挖掘机动臂有限元分析与优化设计论文

.硕士学位论文 挖掘机动臂有限元分析与优化设计56 / 62摘要工作装置是液压挖掘机的重要部件，对挖掘机性能有着十分重要的影晌。国外 工程机械企业都十分重视工作装置的设计。要使工作装置的结构件设计得到比较可靠 而又经济的结构尺寸和形状，就必须采用先进的设计手段。而借助计算机硬件和软件 技术用是实现设计优化的重要途径。本文首先分析了挖掘机的市场需求和技术现状，提出了提高挖掘机产品质量的重 要性和意义。通过挖掘机工作装置设计的分析技术介绍，针对挖掘机动臂设计存在问 题，引出了挖掘机工程分析的有关理论，阐述了运动仿真和有限元分析的方法和步骤。本文提出了运动仿真的方法，在不同工况和载荷组合下对动臂指定部位进行应力 普查分析，然后根据分析结果，从中选出对结构强度影响最大的工况和载荷，作为下 一步有限元分析的工况和载荷。并根据有限元分析结果对动臂结构进行设计优化。然 后以CLG806动臂为例，阐述了在设计过程中，如何利用有限元方法分析动臂的应力分 布、发现设计中的问题并与时解决，成功地对其动臂结构进行优化设计，从而缩短设 计、研发时间，降低设计过程中对物理样机的依赖程度，降低开发成本。并将有限元 方法推广运用到其它老产品动臂设计改进与新产品结构件设计优化中去，从而提高产 品结构件的可靠性，取得了良好的运用效果，为企业创造了良好的经济效益和社会价关键词：挖掘机动臂仿真有限元优化设计AbstractWorking equipment is the key component of the hydraulic excavator, it plays a great influence on excavators performance. And the importance of its design has raised by the domestic and abroad construction machinery enterprises. So advanced technologies must be applied to design the device which make its structure dimensions and shape be reliable and economical. And aiding by the computer hardware and software technologies is the most important way to realize the design optimization.Firstly, this thesis analyzes the market demand for excavators and gives the importance and meanings on improving excavator manufacturing quality. With introduction to the analysis of excavator working devices design, the problems companying with the boom design is presented and the theory of excavator engineering analysis is discussed. And then the methods and steps using movement simulation and finite element analysis are well elaborated.A new computer simulation method is figured out in this thesis. With the simulation, general stress on the appoint position of boom which various operating status and loads is put on are investigated, and the corresponding operating status and loads will be use for Finite Element Analysis in next phrase. And then the optimization design for the structure of boom is took place according to the Finite Element Analysis9s result.The boom of CLG806 excavator is took as example. With the analysis of the stress distribution using Finite Element Analysis, the problems during design phrase are found and then the boom structure is succeeded to optimize. By this application, the RD time is shortened，the cost is saved and the dependence to the prototype is reduced. With the method which optimize design using the Finite Element Analysis is greatly promoted into the development of new products and the evolvement of the old products，the reliable of products structure is raised, and considerable economical values is gained.Keywords: Excavator Boom Simulation Finite Element Design Optimization独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作与取 得的研究成果。尽我所知，除文中己标明引用的容外，本论文不包含任何其他 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:日期：2006年4月日学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。,在年解密后适用本授权书。 本论文属于Z 不isT(请在以上方框打“V”）学位论文作者签名：指导教师签名;日期：2006年i月日1 绪论文论位学士硕学大科中华1.1前言近年来国家基本建设的加速发展，工程机械市场火爆，为工程机械生产商提供了发 展的机遇。挖掘机是工程机械中的一个主要机种，是土石方施工工程中的主要机械设备 之一，在国民经济建设的许多行业里被广泛采用，如在工业与民用建筑、交通运输、水 利电力工程、农田改造、矿山采掘以与现代化军事工程等行业的机械化施工中。特别是 最近几年来，挖掘机是整个工程机械行业中产、销量增长最快的一个机种。随着国民经 济的高速发展，挖掘机在各种工程建设领域，特别是在基础设施建设中起的作用越来越 明显，挖掘机作为一种快速、高效的施工作业机械愈来愈被人们所接受。据统计，工程 施工中约有60%以上的土石方量是靠挖掘机来完成的，在国家基本建设中发挥着其他工 程机械产品所不能替代的作用，其国市场迅猛增长，2002年销量达19710台，年增长 率约为59/。2003年猛增到32862台，年增长率约为66%。但是，其中，国外合资企业的 市场占有率在8590%;而国企业的市场占有率仅占1015%。市场占有率如此之大的 合资企业与外资企业，给国挖掘机企业带来了严峻的挑战。如何提高国企业挖掘机 的市场占有率，成为当今国所有挖掘机企业的首要任务。1.2国挖掘机的发展状况和柳工挖掘机现状从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。早在七十年代末期，中国开始研究挖掘机，1978年至1986 年期间国液压挖掘机平均年产量为1230台，1987年至1993年期间国挖掘机平均 年产量为2000台，从1994年开始逐年的产量提高见下表1-1:表1-1中国工程机械挖掘机逐年产量情况调查表年份1994199519961997199819992000200120022003年销量2141236322343293423859887926123971971032862增长率（)10-4-5.547,428.74h232.456.46059,066.7从表1-1可以看出：中国的挖掘机年产量1996年开始进入一个较快的发展时期， 年增长由小于10%跨越为大于20%; 2000年以后又实现了一个新的跨越，即由原来的 年增长小于40%,实现了年增长大于50%;在统计数据中看，10年的时间翻了近四番。 国挖掘机市场的迅猛增长，与我国的西部开发战略，如西气东送，南水北调工程，高速公路的快速建设等国家重点建设项目息息相关 而年产量的提高，又与国外著名 工程机械公司纷纷在中国创建合资企业密切相关,这些著名的企业有：卡特（美国）、 神钢（日本)、现代（国）、日立（日本)、小松山推（日本)、斗山 (国）；国生产的公司有：柳工、黄工、三一重工、宣工、临工、玉柴、山河智能 与南特为代表的国企业但国外合资企业的市场占有率在8590%;而国企业的市 场占有率仅占1015%;国企业为什么市场占有率如此之低，不能在挖掘机的市场竞 争中与合资或独资企业相提并论，究其原因国企业大部分进入这个彳宁业的时间较晚， 起点也较低，技术研发能力与国外有一定的差距4；多数是在生产装载机技术的基础上 来生产挖掘机的，导致技术落后，与合资企业的差距较大，具体表现在产品的可靠性方 面，特别是工作装置结构件的可靠性方面，如动臂的断裂、斗杆的断裂、铲斗的开裂等 成为制约国产企业提高知名度和市场占有率的最大障碍。因此，解决挖掘机结构件的可 靠性，成为提高国产挖掘机设计制造水平的首要问题。文论位学士硕学大技科中华柳工从1992年生产第一台挖掘，至今已有十余年的历史，尽管挖掘机市场从最初 的几百台增加到现在的几万台，但柳工的产销量却一直没有突破1000台，究其原因是 产品的可靠性低，用户的认可度低。近年来，柳工高层意识到，面对强大的国际竞争对手，柳工必须以全新的观念来对 待挖掘机。零部件不但寻求专业配套，而且从单一国配套转向国际协作的设计思想上 来。康明斯发动机，日本东芝阀、川崎泵、帝人行走马达、KYB的液压油缸等高品质配 套，都使产品的性能与可靠性均有大幅度的提高。但是，自制结构件的质量与可靠性不高却严重制约了整机水平的提高。尤其以工作 装置结构件表现得最为突出，与先进的配套件形成极大的反差，严重地影响了柳工产品 的市场形象与柳工品牌的建设，同时也大大增加了产品的售后服务的成本。究其原因主要是挖掘机技术研发能力较低，设计技术水平落后，设计主要采取类 比试凑等传统方法。这种低水平的设计方法存在着很多问题，其中最主要的是工作装 置结构件强度等方面的问题。因为类比试凑法在一定程度上存在盲目性，容易形成 设计中的“人为”应力集中点，造成机构整体强度的削弱甚至破坏。按这种设计生产出 的产品，外观上看上去很强壮，刚性很好，但却存在潜在或在的设计缺陷5，使用过 程中常因工作装置结构强度等原因产生幵裂，甚至断裂，致使整个构件报废，造成重大 经济损失。随着国际化的步伐越来越快和国外配套市场的开放，给国挖掘机提供了前所未有 的机遇，柳工高层也意识到柳工要在竞争中处于有利地位，就必须不断地开发新产品， 以最快速度占领市场来满足客户的需要。传统的设计方法和设计体制很难适应现代化生 产的需要，企业必须利用各种计算机设计软件和分析软件来提高产品设计能力6，缩短 产品研制周期，提髙产品性能，改造传统产业，提高企业的技术创新能力和技术实力7。1.3挖掘机工作特点和工作装置设计要求1.3.1. 单斗液压挖掘机的特点单斗液压挖掘机是装有一只铲斗并采用液压传动进行挖掘作业的机械它是目前挖 掘机中重要的机种8。单斗液压挖掘机的作业过程是以铲斗（一般装有斗齿）的切削刃切削土壤并装入斗 ，斗装满后提升，回转至卸土位置进行卸土，卸空后铲斗再转回并下降到挖掘面进行 下一次挖掘。当挖掘机挖完一段土后，机械移动一段距离，以便继续作业。因此单斗液 压挖掘机是一种周期作业的自行式土方机械9。每一作业循环包括挖掘、回转、卸料和 返回等四个过程。挖掘时先将铲斗向前伸出，动臂带着铲斗落在工作面上，然后铲斗向 着挖掘机方向拉转，铲斗在工作面上挖出一条弧形挖掘带并装满土壤。随后将铲斗连同 动臂一起升起，上部转台带动铲斗总成与动臂回转到卸土处。将铲斗向前推出，使斗口 朝下进行卸土。卸土后将动臂与铲斗回转并下放至工作面，准备下一循环的挖掘作业u1.3.2. 单斗液压挖掘机的基本组成单斗液压挖掘机为实现周期性作业的要求，设有下列基本组成部分：工作装置、回 转装置、动力装置、传动操纵机构，行走装置和辅助设备等。挖掘机的基本性能决定于 各组成部分的构造、性能与其综合的效果。1.3.3. 常见挖掘作业方式反铲挖掘机的基本作业方式有沟端挖掘、沟侧挖掘、直线挖掘、曲线挖掘、保持一 定角度挖掘、超深沟挖掘和沟坡挖掘等1()。沟端挖掘挖掘机从沟槽的一端开始挖掘，然后沿沟槽的中心线倒退挖掘，自卸车停在沟槽一 侧，挖掘机动臂与铲斗回转40。-45即可卸料。如果沟宽为挖掘机最大回转半径的两倍时, 自卸车只能停在挖掘机的侧面，动臂与铲斗要回转90。方可卸料。若挖掘的沟槽较宽，可 分段挖掘，待挖掘到尽头时调头挖掘毗邻邦的一段。分段开挖的每段挖掘宽度不宜过大, 以自卸车能在沟槽一侧行驶为原则，这样可减少作业循环的时间，提高作业效率。沟侧挖掘沟侧挖掘与沟端挖掘不同的是，自卸车停在沟槽端部，挖掘机停在沟槽一侧，动臂 与铲斗回转小于90可卸料。沟侧挖掘的作业循环时间短、效率高，但挖掘机始终沿沟 侧行驶，因此挖掘过的沟边坡较大。直线挖掘文论位学士硕学大技科中华当沟槽宽度与铲斗宽度一样时，可将挖掘机置于沟槽的中心线上，从正面进行直线 挖掘。挖到所要求的深度后再后退挖掘，直至挖完全部长度。利用这种挖掘方法挖掘浅 沟槽时挖掘机移动的速度较快，反之则较慢，但都能很好地使沟槽底部挖得符合要求。曲线挖掘挖掘曲线沟槽时可用短的直线挖掘相继连接而成。为使沟廓有圆滑的曲线，需要将 挖掘机中心线稍微向外偏斜，同时挖掘机缓慢地向后移动。保持一定角度的挖掘保持一定角度的挖掘方法通常用于铺设管道的沟槽挖掘，多数情况下挖掘机与直线 沟槽保持一定的角度，而曲线部分很小。超深沟挖掘当需要挖掘面积很大、深度也很大的沟槽时，可采用分层挖掘方法或正、反铲双机 联合作业。沟坡挖掘挖掘沟坡时将挖掘机位于沟槽-侧，最好用可调的加长斗杆进行挖掘，这样可以使 挖出的沟坡不需要作任何修整。1.3.4.工作装置的工作原理和基本组成工作装置采用连杆机构原理，各部分的运动通过液压缸的伸缩来实现。液压挖掘机最普遍使用的是反铲工作装置。它由动臂、斗杆、铲斗、动臂液压缸、 斗杆液压缸、铲斗液压缸、连杆、摇 杆等组成（如图1-1)。各部件之间的 联系全部釆用铰接u。动臂下铰点铰 接在转台上，并以动臂缸来支承，通 过动臂缸的伸缩，使动臂连同整个工 作装置绕下铰点转动。斗杆铰接于动 臂上端，斗杆与动臂的相对位置由斗 杆缸控制，当斗杆缸伸缩时，斗杆可 以绕动臂上铰点转动。铲斗与斗杆前 端铰接，通过铲斗缸伸缩使铲斗绕斗 杆前铰点转动图1-1工作装置结构图文论位学士硕学大技科中华13.S.工作装置的设计要求挖掘机工作装置的可靠性对整机性能影晌很大n3L挖掘机在工作过程中，其工作回 转中心是沿着履带行走机构的回转中心进行工作的，其工作的稳定性取决于动臂、动臂 油缸、斗杆油缸、斗杆、翻斗油缸、铲斗等组合成的悬臂组件的重量若这部分的组 件较重，虽满足了结构强度剩余的需求，但回转贯性对回转机构的可靠性的影晌也是不 言而喻的，工作装置重量过大会使其工作能力下降，故为了满足其工作能力最大限度的 发挥，就应该考虑到在满足结构设计强度的前提下，尽量减轻这部分悬臂组件的结构设 计重量、减薄其板件板厚。所以如何使这部分结构件的设计达到最经济合理而又可靠是 我们工作装置设计时首先要考虑的。1.4挖掘机动臂存在问题本课题是在2002年下半年开始幵展的，由于挖掘机工作装置结构件的外反馈较高f严重的影响了市场的销售。2002年柳工年产量WY20型挖掘机仅121台，根据市场反馈统 计，动臂局部断裂就有26台之多，市场反馈率2L5%。更为严重的是CLG 906试制样机在 试验过程中动臂就出现了开裂，严重地拖延了该产品的小批量生产和市场导入的进度。1.4.1.挖掘机动臂的作业工况图1-3挖掘机承受侧向载荷的作业环境挖掘机是长期在较为恶劣的工作环境下工作的，市场对产品的可靠性要随着经 济发展建设的步伐加快而提高，开山劈石所用的振动破碎头（见图1-2)，其工况的恶劣 程度可想而知。传统上，釆用爆破方式将山石炸成碎块，装运拉走完成作业，期间有较 大的石块直接用振动破碎头破碎，导致其动臂、斗杆承受较大的振动疲劳载荷。图1-2装有振动破碎头的挖掘机文论位学士硕学大技科中华根据长期的用户实际作业观察，挖掘机在山区修路的作业环境下，其工作对象往往 是山坡上的原生土、山石，作业方式是沟坡作业，它的主要受力部件动臂、斗杆，在承 受挖掘载荷的同时，还要承受来自于沟坡的侧向载荷（见图1-3)，因而要求主要受力部 件的抗弯、抗扭的能力较强。1.4.2.挖掘机动臂的失效形式和部位无论是装有破碎头的、还是在沟坡作业的挖掘机，其主要受力元件，均是在承受着 交变载荷，即挖掘时受载荷作用而使构件的应力加大，卸载时外力释放而使构件的 应力减小，如此周而复始的工作，导致主要受力元件在应力集中区 产生裂纹，最终使主要受力元件断 裂失效，使整机无法工作，不但给 用户带来耽误工期所造成的经济 损失，严重时还会造成设备、人身 安全事故。往往用户的作业地点远 离能够维修场所，更换备件相当困 难，受到用户抱怨，严重影响产品 的市场竞争能力。图挖掘机受力结构件的失效形式动臂的失效形式以断裂为主，失效部位易发生在应力集中区，交叉焊缝处（如T形 焊缝处）和结构截面突变部位。1.5论文的目的近年来，挖掘机在国家基本建设中发挥着其他工程机械产品不能所替代的作用，其 国市场迅猛增长，2002年销量达19710,年增长率为59%。但国外合资或独资企业产 品的市场占有率在8590%,而国企业的市场占有率仅占1015%。这是甶于国企 业大部分进入这个行业的时间较晚，技术研发能力较低、制造技术水平落后，特别是工 作装置结构件的可靠性方面存在较大问题，如动臂的疲劳、斗杆的疲劳断裂等。而结构 件的可靠性，从力学角度讲，就是结构件的强度、刚度、稳定性要满足使用工况的要求。 本课题所取得的研究成果在提高工作装置结构强度和减少应力集中方面得到了较好成 效。从现场施工表现看，在结构件可靠性方面达到或超过了国同类产品的品质，并向 日美同类产品靠近。以柳工挖掘机近两年来在国市场占有率稳步上升，可为侧证。液压挖掘机工作装置的动臂、斗杆为了实现等强度设计与对危险截面和应力集中部位的加强作用，一般设计成不规则的箱形焊接结构16。而我们以往在进行产品开发时， 对动臂、斗杆的强度计算，通常采用材料力学的方法，把动臂、斗杆假定为梁，计算若 干截面的弯曲强度。但由于动臂、斗杆结构与理想梁相差甚远，且在工作时通常承受拉 (压)、弯、扭等几种外力，断面应力分布十分复杂17。，按梁来计算显然会有较大的误 差，并且这种方法无法反映结构整体的变形和应力情况，难以指导设计1S。文论位学士硕学大技科中华随着世界先进水平的液压挖掘机纷纷涌入中国，柳工等国挖掘机制造商以传统设 计方法和制造工艺生产出来的挖掘机其可靠性差的缺点被暴露出来。本课题关于现代设 计方法在挖掘机结构件设计中的具体应用，使柳工在挖掘机结构件设计方面达到了一个 新的水平，基本满足了与狼共舞的阶段性要求。当然，用有限元法解决结构件强度设计 方面的问题，只是现代设计方法在柳工产品设计中的初步应用，随着更多现代设计方法 被研究和应用，我们有信心使柳工的产品设计水平达到更高的高度。在对CLG 906液压挖掘机试制样机进行改进设计时，釆用有限元方法来计算动臂 和斗杆的强度，以准确校核其强度，评倍设计的合理性。在本文后续章节中将以CLG 906 液压挖掘机的动臂为例，来具体说明有限元法在挖掘机结构件设计中的应用。1.6论文的主要容在本文中，详细介绍了挖掘机工作装置的设计分析技术，挖掘机工程学分析、运动 仿真，强度计算和结构优化和有限元法和分析步骤，以与如何运用计算机软件对挖掘机 的动臂进行有限元分析的过程以与相关的技术难点和解决办法。首先利用挖掘机运行仿 真模拟挖掘机各种作业工况，找出动臂的最不利工况作为有限元分析的计算工况，然后 利用有限元分析软件分析动臂在此计算工况下的应力分布。最后对分析结果进行评价， 并对动臂结构进行改进，以与改进后的再分析。1.7论文的主要组成本文分成以下六个部分进行介绍：第一部分：绪论，通过分析国挖掘机市场的发展状况和柳工挖掘机现状和动臂存 在问题，以与传统设计方法的盲目性，提出了论文研究的主要性和必要性，阐述了课题 的研究目的和主要工作；第二部分；简要介绍工作装置的工程分析计算和有限元分析方法与其相关理论； 第三部分：挖掘机动臂计算方法研究；第四部分.利用挖掘机辅助设计程序系统和有限元分析动臂的应力分布，评价动臂结构的合理性，并根据分析结果对动臂结构进行改进，并对修改后的结构进行再分析和 评价；文论位学士硕学大支科中华第五部分：有限元设计方法的效果评估；第六部分：总结与展望，总结了全文，并对成果运用做了展望。2 挖掘机工作装置设计的分析技术2.1 挖掘机的工程分析计算文论位学士硕学大技科中华挖掘机的工程分析包括：挖掘机运动仿真、动力学分析和主要结构件的强度计算 和结构优化设计等。工程分析在提高产品性能和质量过程中的重要作用越来越多地 被企业和研究部门所认识，可以帮助设计人员在新产品建造和成型之前，在产品开发的 早期就能了解产品的有关特性、整体质量水平、可靠性和安全性，发现设计中的问题， 并与时解决，可缩短设计、研发时间，降低产品开发过程中对物理样机依赖程度，降低 产品开发成本2.1.1.挖掘机的运动仿真和动力学分析在设计阶段，对生成的挖掘机的零部件和整机的三维实体给出边界约束、动约束和 施加工作载荷等计算参数输入计算机，在物理样机没有进行制造前用计算机就能十分完 善和精确地仿真分析出挖掘机的运动规律，如运动仿真、运动轨迹、位移、速度、加速 度、力、力矩等参数计算和干涉检查，从而把从前需要数月才能完成整机实体物理实验， 缩短到数小时就能在计算机上完成2U2。2.1.2*强度计算与结构优化在挖掘机主要结构件设计时，设计人员关心的是结构件的安全系数、应力分布、变 形大小、固有频率等。为了使计算准确，应准确地确定：（1)挖掘机实际工作载荷；（2) 结构件不利工作位置；（3)机构计算模型的精确描述；（4)正确的计算方法。采用有限 元法，对挖掘机各部件进行静力学分析、动力学分析和结构优化。静力学分析用来求解 结构与时间无关的静力学载荷作用下的响应，并得出所需节点的位移、节点力、单元力、 单元应力和应变等23。动力学分析不同于静力学分析，常用来确定动载荷对整个结构和 部件的影响包括一般模态与复特征值分析,频率与瞬时响应分析等241通过动力学分析， 得到挖掘机工作机构固有的特性，为结构的设计和修改提供依据。设计人员通过结构的有限元分析计算结果，在图纸设计阶段就可找出挖掘机结构件 设计中潜在的缺陷和不足，根据这些缺陷和不足，再转入优化模块，根据设计要求，给 出结构优化的目标函数、约束条件、性能条件，对结构进行化设计25，对原有设计缺 陷或不足进行修改，得到最佳的结构和外形。这样在设计初期，设计人员就可借助于结 构优化模块进行结构的优化设计，缩短了样机制造一测试改进再制造的研制周期，降低了产品研发的成本，同时也使产品尽快的推向市场，加快了市场产品的更新换 代。文论位学士硕学大技科中华2.2有限元概述随着现代科学技术的发展，人们正在不断建设更为快速的交通工具、更大规模的 建筑物、更大跨度的桥梁，更大功率的发电机组和更为精密的机械设备&这一切都要求 工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术性能，需要对结构的静、动力强 度以与温度场、流场、电磁场等技术参数进行分析计算。近年来在计算机技术数值分析 方法支持下发展起来的有限元分析方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了 有效的途径26。在工程实践中，有限元分析软件与CAD系统的集成应用使设计水 平发生质的飞跃。有限元方法（FEM)作为一种非常有效的数值方法，已为工程界所普遍接受和广 泛使用28。经过几十年的发展，FEM从建模、求解到程序实现，都取得了重大进展。 尤其是随着计算机软硬件技术的发展和有限元分析软件的逐渐改进，FEM的分析功能 和分析效率日益提高，在结构工程中，FEM更是一种不可少的分析工具291。目前，在 工程结构和机械系统与其他各类工程问题的数字建模、分析、设计、仿真等各方面都发 挥着非常重要的作用。80年代后，由于数值方法的发展和一些复杂工程问题数值求解的需要，逐渐出现 并形成了一些新的有限元处理方法。如自适应有限元方法、随机有限元方法、并行有限 元方法、智能型有限元方法、超级有限元方法等。这些先进思想方法的发展，逐步克服 了传统的FEM在物理建模、计算效率和分析精度等方面所存在的一些不足。2.2.1.有限元法起源有限元法的基本思想最旱出现于20世纪40年代初期，但是直到1960年，美国的 克拉夫在一篇论文中首次使用“有限元法”这个名词1。在20迸纪60年代末70年代 初，有限单元法在理论上己基本成熟，并开始陆续出现商处化的有限元分析软件。有限元法的出现与发展有着深刻的工程背景。20世纪4050年代，美、英等国的 飞机制造业有了大幅度的发展，随着飞机结构的逐渐变化，准确地了解飞机的静态特性 和动态特性越来越显得迫切，但是传统的设计分析方法己经不能满足设计的需要，因此 工程设计人员便开始寻找一种更适合分析的方法，于是出现了有限单元法的思想。有限单元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元31，并在每一个单元中 设定有限个节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体；同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一近似插值函数以表示单元中场函 数的分布规律；进而利用力学中的某些变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元法 方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的有限自由度问题。一经求 解就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数。 有限元求解程序的部过程可从图2-1中看出。图2-1有限元程序图文论位学士硕学大技科中华由于单元可以设计成不同的几何形状，因而可灵活地模拟和逼近复杂的求解域。显 然，如果插值函数满足一定要求，随着单元数目的增加，解的精度会不断提高而最终收 敛于问题的精确解。虽然从理论上说，无限制地增加单元的数目可以使数值分析解最终 收敛于问题的精确解，但是这却增加了计算机计算所耗费的时间。在实际工程应用中， 只要所得的数据能够满足工程需要就足够了，因此，有限元分析方法的基本策略就是在 分析的精度和分析的时间上找到一个最佳平衡点。2.2. 2,有限元常用术语(1)单元结构单元的网格划分中的每一个小的块体称为一个单元。常见的单元类型有线段 单元、三角形单元、四边形单元、四面体单元和六面体单元几种。由于单元是组成有限 元模型的基础，因此单元的类型对于有限元分析是至关重要的。一个有限元程序所提供 的单元种类越多，这个程序的功能则越强大。(2) 节点确定单元形状的点就叫节点。例如线段单元只有两个节点，三角形单元有三个或者 六个节点，四边形单元至少有四个节点等。(3) 载荷工程结构所受到的外在施加的力称为载荷。包括集中力和分葙力等。在不同的学科 中，载荷的含义也不尽一样。(4) 边界条件边界条件就是指结构边界上所受到的外加约束。在有限元分析中，边界条件的确定 是非常重要的因素。错误的边界条件的选择往往使有限元中的刚度矩阵发生奇异，使程 序无常运行。施加正确的边界条件是获得正确的分析结果和较高的分析精度的重要 条件。2.2.3. 有限元具体分析过程(1) 结构的模型化指从现实物理对象中抽象出反映结构行为特征的理想化数学模型3涉与多个层 次，包括根据对物理问题的理解抽象出物理模型并转化为适当的计算力学模型。即包括 物理模型化和数值模型化两个阶级33。在物理模型化阶段，需确定结构的所有典型的物 理特征与基本的力学特征，识别主要载荷等。在数值模型化阶段，需定义结构的几何形 状，选择表达结构物理行为特征的数学描述与模型的离散化。由于FEM不受几何形状 和边界条件与材料特征的限制，因而适用性很强。(2) 模型的求解完成数值模型的求解，涉与计算方法、分析软件与模型参数的选择和大量代数方程 的求解运算34。数值模型求解还包括有限元的精度估计与据此修改模型后的重新求解。(3) 有限元解的解释评价与模型修改解释评价是将有限元数值结果与原问题的物理征联系起来验证模型中的假设与结 果的合理性，一般首次有限元解很少能满足要求，通常需根据检验结果或设计要求修改 数值模型，以得到满意的结果。2.2.4. 有限元先进算法(1) 自适应有限元方法文论位学士硕学大技科中华自适应有限元方法是一种能通过自适应分析自动调整算法以改进求解进程的数值 方法3可根据求解的精度要求和误差容限自适应选择有限元网格和形函数阶次。它以 传统的FEM为基础，以误差估计和自适应网格改进技术为核心，是通过有限元网格和 形函数的自动选择提高求解的精度和效率。自适应FEM的发展，极提高了有限元数值分析的效率和精度。它和CAD、优 化设计、计算机可视化等先进技术的结合，使工程设计的自动化程度大提髙。已成为 FEM发展的一个重要方向。目前对线性问题自适应性的研究已较为成熟。对非线性问 题的研究还较少。随着非线性工程问题的日益突出，在此领域发展自适应技术非常必要， 也很有意义。(2) 随机有限元方法随机有限元方法是一种利用常规的确定性FEM和概率分析技术求解随机结构问题 的随机数值方法36。它可以考虑材料特性、几何特性、作用载荷等客观上的随机可变性。 即在物理建模上将客观不定性描述为随机量，建立的是随机模型。其分析过程主要包犄 随机结构的离散和随机有限元控制方程的求解，最终目的在于估计结构的可靠性。随机有限元在物理建模上更加符合客观实际。在模型级合理处理有关随机效应，将 使结构的分析、设计更加合理9(3) 并行有限元法随着计算机技术的发展，80年代出现了采用新型体系结构的大型并行计算机和可 作并行处理的微机网格，使计算机的运算速成度有了大幅的提高。同时，各种数值分析 算法的并行化得到快速发展。为适应并行机的优点，逐渐形成了并行有限元算法37。并行有限元的发展在于提高有限元分析的运算速度。由于工程非线性问题瞬态问题 和大型复杂结构的分析非常耗时，在这些领域研究和应用并行有限元很有意义38。(4) 智能型有限元方法一般指以计算力学和特定工程领域的集体知识为依据的有限元专家系统，是集模型 化过程、有限元分析和解释评价于一体的智能化分析系统。目前的专家按其功能分，可 包括智能化前端系统和模型化系统两类。智能化前端系统主要帮助用户根据问题的物理 特性进行分析决策、准备输入文件、选择适当的求解方法和软件等。模型化系统则帮助 用户根据问题的拓扑特性和载荷特性，模型化物理问题，建立有限元模型，并结合前端 系统生成输入文件。(5) 超级有限元法超级有限元法是将原多构件系统假设为连续体,按实体用传统有限元的离散方法离 散结构，使每个单元含大量构件，同时选取总体自由度。再对每个构件进行一般有限元 分析39。由于结构离散所形成的每个单元中包含大量构件，因而称为超级元，超级单元 任一点的力学量和所有部构件的自由度被总体自由度所约束，可将所有部自由度 转化为系统的总体自由度求解。从而可有效地降低求解模，减少计算工作量。文论位学士硕学大技科中华2.2.5.有限元分析软件介绍(1) ALGOR作为世界著名的大型通用工程仿真软件，被广泛应用于各个行业的设 计、有限元分析、机械运动仿真中包括静力、动力、流体、热传导、电磁场、管道、工 艺流程设计等，能够帮助设计人员预测和检验在真实状态下的各种情况，快速、低成本 完成更安全更可靠的设计项目。ALGOR以其分析功能齐全，使用操作简便和对硬件的要 求低，在从事设计分析和科技工作者中享有盛誉。作为中高档CAE分析工具的代表之一， ALGOR在汽车、电子、航空航天、医学、日用品生产、军事、电力系统、石油、大型建 筑以与微电子机械系统等诸多领域中均有广泛应用。工程师们通过使用ALGOR进行设 计，虚拟测试和性能分析，缩短了产品投入市场的时间，并能以更低的成本制造出优质 而可靠的产品。(2) ANSYS程序是美国ANSYS公研司制的大型有限元分析软件，现在已发展成为 全球围一个多用途的设计分析软件。ANSYS程序是一个功能强大的设计分析与优化软 件包。ANSYS是完全的WINDOWS程序，从而使应用更加方便，产品系列由一整套可扩展 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。不仅可以进行线性分析， 还可以进行各类非线性分析，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4()，41。23挖掘机工作装置设计方法现状分析随着科学技术的发展各种分析技术和分析软件的发展，挖掘机的设计水平发生了质 的飞跃。但是我公司挖掘机的设计却没有跟上科学技术的发展，尤其是工作装置的设计 非常落后。多年来，工作装置的设计一直釆用类比法，这种设计方法在一定程度上存在着盲目 性，容易形成设计中的“人为”应力集中点，造成结构整体强度的削弱甚至破坏。而工 作装置各结构件的强度校核也一直沿用材料力学等提供的传统计算方法。虽然这些方法 有一定的科学性和可靠性，但由于各构件结构比较复杂，在进行计算时对计算模型要进 行许多简化，计算精度较差，应用时即使取较大的安全系数，也没法消除人为的应力集 中点。按这种方法设计生产出来的产品，只是外观上看上去很强壮，刚性很好，但在使用过程中常发生开焊、开裂等现象，致使整个工作装置报废，造成重大经济损失。从WY20 (现在叫CLG 200-3)的工作装置设计和使用情况就足以说明这种设计方法 存在很多问题。WY20工作装置设计时，各结构件板材厚度，截面形状等都是参照国外 同类先进水平挖掘机进行设计的，但其使用效果却远远没有达到先进挖掘机的水平。动 臂后支座、中支座，油缸耳板处甚至板材都出现开裂；斗杆后支座、油缸耳板处也出现 开裂现象；更严重的是铲斗侧板和切削板、侧板和斗底板焊缝经常幵裂。其中制造水平 低是其中一个因素外，但更重要的是设计方法落后，特别是工作装置结构件的载荷和强 度计算方法落后。工作装置动臂、斗杆、铲斗以与连秆机构和各种工作液压缸组成。对这些结构件的 分析计算，首先应确定各结钩件的最不利工况，即在这工况下对某一构件可能出现最大 的应力，以这工况作为设计该结构件的依据，也就是强度设计中计算位置的选择，计算 图式和载荷的确定。然后根据这一计算位置，对构件进行作用力分析，进行强度的校核。 从这可以看出最不利工况的选取成为结构设计和强度校核的关键，最不利工况选取的准 确与否也就关系到强度校核的准确性。其次是强度校核的准确性，尤其是结构件中断面 突变、外形突变处的准确性是结构件设计的另一重要方面。WY20工作装置设计时，工作装置各结构件的最不利工况根据教科书提供的方法逬 行选取。动臂、斗杆各选取两个典型位置作为最不利工况。如动臂选取以下两个位置：I动臂液压缸全缩，动臂位于最低，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，铲斗挖掘，斗边齿遇到障碍时II动臂位于动臂液压缸作用力臂最大值处，斗杆液压缸作用力臂最大（斗杆压缸 与斗杆尾部轴线夹角90度时)，铲斗发挥最大挖掘力位置，进行正常挖掘。由于影响挖掘机挖掘力的因素很多，如三个工作液压缸的匹配、整机稳定性问题等， 并且各机型的工作装置各结构件的形式不一，这两个典型位置不一定是WY20动臂出现 最大应力的位置。按这样选取出来的工况作为最不利工况进行强度校核，其计算的准确 性当然不能保证。WY20设计时，工作装置动臂、斗杆的强度校核也只是选取几个断面（铰点所在断 面、外形突变处以与力较大的断面）逬行强度的校核,然后根据这几个断面的强度推 断整个构件的强度。设计人员不能准确地了解整个构件的应力水平，更发现不了构件的 应力集中点，没法消除设计的在缺陷。这样设计出来的动臂、斗杆出现断裂是难免的。 铲斗由于外形复杂，加上载荷情况较复杂，设计时根本就没有进行强度校核。因此实际 工作时到处焊缝幵裂。从以上分析可以看出.要想提高挖掘机工作装置的设计水平，首先最不利工况的选取要准确，其次是提高各构件的强度分析计算精度。要找出最不利工况，最好的办法是 对挖掘机所有工况与其挖掘过程中的千百个位置进行作用力分析和对各结构件进行较 多的可能危险断面进行应力计算，从而找出应力最大的工况。随着电子计算机的普与和 应用，这已经可以实现。我公司和重型机械学院联合研制的液压挖掘机辅助设计 程序系统（简称EXCAD)，其中有一项应用程序运动仿真分析，可以模拟实际挖掘 工况，进行工作装置各构件的受力分析和挖掘全过程的强度普査。通过该软件的运动仿 真分析可以更准确地找出最不利工况。随着有限元分析方法的发展和各种分析软件的出 现，对于断面变化较大，外形复杂的工作装置各结构件，不仅可通过有限元法进行分析 全面地了解整个构件的应力水平，而且能找出应力集中点予以消除，使工作装置的结构 设计获得可靠而又经济的结构尺寸和形状。文论位学士硕学大技科中华2.4本章小结首先简要介绍挖掘机工作装置设计分析的工程分析计算和有限元法概述。然后简 要分析现有工作装置设计方法的缺点，并指出提高设计水平的方法。3 挖掘动臂计算方法研究文论立学士硕学大技科中华3.1挖掘机动臂计算工况选取由于挖掘机工作装置作业速度比较低，试验结果表明静应力测试值与动态测试的高 峰值很按近，所以工作装置结构的强度分析主要采用静强度法，因此确定结构的最大应 力或最危险载荷成为结构设计和强度校核的关键。关于挖掘机动臂载荷与强度计算，过 去基本上都是采用典型工况方法。一般认为在挖掘工作中，以下两种工况动臂可能出现 最大载荷：(1) 动臂液压缸全缩，动臂位于最低，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，铲斗挖掘，斗边齿遇到障碍时；(2) 动臂位于动臂液压缸作用力臂最大值处，斗杆液压缸作用力臂最大（斗杆压 缸与斗杆尾部轴线夹角90度时)，铲斗发挥最大挖掘力位置，进行正常挖掘a所以传统方法计算时将这两种作业位置和载荷工况作为动臂强度计算的典型工况。 但实际作业时，真的是这两种工况动臂的应力最大吗？直观分析会提出这样的疑问，对于不同的动臂的结构参数和动力学参数，其所有部 位最大应力所对应的工况都一定是上述的“典型工况”吗？通过对多种挖掘机与不同作 业方式、作业位置和载荷型式进行仿真,结果显示上述典型工况不一定是最大应力工况, 由于动臂机构尺寸和动力学参数的不同以与结构特征不同，最大应力工况也不一样。3.1.1.运动仿真运动仿真就是应用计算机方法，模拟各种作业过程，将挖掘机作业时的真实性态反 映出来，普查和分析动臂在作业过程中的载荷和强度状况。方法与模型如下：(1) 将连续作业过程离散化。挖掘机工作装置有三组油缸构成了三个自由度，因 此作业方式（工况）变化多样。采用恰当的规划方法，将无限个作业工况归纳为有限个 工况，将每个工况的作业性态计算出来，就能反映挖掘机的实际作业性能。如将动臂、 斗杆、铲斗作业过程中的转角围离散化为n个转角位置，整个工作装置就有n3个作 业位置，也就代表着n3个作业工况。计算每个作业位置动臂的载荷和结构给定部位的 应力，整个作业过程动臂的强度情况就能反映出来。(2) 载荷型式取三种典型的组合I. 挖掘阻力W均布在切削板上，.按集中载荷W作用于斗刃的中部（圈3-la);II. 挖掘阻力W作用于铲斗的边齿，作用于铲斗的外侧（图3-lb);文论位学士硕学大技科中华III.挖掘阻力W作用于铲斗的边齿，同时有横向力WK的作用（图3-lc)。 WK=min(WKl，WK2)式中：WKlMZ/XV; WK2=MG/YV MZ回转制动力矩；XV斗齿到回转中心的水平距离；MG机器重量对一侧履带的重力矩 注：三种载荷均不考虑法向阻力。图3_1三种典型动臂载荷组合图(a)(b)(c)第II种载荷组合可以简化为第一种载荷组合的基础上再附加一个力偶矩，第ni种 载荷组合又是在第n种载合组合上多了个WK力。仿真时，分别按三种载荷组合方式，n个动臂、斗杆、铲斗转角进行，组合起来就 有3 n3个作业工况。显然，n取值越大，就越接近连续作业过程或覆盖所有作业工况。 设计人员可以选取适当的n值进行仿真计算，从中选取最大应力工况。(3) 挖掘机在某作业工况下能实现的斗齿尖的挖掘力的计算按下列假定：1) 考虑机器自重，各构件重量简化到重心；2) 挖掘过程中斗中土重心与铲斗重心一致；3) 考虑液压系统和连杆机构的效率；4) 不考虑液压缸小腔背压；5) 不考虑土壤阻力和结构强度的限制；6) 不考虑停机面坡度、风力、惯性力、动载等的影响。(4) 挖掘力能否实现要考虑以下因素：1)作液压缸的闭锁能力的限限制；2) 整机的工作稳定性的限制；文论位学士硕学大技科中华3) 整机与地面的附着能力的限制只有在充分考虑了上述因素后求得的挖掘力则是该工况下实际产生的挖掘力。3.1.2-动臂载荷与应力计算仿真过程中每个工况下动臂所受载荷与应力的计算釆用下列步骤：1) 取整个工作装置为隔离体求铰点力；2) 对动臂取隔离体求铰点力；3) 经过坐标转换，变为动臂自身坐标系下的铰点力；4) 应力计算采用常规的材料力学方法。一般动臂取5个截面（图3-2)，分别计算截面的上边缘和下边缘。动臂、斗杆、铲 斗、摇杆、连杆等都预先输入强度计算的截面位置和特性参数。图3-2动臂应力计算截面选取图 3.13.强度普查与有限元加载载荷的确定釆用运动仿真，对上述三种载荷组合工况进行仿真，计算动臂在各种工况下的载荷 和给定部位的应力，经过比较后分别按不同的载荷组合、截面的上边缘和下边缘输出最 大应力与其对应的工况参数（动臂转角、斗杆转角、铲斗转角）。以图3-2中截面2下文论位学士硕学大技科中华边缘为例，若选第I种载荷组合进行仿真，共有n3个工况，可以得到n3个不同的应力， 从中选出绝对值最大的应力值以与对应工况输出，于是得到该载荷组合截面2下边缘部 位可能达到的最大应力。同样，对于其他部位也是如此。可见，这里的运动仿真方法实 质上是对作业过程（或工况）中结构的强度普查，输出结果是作业过程中指定截面处可 能发生的最大应力、最危险工况和载荷。仿真得到的强度结果有两个用途：(1) 对于结构几何形状变化平缓、集中应力较小区域的截面，仍具有较高的精度, 在设计初期、中期可以帮助设计人员迅速设计截面尺寸和形状。(2) 可以作为获取最大应力工况的一种途径（或判断准则）。材料力学方法对于复 杂结构是不适用的，误差较大，但一般情况下材料力学方法计算应力较大时它的实际应 力也比较大，即材料力学方法得到的最大应力工况可能就是实际上的最大应力工况，可 以取这一工况载荷作为有限元模型加载的载荷，通过进一步的有限元分析得到精确结 果。有限元方法是在得到最危险工况和载荷后进行的计算，主要是校核计算。为了在进 行有限元法分析时能同时对多种工况进行分析，铰点力的输出应转换为各构件自身的坐 标系。表3-1三种典型动臂载荷组合工况应力普查表本孝本幸本幸本本本拿丰申本孝申幸本幸承幸幸伞伞幸幸幸本第|种载荷组合*序号应力(MPa)动臂转角UCL斗杆转角UF1-92.87217,3128.4162.84117.3128.42“09,09423128.4288.41317.3128.43104.38123128.43114J6817.3128.4487,11134.564.9495,28517.3128.4570.02834.564.9571.00917.3128.4本本幸幸傘幸幸幸幸幸氺幸第2种载荷组