机驱动回转挖掘机、应用机电液一体化技术的全自动液压挖掘机的逐步发展过程。由于液压技术的应用,20世纪40年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机,20世纪50年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机。初期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术,缺少适用于挖掘机各种工况的液压元件,制造质量不够稳定,配套件也不齐全。从20世纪60年代起,液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段,各国挖掘机制造厂和品种增加很快,产量猛增。1968-1970年间,液压挖掘机产量已占挖掘机总产量的83%,目前已接近100%。1.1.1 挖掘机的类型及发展趋势工业发达国家的挖掘机生产较早,法国、德国、美国、俄罗斯、日本是斗容量3.5-40m单斗液压挖掘机的主要生产国,从20世纪80年代开始生产特大型挖掘机。例如,美国马利昂公司生产的斗容量50-150m剥离用挖掘机,斗容量132m的步行式拉铲挖掘机；B-E布比赛路斯-伊利公司生产的斗容量168.2m的步行式拉铲挖掘机,斗容量107m的剥离用挖掘机等,是世界上目前最大的挖掘机。从20世纪后期开始,国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展。1.1.2挖掘机操作臂的仿真研究实践表明,定点挖掘是挖掘机最常见和最频繁的工作之一,主要由其工作装置完成。而且随着工程机械机器人化的研究发展,液压挖掘机的自动化也逐渐成为各国的研究重点,尤其是局部自动化2；在这方面的研究中,多数工作集中在对挖掘机的工作装置进行控制。目前国外对于挖掘机工作装置控制的研究中,通常把其工作装置作为多自由度的机器手来处理,控制工作装置的末端即铲斗尖以跟踪规划好的期望轨迹,期望轨迹就被称为铲斗轨迹控制中的目标值；如：自动挖掘,自动装载等3-5。因此本文着重点就是对挖掘机定点挖掘过程中工作装置机构的动力学进行仿真6。挖掘机液压系统是由多个液压元件组成的复杂非线性系统,各液压元件间依靠液压介质进行能量的传递,同时依靠控制系统传递的控制信号实现压力、流量的控制7。对挖掘机这样的复杂液压系统进行定性和定量的仿真,依靠传统的仅用微分和差分方程的方法不能很好地模拟系统实际的各种工作性能,因此目前多采用Matlab语言的Simulink模块对挖掘机液压系统进行仿真8。而对于挖掘机这样复杂的机械系统,要想准确地控制其运动,对其进行动力学建模是必不可少的,对其机构的动力学进行仿真采用UG软件,而对其进行有限元分析我们采用Ansys软件9。挖掘机工作装置是一个具有三个自由度的平面连杆系统,分析是可按平面机构进行。普通挖掘机工作装置的结构中铲斗油缸与铲斗的连接一般有两种形式：一种是铲斗与铲斗油缸直接连接的机构形式；另一种是铲斗与铲斗油缸之间通过摇杆和连杆间接连接的机构形式10。单斗液压挖掘机在实际工作时工作装置承受随机载荷。构件的应力时间历程为一连续的准稳态随机过程。每一个工作周期都由挖掘、回转、卸载,返回等四个过程组成11。1.1.3虚拟样机技术的概念及意义挖掘机操作臂的建模与仿真,属于虚拟样机技术。虚拟样机技术是以虚拟样机和虚拟样机环境为基础,将系统工程方法、反求工程方法、优化方法、计算机建模仿真技术、计算机辅助设计技术和计算机支持协同工作、产品数据管理等有机地结合在一起,为产品的全寿命周期设计和评估提供分布式的集成环境,以达到优化整个设计周期,节约开发成本的目的12。虚拟样机技术采用数字仿真的形式进行虚拟产品设计开发,仿真模型的参数就是物理样机的设计参数,仿真模型能替代物理样机进行设计参数的测试评估。虚拟样机技术无需制造实物样机就可预见和预测产品的性能,节省了物理样机制造装配时间,减免了高昂成本的物理样机制造过程,降低了开发成本,同时减少了不合理方案盲目上马的风险13。1996年世界最大的工程机械设备制造企业caterpiller公司,在反铲装载机新样车设计过程中,曾产生了三个概念上都可行的方案,但在设计过程中采用虚拟样机技术,当技术人员坐进虚拟样机驾驶室时发现,其中有两个方案中的驾驶员无法看到反铲连杆最低位置。根据这点,不仅确定了正确的设计方案,节约了其他两个机型制造所需的费用,还减少了不合理方案盲目上马的风险。又如,John Deere 公司曾遇到工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题,采用虚拟样机技术后不仅找到了原因,而且提出了改进方案,同时在虚拟样机上得到了验证,最终应用到实际产品中14。虚拟样机技术采用数字仿真的形式进行虚拟产品设计开发,仿真模型的参数就是物理样机的设计参数,并替代物理样机进行设计参数的测试评估；无需制造实物样机就可预见和预测产品的性能,减免了高昂成本的物理样机制造过程,降低了开发成本15。因此虚拟样机技术用于液压挖掘机开发的整个过程,作为样机设计的有效手段,有助于挖掘机企业部分甚至全部摆脱对物理样机的依赖,达到缩短挖掘机设计开发周期、降低设计成本、提高设计质量、实现挖掘机现代制造模式的目的16。1.2 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段途径1.2.1 本课题要研究或解决的问题1、根据挖掘机操作臂的传动原理方案,进行运动学分析。2、挖掘机操作臂的建模与仿真分析3、采用ansys分析软件对挖掘机操作臂的主要零部件进行有限元分析,做出应力分析云图和变形图。1.2.2 拟采用的手段1、查找中外挖掘机相关资料,深入了解挖掘机操作臂的结构形式及运动状态。2、学习并利用UG,能够通过软件的方式建模仿真。UG 的建模过程： 1 确定零件结构。 2 创建三个固定基准面和三个固定基准轴!XZ 平面、YZ 平面、ZY 平面和X 轴、Y 轴、Z 轴； 3 建立草图选择XZ 平面为草图平面,用草图中的曲线命令绘制回转体剖面的形状,忽略不影响绘图标注的倒角和圆角；添加几何约束和尺寸约束使草图约束,完成草图。 4 利用草图生成回转体,完成实体模型。 5 利用仿真模块对其进行运动仿真。3、学习并利用ansys 对操作臂的主要零部件进行有限元分析。利用ansys 软件与UG 的接口,在ansys 软件中加载上面的模型。ANSYS 程序提供了使用便捷、高质量的对CAD 模型进行网格划分的功能。包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。求解模块SOLUTION 前处理阶段完成建模以后,进入分析求解模块。用ansys分析受力情况,画出应力分布图。分析根据应力变化情况加以改进,来改善操作臂的受力情况。2 挖掘机工作装置的建模仿真2.1采用UG软件对挖掘机工作装置进行建模仿真UG中有三种建模方法：实体建模、特征建模、自由曲面建模。实体建模模块继承了基于草图约束的特征建模算法,提供了强有力的复合建模工具,使用户能够充分利用传统的实体、面、线框造型优势。特征建模模块使用工厂特征定义设计信息,并提供了多种标准的设计特征,可以对这些设计特征进行参数化定义,可以对这些特征进行参数化定义。自由曲线建模用于建立形状复杂的曲面形状,例如叶片或叶轮等复杂的工业零部件的造型设计。对挖掘机的工作装置进行建模大部分采用的是实体建模的方法,个别形状复杂的零件采用了特征建模的方法。挖掘机的工作装置机械结构的三个主要部分为动臂、斗杆、铲斗。下面对这三个部分分别进行建模仿真。2.11动臂的建模 动臂的主体框架是由上盖板、下盖板、左侧板、右侧板焊接而成的箱型结构。上下盖版均由前后两块板拼焊而成,每块板都采用厚度为15mm的12MnTiN6钢板,焊接形式为45o斜线焊缝。左右侧板分别由前、后、中三块钢板拼焊而成。前、后版都采用厚度为12mm的12MnTiN6钢板,中侧板采用厚度为15mm的12MnTiN6钢板。侧板间的焊接形式为斜线焊缝。动臂与转台、斗杆联结的轴座均用ZG270-550材料铸造而成,与动臂油缸联结的轴座也是用ZG270-550材料铸造而成,在轴座四周焊有四块筋板以提高强度,上述轴座分别与箱形框架焊接成为动臂。在框架的不同位置还焊有三块筋板以提高强度。在动臂上平面的前、后部个焊有两个吊耳。以便装配盒拆卸时吊用。斗杆油缸的联接座焊在箱形框架上。图2.1动臂上盖板模型图2.2 动臂下盖板模型图图2.3 动臂下轴承支座图2.4 动臂连接座模型图2.5 动臂侧板模型图2.6 液压缸在动臂上的支座图2.7 动臂结构总成图2.1.2 斗杆主要结构及其建模斗杆的主体框架是由上盖板、下盖板、左盖板、右盖板个一块焊接而成的箱形结构。上盖板和下盖板均是厚度为20mm的12MnTiN6钢板。左、右侧板分别由前、中、后三块钢板拼焊而成。前板采用厚度为20mm的12MnTiN6钢板,中侧板采用厚度为12mm的12MnTiN6钢板,厚板采用厚度为15mm的12MnTiN6钢板。侧板见的焊接形式为斜线焊缝。与铲斗、斗杆油缸联结的轴座均由35钢管加工而成。个轴座分别与箱形框架焊合而成斗杆。图2.8 斗杆上盖板模型图2.9 斗杆下盖板模型图2.10 斗杆侧板图2.11 斗杆油缸连接座图2.12 连杆连接座图2.13 铲斗油缸连接座图2.14 斗杆装配图2.1.3铲斗部分的建模挖斗得平斗斗容为1m3。挖斗的斗体由钢板拼焊而成,斗底板上的筋板材料为A3F。斗杆连接座由35钢管加工而成,并与斗体焊接成一体。斗齿采用ZG40Mn材料铸造而成,它与斗体是通过螺栓连接起来的。图2.15 斗齿的模型图2.16 铲斗连接座图2.17 铲斗装配图2.1.4通过UG 的装配模块,约束需要装配的动臂、斗杆、挖斗相关的面平行关系和与之配对的空中心线重合,可以实现挖掘机总体的转配。图2.18 总体装配图2.2 挖掘机工作装置的运动仿真利用UG/Modeling的功能建立了一个三维实体模型后,并不能直接将各个部件按一定的连接关系连接起来,必需给各个部件赋予一定的运动学特性,即让其成为一个可以与别的有着相同的特性的部件之间相连接的连杆构件Link。同时,为了组成一个能运动的机构,必需把两个相邻构件包括机架、原动件、从动件以一定方式联接起来,这种联接必需是可动连接,而不能是无相对运动的固接如焊接或铆接,凡是使两个构件接触而又保持某些相对运动的可动连接即称为运动副。在UG/Motion中两个部件被赋予了连杆特性后,就可以用运动副Joint相联接,组成运动机构。这部分的工作在接下来进行。3 挖掘机工作装置主要结构的受力分析3.1 斗杆的计算载荷挖掘机在工作中有几个典型的工况位置。铲斗最高位置处的姿态。铲斗最高位置出现在动臂油缸全伸,斗杆油缸和铲斗油缸全缩时。 最高卸载高度处的姿态。工作装置处于最高卸载高度处,动臂油缸全伸,斗杆油缸全缩,铲斗处在垂直工作地面向下的位置,该位置挖掘机工作装置先满斗上升,到卸载位置处开始卸载,其目标是使装载车达到尽可能多的物料装载。其中涉及的运动包括:上升过程的加速与减速,卸载过程的抖动卸料及卸载完后的加速下降。 最大挖掘半径的姿态。挖掘机的设计规中,最大挖掘半径是评价挖掘能力的主要标准之一,它决定着挖掘机的挖掘围。该位置出现在斗杆油缸全缩,铲斗齿尖、斗杆与铲斗铰接点及斗杆与斗杆油缸铰接点这3 点处于同一直线上,且动臂油缸缩进使铲斗齿尖处于地面上。在该位置处,工作装置下落时,挖掘机将会产生很大的冲击力,在挖掘的过程中也将受到很大的土壤阻力。 最深挖掘位置处的姿态。此位置出现在动臂油缸全缩,斗杆与斗杆油缸铰接点、斗杆与铲斗铰接点及铲斗齿尖在同一直线上且垂直于挖掘面。该位置处,铲斗中物料较多,土壤挖掘阻力较大,大臂、斗杆与铲斗的受力都很大,同时该位置也是用于计算斗杆与铲斗的危险情况的典型受力工况位置。故反铲装置斗杆的计算位置是：1 动臂位于最低动臂油缸全缩；2 斗杆油缸作用力臂最大斗杆油缸与斗杆尾部夹角为90度；3斗齿尖位于铲斗与斗杆铰点和斗杆与动臂铰点连线的延长线上；4侧齿遇障碍作用有横向力Wk。3.2 动臂的计算载荷 动臂的计算位置是：1） 动臂位于最低动臂油缸全缩；2） 斗齿尖、铲斗与斗杆铰点、斗杆与动臂铰点三点位于垂直线上；3） 铲斗挖掘、斗边点遇障碍时。载荷计算还没有完成,正在进行之中。4 挖掘机工作装置的有限元分析4.1 有限元分析软件简介有限元分析软件近年来主要有：ANSYS、NASTRAN、MAC等,本文用ANSYS。下面对有限元分析软件ANSYS进行简单的介绍。ANSYS是20世纪70年代由ANSYS公司开发的工程分析软件。ANSYS程序是一个功能强大的灵活的设计分析及优化,融结构、热、流体、电磁声学与一体的大型通用有限元商用分析软件。可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学,轻工,地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件提供了一个不断改进的功能清单,具体包括：结构高度非线性、电磁分析、计算流体动力分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分。大应变/有限转动功能以及利用ANSYS参数设计语言APDL的扩展宏命令功能。基于Motif的菜单系统使用户能够通过对话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择,方便用户操作。在产品设计中,用户可以使用ANSYS有限元分析软件对产品性能进行防真分析,发现产品问题,降低设计成本,缩短设计周期,提高设计的成功率。ANSYS软件能与大多数CAD软件实现数据共享与交换。如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、I-DEAS和AutoCAD等,它是现代产品设计中高级的CAD/CAE软件之一。ANSYS软件的最初版本与今天的版本相比已有很大的区别,它仅仅提供了热分析及线性结构分析功能,是一个批处理程序,只能在大型计算机上使用。20世纪70年代初,非线性、子结构以及更多的单元类型的加入；20世纪70年代末,图形技术和交互式操作技术进入了一个崭新的阶段。今天ANSYS软件更加趋于完善,功能更加强大,使用更加便捷。ANSYS程序是一个功能强大、灵活的设计分析及优化软件包。该软件可浮动运行于从PC机、NT工作站、UNIX工作站直至巨型机的各类计算机及操作系统中,数据文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。其多物理场耦合的功能,允许在同一模型上进行各式各样的耦合计算,如：热-结构耦合、磁-结构耦合以及电磁流体-热耦合,在PC机上生成的模型同样可进行于巨型机上,这样就保证了所有的ANSYS用户的多领域多变工程问题的求解。ANSYS可与许多先进CAD软件共享数据,利用ANSYS的数据接口,可精确地将在CAD系统下生成的几何数据传入ANSYS,并通过必要的修补可准确地在该模型上划分网格并求解,这样可以节省用户在创建模型过程中所花费的大量时间,极提高了工作效率17。传动系统箱体在传动过程中承载量大,对其结构特性的静态分析必须有效地反映其变形情况,进而得到改进的方法。有限元法可以准确了解结构的静态特性和动态特性,因而箱体结构的有限元分析可以为解决箱体结构设计提供有效的信息。随着计算机应用技术的提高,以有限元分析技术为基础的形状优化Shape Optimization技术得到了发展,它主要研究如何确定连续体结构的边界形状或者部几何形状,以改善结构的特性。其中更多的是降低应力集中、改善应力的分布状况,提高疲劳强度、延长结构寿命。它通过改变区域的几何形状来达到某种意义上的最优。因此,利用形状优化技术对零件的整体尺寸设计后,再利用形状优化技术对零件的局部边界形状进行优化,使得设计的零件在整体结构上满足设计准则的要求,在局部区域又改善了应力分布。同时,通过形状优化不仅可以降低应力集中,更重要的是提高了材料的利用率,使载荷能够均匀分布在结构的材料上。41.1 ANSYS软件特点及主要技术特点ANSYS程序是一个功能强大的设计分析及优化软件包。与其它有限元分析软件如SAP或NASTRAN等相比,它有以下特点：1ANSYS是完全的WINDOWS程序,从而使应用更加方便；2产品系列由一套可扩展的、灵活集成的各模块组成,因而能满足各行各业的工程需要；3它不仅可以进行线性分析,还可以进行各类非线性分析；4它是一个综合的多物理场耦合分析软件,用户不但可用其进行诸如结构、热、流体流动、电磁等的单独研究,还可以进行这些分析的相互影响研究。其主要的技术特点是：ANSYS能够实现多物理场耦合分析的有限元分析软件1、ANSYS能够实现结构、温度场、流场、电磁场之间的耦合分析。对于很多工程问题,这些物理场是相互影响、相互作用的,例如温差会引起热应力、电磁感应会产生热等。ANSYS提供直接和间接两种耦合方式,直接耦合是指各使用带有多场自由度的耦合单元；间接耦合是指各物理场拥有自己的物理环境。一个物理环境中的分析结果可以作为其它物理环境的载荷或约束,耦合可以是双向的。2、 ANSYS是能实现前后处理、分析求解及多物理场统一数据库的分析软件。ANSYS将模型信息单元、节点、材料等,边界信息载荷、约束等以及后处理信息求解结果等集成在一个数据库中；在使用ANSYS进行耦合场分析时,各物理环境也共用一个数据库；这样极方便了用户的使用。3、强大的结构非线性分析功能ANSYS在结构分析中的非线性功能包括几何非线性、材料非线性、状态非线性及单元非线性。其中几何非线性包括大变形、大应变、应力刚化与旋转软化等。ANSYS提供了100余种包括橡胶、炮沫、岩石、土壤等特殊材料的非线性材料模式,提供了20余种接触类型,包括刚体对柔体、柔体对柔体接触、自接触、固联失效接触等。ANSYS提供了100多种单元类型,包括死活单元、集中质量单元、断裂单元、钢筋混凝土单元、非线性阻尼弹簧单元等,可专门模拟各种特殊问题。4、独一无二的优化功能ANSYS的设计优化允许优化任何合理参数形状、应力、自然频率、温度、磁势等等,可应用于任何类型的分析结构、热、流体、电磁,并且是唯一能够实现电磁场、流场以及耦合场优化的有限元分析软件。5、灵活、快速的求解器ANSYS提供多种求解器,以满足不同分析类型的需求。有稳定可靠的传统波前求解器,也有高速、高精度的PCG求解器,专门用语模态分析的BLOCK LANCZOS特征求解器,以及JCG、ICCG、稀疏矩阵求解器。CFD专用的TDMA、PCCR、PCG、PGMR求解器等。6、丰富的网格划分工具,确保单元形态及求解精度ANSYS支持自由网格、映射网格、智能网格、自适应网格等多种网格划分方法。可对网格的尺寸、形态等进行灵活的控制。ANSYS还提供一些特殊的网格划分功能,例如3D实体上由四边形面网格直接拖拉生成六面体网格、模拟边界层网格剖分工具、六面体自动向四面体过渡的金字塔网格等。7、支持所有软、硬件平台,且所有平台的ANSYS数据库统一,界面统一ANSYS软件与当今的计算机技术同步飞速发展,支持从PC机的WIN95到NT、UNIX工作站SGI、HP、SUN、DEC、IBM等以至CRAY这样的巨型机,而且全部支持并行计算,充分利用计算机的软、硬件资源。ANSYS是目前唯一能够做到在所有支持的软、硬件平台上界面统一、数据库统一的有限元分析软件。ANSYS的网格浮动最大程度地保护用户的软、硬件投资,也就是说,如果用户未来改善了硬件环境,只需一根网线即可在新添的硬件平台上运行ANSYS。8、ANSYS与CAD及CAE软件的接口ANSYS可提供与大多数的CAD软件的接口。例如Pro/E、CADDS、UG、CATIA、I-DEAS、MDT、SolidWorks、MicroStation等。读取这些CAD软件的图形文件或图形转换文件。ANSYS还可以直接集成在CADDS、Pro/E、UG的CAD环境中,真正作到CAD/CAE一体化。ANSYS公司还提供与其他分析软件的接口,读取这些软件的节点、单元甚至材料特性与边界条件。9、开放的ANSYS 偏曲轴少齿差行星减速器优化设计 ANSYS提供了四种方式的二次开发工具：APDL是嵌入在ANSYS部的参数化设计语言,不仅能直接调用ANSYS命令和数学函数,还拥有循环、判断等高级语言功能；UIDL是ANSYS界面开发工具,利用它可以修改菜单增加对话框等；外部命令,使用C+语言可为ANSYS编写外部命令,例如与CAD软件接口等；UPF则将用户开发的FORTRAN或C程序与ANSYS连接到一起。412 ANSYS软件功能ANSYS软件含有多种有限元分析的能力,包括从简单线性静态分析到复杂非线性动态分析。一个典型的ANSYS分析过程可分为以下三个步骤：创建有限元模型施加载荷并进行求解查看分析结构ANSYS软件功能的强大与其有着很多的模块应用是分不开的, 图4.1ANSYS的模块结构在有限元分析过程中,程序通常使用以下三个部分：前处理模块PREP7,分析求解模块SOLUTION和后处理模块POST1和POST26。前处理模块为一个强大的实体建模和网格划分的工具,通过这个模块用户可以建立自己想要的工程有限元模型。分析求解模块即是对已建立好的模型在一定的载荷和边界条件下进行有限元计算,求解平衡微分方程。包括结构分析、流体动力分析、声场分析、电磁场分析、压电分析和多物理场的耦合分析等。后处理模块是对计算结果进行分析处理,可将结果以等值线、梯度、矢量、粒子流及云图等图形方式显示出来,也可以用图表、曲线的方式输出18。42 ANSYS中的有限元分析步骤42.1 前处理前处理是指创建实体模型及有限元模型。它包括建立实体模型、定义单元属性、划分网格模型修正等几个方面的容。与CAD相类似,ANSYS以数学的方式表达结构的几何形状,可以在里面划分节点和单元,还可以在几何模型边界上方便地施加载荷,但是实体模型并不参与ANSYS的计算过程,而是ANSYS把施加在实体模型边界上的载荷或者约束传递到有限元模型上进行最终的求解。建立模型在整个分析过程中所花费的时间应该远远多于其他过程。首先必须指定作业名和分析标题也可使用ANSYS软件默认的作业名和标题,但不推荐这样做,然后使用PREP7预处理处理器定义单元类型、单元实常数、材料特性和几何模型。ANSYS程序的单元库中有超过100多种的不同单元类型,每一种单元类型都有自己特定的编号和单元类型名；当为材料选择了划分网格的单元类型时,接下来应该输入与此单元类型相关的单元常数。单元类型的实常数是根据所选的单元类型而定的；大多数单元类型在分析时都要指定材料特性,ANSYS程序可以选择的材料特性有：线性或非线性、各向同性、正交异性或非弹性、不随温度而变化或随着问题变化；接下来就可以创建几何模型,ANSYS中提供两种创建有限元模型的方法：实体建模和直接生成。可以根据自己的需要选择合适的方式来生成有限元模型。结构分析中把结构绕其轴旋转一个角度,结构与旋转前完全相同,则将这种结构称为周期对称结构。减速器下箱体结构特点是圆柱型的周期对称结构,其旋转周期=90,因此在建立箱体有限元分析模型和求解时,只对1/4箱体进行建模和分析。虽然ANSYS软件的前处理模块具有建模功能,但与其他CAD软件相比,其功能还不够强大,对于一些形状较复杂的模型,建构起来还非常困难。因此,设置了与多种CAD软件如Pro/E、UG、AutoCAD等的数据交换接口。通过这个接口,可以把模型直接传入ANSYS中,然后进行网格划分,加载求解等过程,此种方法适用于一些复杂的三维实体模型。本文采用UG和ANSYS的接口,将UG中的图形以IGES格式导入ANSYS中。因为导入过程中的数据丢失,需要对其进行一定的修补和修改。在修复完成后就可以进行网格划分,从而得到ANSYS中的有限元模型。4.22 网格划分在ANSYS程序当中,网格划分是在几何模型建立好之后,最终进行求解之前完成的,也就是说,它既可以放在加载之前,也可以放在加载之后。在ANSYS中,有限元的网格是由程序自己来完成的,用户所要做的就是通过给出一些参数与命令来对程序实行宏观调控。总的来说,ANSYS的网格划偏曲轴少齿差行星减速器优化设计46 分有两种。第一种是自由划分网格Free meshing,主要用于划分边界形状不规则的区域,它所生成的网格相互之间是呈不规则的排列的。常常对于复杂形状的边界选择自由划分网格。它的缺点是分析精度往往不够高。第二种是映射网格划分Mapped Meshing,该方法是将规则的形状如正方形,三棱柱等映射到不规则的区域如畸变的四边形、底面不是正多边形的棱柱等上面,它所生成的网格相互之间是呈规则的排列的,分析的精度也很高。但是,它要求划分区域满足一定的拓扑条件,否则就不能进行映射网格划分。而且该方法对于复杂形状的边界模拟能力较自由划分网格差。在非边界区域尽可能地采用映射网格划分,只有对于形状复杂的边界才采用自由划分网格19。当然,对于精度条件不是很高的情况下,且没有足够的时间,不妨采用自由划分网格。在对模型划分网格之前,甚至在建立模型之前,确定是采用自由free网格还是采用映射mapped网格进行分析是十分重要的。自由网格对于单元形状没有限制,并且对模型没有特定的要求。与自由网格相比,映射网格对其包含的单元形状有限制,而且要求几何模型必须满足特定的规则。在ANSYS程序的前处理当中有功能强大的自动划分网格模块MeshTool,我们可以通过该功能快捷有效地将几何模型转化为物理模型单元。在MeshTool选项下面,有绝大部分常用的网格划分功能,至于完整的网格划分功能,则都包含在Meshing里面。ANSYS中有限元网格划分过程包括3个步骤：1定义单元属性；2设置网格控制；3生成网格。对于机械结构进行有限元网格划分,从理论上来讲是任意的,但在实际工作中必须考虑到现实性及经济性,因而在划分时,必须遵循下列原则20：1所选用的单元不应使受力状态失真；1结构的简化应确保所需要的计算精度；2尽可能利用对称性、重复性,从而压缩所需的计算机存量,减少计算时间；4要选择恰当的数学模型,保证计算精度,减少计算时间,降低计算费用。本文采用自由网格划分,划分前定义单元类型为Structural Solid的Brick 10node 92单元,材料为铸钢,其材料特性参数分别为：弹性模量2.101011E/Mpa,泊松比为0.3,密度为7.85103kg/m3。423加载在ANSYS多数载荷既可施加于实体模型关键点、线和面上也可以施加于有限元模型节点和单元上。但ANSYS的求解期期望所有载荷应该依据有限元模型,因此,如果将载荷施加于实体模型,在开始求解时,ANSYS会自动将这些载荷转换到节点和单元上,当然也可以通过命令转换21。载荷施加于实体模型上有如下优点：实体模型载荷独立于有限元网格。所以可以改变单元网格而不必改变施加的载荷。与有限元模型相比,实体模型通常包括较少的实体点线面图元相对于节点和单元来讲要少许多。因此,选择实体模型的实体并在这些实体上施加载荷要容易得多,尤其是通过GUI操作时。载荷施加于实体模型上有如下缺点：ANSYS网格划分命令生成的单元处于当前激活的单元坐标系中。网格划分命令生成的节点使用整体笛卡儿坐标系。因此,实体模型和有限元模型可能具有不同的坐标系,加载的方向也会因此而不同。在缩减分析中,实体模型载荷不是很方便,此时,载荷施加于主自由度只能在节点而不能在关键点定义主自由度。不能显示所有实体模型载荷。如前所述,在开始求解时,实体模型载荷将自动转换到有限元模型。ANSYS将改写任何已存在于对应有限元实体上的载荷。载荷施加于有限元模型有如下优点：在缩减分析中,可将载荷直接施加在主节点。缺点：任何对于有限元网格的修改都将使载荷无效,需要删除先前的载荷并在新网格重新施加载荷。不便使用图形拾取施加载荷。除非仅包含几个节点或单元。4.2.4后处理后处理是指检查并分析求解的结果的相关操作。这是分析中最重要的一环之一,因为任何分析的最终目的都是为了研究作用在模型上的载荷是如何影响设计的。检查分析结果可使用两个后处理器：POST1通用后处理器和POST26时间历程后处理器。POST1允许检查整个模型在某一载荷步和子步或某一特定时间点或频率的结果。POST26可以检查模型的指定节点的某一结果项相对于时间、频率或其他结果项的变换。需要注意的是ANSYS的后处理器仅是用于检查分析结果的工具。要判断一个分析的结果是否正确,或者对结果进行解释,仍然需要工程判断能力。4.3挖掘机操作臂的有限元分析1设置分析标题：选择菜单路径Utility MenuFileChange Title. 输入文本信息,可以随意填写自己明白的名称,单击OK. 2定义单元类型选择路径Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delet,单击ADD。图4.2 定义单元类型对话框在左侧的滚动框中选择Structural Solid. 在右侧的滚动框中选择Brick 8node 45,单击OK并关闭单元类型库。3定义材料特性选择路径Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models,打开Define Material Model Behavior材料属性对话框。图4.3 定义材料属性对话框在Material Models Available窗口中双击下面的路径StructuralLinearElasticIsotropic,如图4.5所示,在弹性模量一项中输入2.10e11,在泊松比一项中输入0.3,单击OK。图4.4 定义Isotropic在图4.4中双击Density,得图4.6在密度一项中输入7.85,单击OK。图4.5 定义材料密度选择MaterialExit,退出此窗口。4模型导入选择路径Utility MenuFileImportIGES,浏览选择从UG中导出后保存的文件并打开。图4.6 动臂导入模型 图4.7 斗杆导入模型通过菜单Main MenuPreprocessorModelingMove/Modify对模型进行一定的修补。5网格划分选择菜单Main MenuPreprocessorMeshingMeshTool,选择Smart Size,激活职能划分网格功能,选其下方的滚动条为10级。图4.8 网格划分单击Mesh,得图5.8,选整个几何模型进行网格划分。取Mesh中的Smart Size选项激活职能网格划分功能,通过滑动条选10级划分,使网格划分速度比较快。图4.9 动臂网格划分图4.10 斗杆网格划分6加载并求解选择路径Main MenuSolutionAnalysis Type,选择Static选项并单击OK选择路径Main MenuSolutionDefine loadsApplyStructuralDisplacementON Areas选取零位移约束面对话框,施加的零位移约束. Main MenuSolutionDefine loadsApplyStructuralPressure,选取载荷面施加承受力表面的均布载荷.图4.11 动臂加载图4.12 斗杆加载 Main MenuSolutionSolveCurrent LS,开始计算。7读取结果选择路径Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsNodal Solu。图4.15 动臂应力图图 4.16 动臂与斗杆油缸支座处的应力云图图4.17 动臂油缸与动臂连接处的应力云图图4.18 斗杆应力图动臂和斗杆的变形图分别如下面两图所示图4.19 动臂变形图应力图图4.20 斗杆变形图对分析结果进行总结：动臂的最大位移为48.2mm,位于动臂与斗杆连接处。动臂最大应力点位于斗杆缸支座处,为366MPa,动臂油缸与动臂连接处的应力存在应力集中。斗杆在所加载荷作用下最大位移为4.73mm,位于斗杆与挖斗连接处。最大应力位于铲斗缸支座上圆弧过渡处,为133MPa。挖掘机动臂的改进方案:1动臂上斗杆缸支座修改结构支座外形为直线对动臂总体的应力分布无明显影响,但支座上的最大应力点由原圆弧处变动到支座与上盖板连接处,同时应力降为325MPa。图4.21 动臂修改结构1的局部应力分布2动臂上斗杆缸支座修改结构支座外形为大圆弧曲线对动臂总体的应力分布无明显影响,同时支座上的最大应力点仍位于圆弧处,但应力降为321MPa。图4.22 动臂修改结构2的局部应力分布结论毕业设计之中建模部分比较简单,其中几个别的难的零件在别人的帮助下完成,装配部分也是难点。重要的运动仿真与有限元分析是在他们的帮助之下完成的。这些东西的确值得去学习应用。参 考 文 献1 炳儒. 基于在机理的知识发现理认及其应用M. ：电子工业,20042 ,郝鹏,何清华. 液压挖掘机铲斗轨迹控制J. 建筑机械,2005,：61-63.3 Sung-Uk Lee and Pyung Hun Chang. Control of a heavy duty roboticexcavator using time delay control with switching action with integralsliding surface C. 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