51噸反鏟挖掘機(jī)鏟斗有限元分析和70噸大型液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂有限元分析

51噸大型液壓挖掘機(jī)鏟斗有限元分析鏟斗計(jì)算工況挖掘機(jī)在工作過程中，作業(yè)對(duì)象千變?nèi)f化，土質(zhì)及施工現(xiàn)場(chǎng)也各異，其工作裝置運(yùn)動(dòng)與受力情況比較復(fù)雜。故選擇了最危險(xiǎn)工況來進(jìn)行強(qiáng)度校核。工況一：一般挖掘1/2鏟斗油缸行程；1/2斗桿油缸行程；斗齒尖V點(diǎn)貼地；挖掘力0.7G，方向與地面成50度夾角，附加偏載。工況二：伸長挖掘斗桿油缸行程縮至最??；鏟斗油缸行程1/2處；斗齒尖V點(diǎn)貼地；挖掘力取0.7G，附加偏載。邊界條件的確定及約束的施加將斗桿簡化成如圖5所示的模型。對(duì)于斗桿，A代表斗桿與動(dòng)臂連接的鉸點(diǎn)，B代表斗桿與斗桿油缸的鉸點(diǎn)。DD圖1工作裝置邊界條件簡化模型2).鉸點(diǎn)載荷的處理在挖掘機(jī)工作裝置中，鉸點(diǎn)是鏟斗與斗桿、斗桿與動(dòng)臂、動(dòng)臂與機(jī)體以及各油缸和連桿機(jī)構(gòu)與工作裝置的連接構(gòu)件。因此，對(duì)于鉸點(diǎn)處的載荷施加就顯得尤為關(guān)鍵。以往對(duì)于鉸點(diǎn)處的載荷大多簡化為集中力或等值的面載荷，施加集中載荷會(huì)產(chǎn)生很大的集中應(yīng)力；施加等值面載荷無法全面考慮鉸孔的應(yīng)力分布情況。本有限元計(jì)算鉸點(diǎn)載荷的施加應(yīng)用彈性力學(xué)的相關(guān)理論對(duì)銷孔內(nèi)表面的載荷簡化為余弦分布的面載荷，（如圖6所示）圖2鉸點(diǎn)處余弦載荷分布-余弦載荷分布假設(shè)：(1)載荷在x-y平面內(nèi)在180°范圍內(nèi)按余弦分布；(2)分布力的方向?yàn)檠劁N孔表面的法向；(3)載荷在z向均布。三、鏟斗有限元計(jì)算1）、有限元模型鏟斗實(shí)體模型采用應(yīng)用軟件Pro/Engineer建立，如圖3，有限元模型見圖4。鏟斗有限元模型共劃分單元445855個(gè)，節(jié)點(diǎn)121056個(gè)。 圖3鏟斗三維實(shí)體模型圖4鏟斗有限元模型2）、有限元計(jì)算將各項(xiàng)載荷加入有限元模型各鉸點(diǎn)后，計(jì)算結(jié)果如下：工況一：圖5鏟斗VonMises應(yīng)力分布云圖圖6鏟斗VonMises應(yīng)力分布云圖（最大應(yīng)力）圖7鏟斗VonMises應(yīng)力分布云圖圖8鏟斗VonMises應(yīng)力分布云圖工況二：圖9鏟斗VonMises應(yīng)力分布云圖圖10鏟斗VonMises最大應(yīng)力處圖11鏟斗VonMises應(yīng)力分布云圖圖12鏟斗VonMises應(yīng)力分布云圖圖13鏟斗VonMises變形位移分布云圖四、結(jié)果分析從以上兩種工況計(jì)算結(jié)果來看，最大應(yīng)力為350Mpa左右，超出強(qiáng)度使用要求，但最大應(yīng)力出現(xiàn)于焊縫圓滑過度區(qū)域，實(shí)際中補(bǔ)上焊縫會(huì)大大改善此區(qū)域。故應(yīng)注意焊縫必須圓滑過渡，分布均勻，最大應(yīng)力處焊縫焊接時(shí)需特別注意，焊縫必須達(dá)到規(guī)定要求，焊接后需要仔細(xì)檢查。五、參考文獻(xiàn)【1】單斗液壓挖掘機(jī)70噸大型液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂有限元分析動(dòng)臂計(jì)算工況挖掘機(jī)在工作過程中，作業(yè)對(duì)象千變?nèi)f化，土質(zhì)及施工現(xiàn)場(chǎng)也各異，其工作裝置運(yùn)動(dòng)與受力情況比較復(fù)雜。故選擇了最危險(xiǎn)工況來進(jìn)行強(qiáng)度校核。工況一：1)、動(dòng)臂位于最低（動(dòng)臂油缸全縮）；2）、斗齒尖、鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)、斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)三點(diǎn)位。圖1工作裝置挖掘姿態(tài)（工況一、二）工況二：在工況一的基礎(chǔ)上：3）斗邊點(diǎn)遭遇障礙，側(cè)向力Wk。工況三：1)、動(dòng)臂位于動(dòng)臂液壓缸作用力臂最大處；2）、斗桿油缸作用力臂最大（斗桿油缸與斗桿尾部夾角為90°）；3）鏟斗發(fā)揮最大挖掘力位置，進(jìn)行正常挖掘。工況四：在工況三的基礎(chǔ)上：3）斗邊點(diǎn)遭遇障礙，側(cè)向力Wk。圖2工作裝置挖掘姿態(tài)（工況三）三、斗桿受力分析1）、斗桿鉸點(diǎn)載荷的確定①計(jì)算工況一：θ1=-41.68°，θ2=131.684°，θ3=180°。從重慶大學(xué)反鏟分析軟件中提取進(jìn)行有限元分析所需要的數(shù)據(jù)：動(dòng)臂缸作用力為：-927.87kN；斗桿缸作用力為：423.386KN；鏟斗缸作用力為：318.225kN；動(dòng)臂油缸鉸點(diǎn)：Rx=915.301kN；Ry=150.391kN；斗桿油缸鉸點(diǎn)：Rx=264.623kN；Ry=330.5kN；斗桿動(dòng)臂鉸點(diǎn)：Rx=-370.888kN；Ry=-376.969kN；圖3挖掘工況一、二示意圖②計(jì)算工況二：在工況一的基礎(chǔ)上，加上側(cè)齒障礙產(chǎn)生的彎矩和扭矩，及側(cè)向力Wk=23.638KN。③計(jì)算工況三：θ1=4.504°，θ2=111.993°，θ3=151.371°。圖4挖掘工況三示意圖從重慶大學(xué)反鏟分析軟件中提取進(jìn)行有限元分析所需要的數(shù)據(jù)：動(dòng)臂缸作用力為：-927.87kN；斗桿缸作用力為：834.065KN；鏟斗缸作用力為：584.42kN；動(dòng)臂油缸鉸點(diǎn)：Rx=656.101kN；Ry=656.106kN；斗桿油缸鉸點(diǎn)：Rx=832.213kN；Ry=55.55kN；動(dòng)臂斗桿鉸點(diǎn)：Rx=-1046.18kN；Ry=20.38kN；④計(jì)算工況四：在工況三的基礎(chǔ)上，加上側(cè)齒障礙產(chǎn)生的彎矩和扭矩，及側(cè)向力Wk=15.165KN。2）、邊界條件的確定及約束的施加將斗桿簡化成如圖5所示的模型。對(duì)于斗桿，A代表斗桿與動(dòng)臂連接的鉸點(diǎn)，B代表斗桿與斗桿油缸的鉸點(diǎn)。DD圖5工作裝置邊界條件簡化模型3）、鉸點(diǎn)載荷的處理在挖掘機(jī)工作裝置中，鉸點(diǎn)是鏟斗與斗桿、斗桿與動(dòng)臂、動(dòng)臂與機(jī)體以及各油缸和連桿機(jī)構(gòu)與工作裝置的連接構(gòu)件。因此，對(duì)于鉸點(diǎn)處的載荷施加就顯得尤為關(guān)鍵。以往對(duì)于鉸點(diǎn)處的載荷大多簡化為集中力或等值的面載荷，施加集中載荷會(huì)產(chǎn)生很大的集中應(yīng)力；施加等值面載荷無法全面考慮鉸孔的應(yīng)力分布情況。本有限元計(jì)算鉸點(diǎn)載荷的施加應(yīng)用彈性力學(xué)的相關(guān)理論對(duì)銷孔內(nèi)表面的載荷簡化為余弦分布的面載荷，（如圖6所示）圖6鉸點(diǎn)處余弦載荷分布余弦載荷分布假設(shè)：載荷在x-y平面內(nèi)在180°范圍內(nèi)按余弦分布；分布力的方向?yàn)檠劁N孔表面的法向；載荷在z向均布。四、動(dòng)臂有限元計(jì)算1）、有限元模型動(dòng)臂實(shí)體模型采用應(yīng)用軟件Pro/Engineer建立，如圖7。動(dòng)臂實(shí)體模型采用20節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元SOLID95，有限元模型見圖8。動(dòng)臂有限元模型共劃分單元241108個(gè)，節(jié)點(diǎn)427386個(gè)。圖7動(dòng)臂三維實(shí)體模型圖8動(dòng)臂有限元模型2）、有限元計(jì)算將各項(xiàng)載荷加入有限元模型各鉸點(diǎn)后，計(jì)算結(jié)果如下：工況一：圖9動(dòng)臂VonMises應(yīng)力分布云圖圖10動(dòng)臂VonMises應(yīng)力分布云圖圖11動(dòng)臂VonMises應(yīng)力分布云圖（斗桿油缸鉸點(diǎn)）圖12動(dòng)臂VonMises應(yīng)力分布云圖（最大應(yīng)力處）工況二：圖13動(dòng)臂VonMises應(yīng)力分布云圖圖14動(dòng)臂VonMises應(yīng)力分布云圖圖15動(dòng)臂VonMises應(yīng)力分布云圖（斗桿油缸鉸點(diǎn)）工況三：圖16動(dòng)臂VonMises應(yīng)力分布云圖圖17動(dòng)臂VonMises應(yīng)力分布云圖圖18動(dòng)臂VonMises應(yīng)力分布云圖（斗桿油缸鉸點(diǎn)）計(jì)算工況四：圖19動(dòng)臂VonMises應(yīng)力分布云圖（斗桿油缸鉸點(diǎn)）圖20動(dòng)臂VonMises應(yīng)力分布云圖（斗桿油缸鉸點(diǎn)）圖21動(dòng)臂VonMises應(yīng)力分布云圖（斗