有限元技术的工程机械设计

2013-06-10 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

作者: 唐觉明来源: 万方数据
关键字: 挖握装载机三维造型有限元分析应力分布强度
运用三维设计软件Solidworks对工程机械中的挖掘装载机的主要部件铲斗进行三维结构造型设计,并运用内嵌在Solidwork:中的有限元分析系统Cosmosf Works时其进行强度分析,模拟仿真直观地分析出其在工作受载状态下的应力分布情况,然后经过分析计算,优化出挖掘装载机铲斗的合理结构和尺寸,缩短挖掘装载机的设计制造周翔,并降低其设计制造成本,提高其安全可靠性。

1挖掘装载机铲斗的三维建模

(1)挖掘装载机铲斗的组成

挖掘装载机铲斗部件是由动臂、连杆、铲斗零件组成,它是一个连杆机构,各个杆件的长度尺寸将直接影响该部件中铲斗的运动轨迹(即工作性能),而各个杆件的横截面尺寸将直接影响该部件的承载能力。

(2)挖掘装载机铲斗部件的三维建模

运用三维设计软件Solidworlcs,通过拉伸〔Extrade) ,旋转(Revolve )、切割( Cut)和抽壳(Shell),放样(Loft.),扫描(Sweep)等三维特征造型功能.将挖掘装载机铲斗部件的各个零件创建成三维模型。再根据各零件模型的隶属关系装配成如图1所示的挖掘装载机铲斗部件的装配体三维模型。

内嵌在三维设计软件Solidworks中的有限元分析系统CosmoslWorks是当今工程界较好的有限元分析软件之一,其能非常迅速地实现对大规模的复杂设计的分析和验证,并获得修正和优化设计所需的信息。

在此,通过对挖掘装载机铲斗部件进行有限元分析和研究,求出其在工作受载状态下的应力分布情况,并计算出其失效的部位,然后对应力集中及失效区域进行局部加强处理,以保证结构的强度和刚度,提高挖掘装载机的掘起力、下挖力和整体式车架的可靠性,确保整机的工作性能。

有限元技术的工程机械设计solidworks simulation分析案例图片1

    2.1挖掘装载机铲斗部件的载荷及约束分析

建立挖掘装载机铲斗部件的Solidworks三维模型以后.根据设计的要求来检验设计的强度,首先,在保证动臂、连杆、铲斗等零件几何精度的前提下,对三维模型作如下简化:将一些小的特征进行压缩,如倒角、圆角以及小孔等;压缩掉一些不影响整体结构性能的零件,如螺栓、螺母等;根据其工作要求确定工作载荷为 100 kN,其约束为动臂固定在机架上。简化后的三维模型如图2所示。

有限元技术的工程机械设计solidworks simulation分析案例图片2

2.2挖掘装载机铲斗部件的有限元分析方法

Cosmos/Works提供了5种有限元分析方法:(静力分析(Static Analysis ) ; ( 2 )频率分析(Frequency Analysis) ; (3 )弯矩分析(Buckling Analysis);(4)热分析(Thermal Analysis);(S)优化设计分析(Optimization Analysis);根据挖掘装载机铲斗部件应力分析的需要,在此采用静力分析法。

2.3有限元计算原理

有限元就是对连续物体离散化,在物体内部和边界上划分节点。用许多离散的单元来逼近原来复杂的物体,如图3所示。

    2.4挖掘装载机铲斗部件的有限元网格划分

网格自动划分是CAE软件的关键,由于挖掘装载机铲斗部件是用Solidworks三维实体建模的。所以采用抛物线性四面体实体单元作为划分单元。另外,在有限元分析中,网格划分必须要满足一定的条件,四面体单元的长宽比要接近1,在这个铲斗的有限元划分时,铲斗的厚度为12mm,所以单元划分的时候,最长单元的边长控制在12 mm左右。实际划分时选了3mm边长控制单元。划分结果为四面体实体单元64 306个,自由度数128915。

    2.5挖掘装载机铲斗部件的有限元求解方法

Cosmos/Works对于静力分析提供3种求解方法:Direct Sparse,FFE和FFEPlus。一般来说,3种求解方法对同一问题的求解结果基本相似,但在选择时应注意:(1)对于大型和特大型问题(自由度大于300 000个)应优先使用FFEPIu。求解方法;(2)对于小型和中型问题(自由度在100 000个到300 000个)应优先使用 Direct匆e、或FFE求解方法。对于装配体问题并且考虑了零件间的相互接触、相互摩擦和不同材质时优先使用Direct Sparse求解方法,由于本例的自由度数128 915,因此本例使用Direct Spanse求解方法。求解所得的应力分布情况如图4所示。

    2.6挖掘装载机铲斗部件的有限元计军强度分析

由图4所示的铲斗部件的应力分布图可见,铲斗部件的应力主要集中在联接动臂与铲斗回转副的联接板处(如图4中的白色区域)。最大应力达到6.935E8,铲斗部件发生了失效。图5为铲斗部件的失效图,图中白色区域即为铲斗部件的失效部位。

有限元技术的工程机械设计solidworks simulation培训教程图片4

有限元技术的工程机械设计solidworks simulation培训教程图片5

2.7基于有限元计算结果的挖掘装载机铲千郡件的改进设计研究

为了改善铲斗部件的应力集中,消除失效,采用如下改进设计方案:

(1)通过增加肋的宽度,减小应力集中,将肋的宽度从30二增加到SO mra,此时该处的最大应力从6.378E8下降到5.925E8,其改善应力集中的效果一般,图6所示是其应力分布图,由图可见应力集中现象还是存在(图中白色区域即为应力集中部位),再由相应的铲斗部件的失效图可见,铲斗部件还是发生了失效(见图7),图中白色区域即为铲斗部件的失效部位。由此可见,该方案也不是理想方案。

(2)通过增加2块300 mm长的后盖板,同时增加铲斗壁厚,改善应力集中,从其应力分布图可见应力集中现象改善很多(图8中白色区域很少),再由相应的铲斗部件的失效图可见铲斗部件失效现象消失了.图9中白色区域消失了),满足强度要求。由此可见,该方案可行。

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