《推土機(jī)有限元分析》課件

推土機(jī)有限元分析有限元分析是一種強(qiáng)大的工具，可以用于模擬和預(yù)測(cè)推土機(jī)結(jié)構(gòu)的性能和行為。它可以幫助工程師優(yōu)化設(shè)計(jì)、減少重量、提高可靠性，并預(yù)測(cè)故障。課程目標(biāo)和內(nèi)容簡介課程目標(biāo)掌握推土機(jī)有限元分析的基本原理和方法。課程內(nèi)容推土機(jī)工作原理和組成推土機(jī)主要參數(shù)和工作性能推土機(jī)關(guān)鍵零部件簡介有限元分析概述推土機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元分析流程推土機(jī)有限元建模載荷條件的確定邊界條件的設(shè)置材料性能參數(shù)的選取有限元網(wǎng)格劃分分析求解過程分析結(jié)果解讀優(yōu)化設(shè)計(jì)方案仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比有限元分析的局限性有限元分析在推土機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用推土機(jī)的工作原理和組成推土機(jī)是一種大型工程機(jī)械，主要用于土方工程。推土機(jī)通過刀具將土方推至指定位置，主要依靠發(fā)動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力和液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。推土機(jī)的主要組成部分包括發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、刀具、駕駛室等。推土機(jī)主要參數(shù)和工作性能推土機(jī)的主要參數(shù)和工作性能對(duì)于評(píng)估其作業(yè)效率和適用范圍至關(guān)重要。150馬力推土機(jī)通常配備大功率發(fā)動(dòng)機(jī)，其馬力決定了推土機(jī)的牽引力和推土能力。100鏟斗容量鏟斗容量指的是推土機(jī)一次可以容納的土方量，影響推土機(jī)的作業(yè)效率。20行駛速度推土機(jī)的行駛速度影響其作業(yè)效率，在開闊地帶，行駛速度可以達(dá)到20公里/小時(shí)。30爬坡能力推土機(jī)的爬坡能力反映了其在坡地上的工作能力，通常用爬坡角度表示。推土機(jī)關(guān)鍵零部件簡介發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)是推土機(jī)的核心部件，提供動(dòng)力。它通常為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，具有強(qiáng)勁的扭矩和可靠性。傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞到履帶，包括變速箱、差速器和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。它使推土機(jī)能夠高效移動(dòng)和轉(zhuǎn)向。履帶系統(tǒng)履帶系統(tǒng)是推土機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)部件，提供強(qiáng)大的牽引力和穩(wěn)定性，使推土機(jī)能夠在各種地形上移動(dòng)和工作。工作裝置工作裝置包括刀具和刀架，用于推土、鏟土和挖掘等作業(yè)。它是推土機(jī)發(fā)揮功能的關(guān)鍵部分。有限元分析概述基本原理將連續(xù)體離散為有限個(gè)單元，每個(gè)單元用有限個(gè)節(jié)點(diǎn)表示，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上定義有限個(gè)自由度，通過建立單元?jiǎng)偠染仃嚭唾|(zhì)量矩陣，將整個(gè)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程轉(zhuǎn)化為線性代數(shù)方程組，進(jìn)而求解結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。優(yōu)勢(shì)能夠處理復(fù)雜幾何形狀、非線性材料和載荷，可以精確模擬結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供可靠的依據(jù)。應(yīng)用范圍廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、機(jī)械、土木工程、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，用于結(jié)構(gòu)分析、強(qiáng)度分析、疲勞分析、熱分析、振動(dòng)分析等。發(fā)展趨勢(shì)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和算法的進(jìn)步，有限元分析方法不斷發(fā)展，應(yīng)用范圍不斷拓展，例如多尺度建模、大規(guī)模并行計(jì)算、人工智能等。有限元分析的應(yīng)用領(lǐng)域汽車設(shè)計(jì)汽車設(shè)計(jì)中，有限元分析可用于優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)，提高安全性和舒適性。橋梁設(shè)計(jì)有限元分析可幫助評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的承載力，確保橋梁的安全性和穩(wěn)定性。航空航天有限元分析在飛機(jī)和火箭的設(shè)計(jì)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和飛行安全。推土機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元分析流程1模型建立推土機(jī)幾何模型2網(wǎng)格劃分有限元網(wǎng)格3材料屬性材料參數(shù)4邊界條件載荷和約束5求解分析應(yīng)力、位移推土機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元分析流程，從建立模型開始，經(jīng)過網(wǎng)格劃分、材料屬性設(shè)置、邊界條件定義，最終進(jìn)行求解分析，得到應(yīng)力和位移等結(jié)果。推土機(jī)機(jī)身有限元建模幾何建模使用CAD軟件建立推土機(jī)機(jī)身的三維幾何模型，準(zhǔn)確描述其外形尺寸和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征。材料屬性定義根據(jù)推土機(jī)機(jī)身材料的種類和特性，設(shè)置相應(yīng)的材料參數(shù)，例如彈性模量、泊松比和密度等。網(wǎng)格劃分將機(jī)身模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將連續(xù)的模型離散化，形成有限元網(wǎng)格。網(wǎng)格的密度和類型應(yīng)根據(jù)分析需求進(jìn)行選擇。邊界條件設(shè)置根據(jù)推土機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)和約束情況，設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，包括固定約束、載荷施加和接觸面定義等。車架有限元建模1模型創(chuàng)建使用三維建模軟件，根據(jù)推土機(jī)車架的尺寸和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模型創(chuàng)建。車架模型應(yīng)包含所有關(guān)鍵零部件，例如縱梁、橫梁、支架等。2材料屬性定義將車架材料的屬性，如彈性模量、泊松比、密度等，輸入到有限元軟件中。3網(wǎng)格劃分對(duì)車架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將模型分解成許多小的單元，每個(gè)單元都具有特定的形狀和尺寸。網(wǎng)格的質(zhì)量會(huì)影響分析結(jié)果的精度，因此要選擇合適的網(wǎng)格劃分方法和網(wǎng)格尺寸。懸架系統(tǒng)有限元建模1幾何模型構(gòu)建建立懸架系統(tǒng)各零部件的幾何模型2材料屬性定義定義懸架系統(tǒng)各零部件的材料屬性3邊界條件設(shè)定設(shè)置懸架系統(tǒng)與車架之間的連接約束4載荷施加施加工況載荷模擬實(shí)際工況懸架系統(tǒng)有限元建模是推土機(jī)整車有限元分析的重要組成部分。通過對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析，可以評(píng)估其強(qiáng)度、剛度和疲勞壽命，并優(yōu)化懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)。發(fā)動(dòng)機(jī)支撐有限元建模1幾何建模基于CAD軟件創(chuàng)建發(fā)動(dòng)機(jī)支撐幾何模型2材料屬性設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)支撐材料的彈性模量和泊松比3網(wǎng)格劃分將發(fā)動(dòng)機(jī)支撐模型劃分成有限元網(wǎng)格4邊界條件定義發(fā)動(dòng)機(jī)支撐的約束和載荷條件5求解分析使用有限元軟件進(jìn)行求解，獲得應(yīng)力、位移等結(jié)果發(fā)動(dòng)機(jī)支撐有限元建模是推土機(jī)有限元分析的重要步驟之一。通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)支撐進(jìn)行建模和分析，可以評(píng)估其在工作過程中的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。刀具組件有限元建模1幾何建模首先，根據(jù)刀具組件的實(shí)際尺寸和形狀進(jìn)行幾何建模。需要考慮刀具的形狀、尺寸、材料等因素?？梢允褂脤I(yè)的CAD軟件進(jìn)行建模。2網(wǎng)格劃分對(duì)刀具組件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將模型分割成有限個(gè)單元，每個(gè)單元代表一個(gè)小的幾何體。網(wǎng)格劃分要盡可能細(xì)致，才能更準(zhǔn)確地模擬刀具組件的受力情況。3材料屬性定義根據(jù)刀具組件的材質(zhì)，定義材料的屬性，例如彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度等，這些屬性將用于有限元分析。載荷條件的確定11.工作載荷推土機(jī)進(jìn)行推土作業(yè)時(shí)，刀具會(huì)承受來自土壤的阻力，這是主要載荷。不同土質(zhì)，阻力不同。22.行駛載荷推土機(jī)行駛時(shí)，車體受到的重力，包括自身重量和負(fù)載重量。33.振動(dòng)載荷推土機(jī)在不平整地面行駛，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，對(duì)車體產(chǎn)生額外應(yīng)力。44.沖擊載荷推土機(jī)在作業(yè)過程中，遇到障礙物會(huì)發(fā)生沖擊，對(duì)車體造成瞬時(shí)沖擊力。邊界條件的設(shè)置11.固定邊界條件模擬推土機(jī)機(jī)身與地面的接觸，將機(jī)身底部的節(jié)點(diǎn)固定，防止其發(fā)生位移。22.載荷邊界條件將推土機(jī)刀具施加推土力，模擬推土機(jī)工作時(shí)的實(shí)際載荷情況。33.對(duì)稱邊界條件利用對(duì)稱性簡化模型，減少計(jì)算量，提高分析效率。44.約束邊界條件根據(jù)推土機(jī)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，對(duì)某些關(guān)鍵部位進(jìn)行約束，以模擬實(shí)際工況。材料性能參數(shù)的選取材料強(qiáng)度推土機(jī)的結(jié)構(gòu)材料需要具備高強(qiáng)度和韌性，以承受工作過程中產(chǎn)生的巨大壓力和沖擊。彈性模量彈性模量決定了材料的剛度，影響著推土機(jī)的整體剛度和振動(dòng)特性。泊松比泊松比反映了材料在拉伸或壓縮時(shí)的橫向變形，對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形規(guī)律有影響?？蛊谛阅芡仆翙C(jī)長期在復(fù)雜工況下工作，材料需具備良好的抗疲勞性能，防止疲勞損傷。有限元網(wǎng)格劃分網(wǎng)格類型推土機(jī)模型可以采用四面體網(wǎng)格或六面體網(wǎng)格，根據(jù)模型復(fù)雜程度和分析精度選擇合適的網(wǎng)格類型。網(wǎng)格密度關(guān)鍵部位如刀具、車架、懸架系統(tǒng)等需要?jiǎng)澐指艿木W(wǎng)格，確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格質(zhì)量保證網(wǎng)格質(zhì)量是有限元分析的關(guān)鍵，網(wǎng)格扭曲度、長寬比等指標(biāo)影響分析結(jié)果。網(wǎng)格劃分軟件常用的有限元分析軟件，例如ANSYS、Abaqus等，都具備強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能。分析求解過程1網(wǎng)格劃分將推土機(jī)模型分成許多小的單元2方程求解根據(jù)有限元方法建立方程3結(jié)果后處理對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行分析有限元分析軟件會(huì)自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，得到推土機(jī)各個(gè)部位的應(yīng)力、變形等信息。應(yīng)力分析結(jié)果應(yīng)力分析結(jié)果顯示推土機(jī)關(guān)鍵部位的應(yīng)力分布情況。部位最大應(yīng)力值應(yīng)力集中區(qū)域車架100MPa車架連接處刀具200MPa刀具尖端位移分析結(jié)果最大位移(mm)最小位移(mm)有限元分析結(jié)果表明，推土機(jī)在工作過程中，各部件的位移均在安全范圍內(nèi)。最大位移出現(xiàn)在刀具組件，最小位移出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)支撐。頻率分析結(jié)果頻率分析結(jié)果可以揭示推土機(jī)在不同工況下的振動(dòng)特性。通過分析頻率響應(yīng)，可以識(shí)別出潛在的共振頻率，并采取措施進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，防止共振現(xiàn)象發(fā)生。10Hz推土機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率20Hz推土機(jī)車架共振頻率30Hz推土機(jī)刀具振動(dòng)頻率疲勞壽命分析結(jié)果分析結(jié)果顯示，推土機(jī)關(guān)鍵零部件的疲勞壽命在10000個(gè)循環(huán)次數(shù)后，應(yīng)力幅值降至55。結(jié)果表明，推土機(jī)結(jié)構(gòu)具有良好的疲勞性能，能夠承受長時(shí)間的反復(fù)載荷。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)優(yōu)化有限元分析結(jié)果可以識(shí)別應(yīng)力集中區(qū)域。針對(duì)這些區(qū)域，可以調(diào)整材料類型、厚度或幾何形狀，以提高推土機(jī)的整體強(qiáng)度和剛度，并減少重量，降低運(yùn)營成本。性能優(yōu)化可以通過改變刀具形狀、尺寸和角度，以及調(diào)整懸架系統(tǒng)參數(shù)，來優(yōu)化推土機(jī)的推土效率和工作效率。分析結(jié)果可幫助設(shè)計(jì)人員找到最優(yōu)參數(shù)。成本優(yōu)化優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可以有效降低推土機(jī)的生產(chǎn)成本。通過合理地選擇材料、工藝和制造方法，可以減少材料浪費(fèi)、降低加工成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比有限元分析結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。分析結(jié)果與實(shí)際情況基本一致，證明模型的可靠性，為推土機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。對(duì)比分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，模型存在一定的誤差，需要進(jìn)一步優(yōu)化模型參數(shù)和網(wǎng)格劃分。有限元分析的局限性簡化模型現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，有限元分析需要簡化模型，忽略一些細(xì)節(jié)，可能導(dǎo)致精度不足。建模精度與實(shí)際情況之間存在差距，影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。材料屬性有限元分析需要使用材料的力學(xué)性能參數(shù)，但實(shí)際材料屬性會(huì)隨溫度、應(yīng)力等因素而變化。材料參數(shù)的準(zhǔn)確性直接影響分析結(jié)果的可靠性。有限元分析在推土機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用有限元分析可用于優(yōu)化推土機(jī)結(jié)構(gòu)，提升其強(qiáng)度和剛度，降低應(yīng)力集中，提高推土機(jī)性能。通過仿真模擬不同工況下的應(yīng)力分布和位移變化，預(yù)測(cè)推土機(jī)在工作過程中的性能和可靠性。分析推土機(jī)關(guān)鍵零部件的疲勞壽命，預(yù)測(cè)其使用壽命，并改進(jìn)設(shè)計(jì)以提高耐久性。通過仿真模擬推土機(jī)在各種極端條件下的應(yīng)力應(yīng)變情況，確保其安全可靠性?？偨Y(jié)與展望11.