有限元技術的工程機械設計

2013-06-10 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

作者: 唐覺明來源: 萬方數據
關鍵字: 挖握裝載機三維造型有限元分析應力分布強度
運用三維設計軟件Solidworks對工程機械中的挖掘裝載機的主要部件鏟斗進行三維結構造型設計,并運用內嵌在Solidwork:中的有限元分析系統Cosmosf Works時其進行強度分析,模擬仿真直觀地分析出其在工作受載狀態下的應力分布情況,然后經過分析計算,優化出挖掘裝載機鏟斗的合理結構和尺寸,縮短挖掘裝載機的設計制造周翔,并降低其設計制造成本,提高其安全可靠性。

1挖掘裝載機鏟斗的三維建模

(1)挖掘裝載機鏟斗的組成

挖掘裝載機鏟斗部件是由動臂、連桿、鏟斗零件組成,它是一個連桿機構,各個桿件的長度尺寸將直接影響該部件中鏟斗的運動軌跡(即工作性能),而各個桿件的橫截面尺寸將直接影響該部件的承載能力。

(2)挖掘裝載機鏟斗部件的三維建模

運用三維設計軟件Solidworlcs,通過拉伸〔Extrade) ,旋轉(Revolve )、切割( Cut)和抽殼(Shell),放樣(Loft.),掃描(Sweep)等三維特征造型功能.將挖掘裝載機鏟斗部件的各個零件創建成三維模型。再根據各零件模型的隸屬關系裝配成如圖1所示的挖掘裝載機鏟斗部件的裝配體三維模型。

內嵌在三維設計軟件Solidworks中的有限元分析系統CosmoslWorks是當今工程界較好的有限元分析軟件之一,其能非常迅速地實現對大規模的復雜設計的分析和驗證,并獲得修正和優化設計所需的信息。

在此,通過對挖掘裝載機鏟斗部件進行有限元分析和研究,求出其在工作受載狀態下的應力分布情況,并計算出其失效的部位,然后對應力集中及失效區域進行局部加強處理,以保證結構的強度和剛度,提高挖掘裝載機的掘起力、下挖力和整體式車架的可靠性,確保整機的工作性能。

有限元技術的工程機械設計solidworks simulation分析案例圖片1

    2.1挖掘裝載機鏟斗部件的載荷及約束分析

建立挖掘裝載機鏟斗部件的Solidworks三維模型以后.根據設計的要求來檢驗設計的強度,首先,在保證動臂、連桿、鏟斗等零件幾何精度的前提下,對三維模型作如下簡化:將一些小的特征進行壓縮,如倒角、圓角以及小孔等;壓縮掉一些不影響整體結構性能的零件,如螺栓、螺母等;根據其工作要求確定工作載荷為 100 kN,其約束為動臂固定在機架上。簡化后的三維模型如圖2所示。

有限元技術的工程機械設計solidworks simulation分析案例圖片2

2.2挖掘裝載機鏟斗部件的有限元分析方法

Cosmos/Works提供了5種有限元分析方法:(靜力分析(Static Analysis ) ; ( 2 )頻率分析(Frequency Analysis) ; (3 )彎矩分析(Buckling Analysis);(4)熱分析(Thermal Analysis);(S)優化設計分析(Optimization Analysis);根據挖掘裝載機鏟斗部件應力分析的需要,在此采用靜力分析法。

2.3有限元計算原理

有限元就是對連續物體離散化,在物體內部和邊界上劃分節點。用許多離散的單元來逼近原來復雜的物體,如圖3所示。

    2.4挖掘裝載機鏟斗部件的有限元網格劃分

網格自動劃分是CAE軟件的關鍵,由于挖掘裝載機鏟斗部件是用Solidworks三維實體建模的。所以采用拋物線性四面體實體單元作為劃分單元。另外,在有限元分析中,網格劃分必須要滿足一定的條件,四面體單元的長寬比要接近1,在這個鏟斗的有限元劃分時,鏟斗的厚度為12mm,所以單元劃分的時候,最長單元的邊長控制在12 mm左右。實際劃分時選了3mm邊長控制單元。劃分結果為四面體實體單元64 306個,自由度數128915。

    2.5挖掘裝載機鏟斗部件的有限元求解方法

Cosmos/Works對于靜力分析提供3種求解方法:Direct Sparse,FFE和FFEPlus。一般來說,3種求解方法對同一問題的求解結果基本相似,但在選擇時應注意:(1)對于大型和特大型問題(自由度大于300 000個)應優先使用FFEPIu。求解方法;(2)對于小型和中型問題(自由度在100 000個到300 000個)應優先使用 Direct匆e、或FFE求解方法。對于裝配體問題并且考慮了零件間的相互接觸、相互摩擦和不同材質時優先使用Direct Sparse求解方法,由于本例的自由度數128 915,因此本例使用Direct Spanse求解方法。求解所得的應力分布情況如圖4所示。

    2.6挖掘裝載機鏟斗部件的有限元計軍強度分析

由圖4所示的鏟斗部件的應力分布圖可見,鏟斗部件的應力主要集中在聯接動臂與鏟斗回轉副的聯接板處(如圖4中的白色區域)。最大應力達到6.935E8,鏟斗部件發生了失效。圖5為鏟斗部件的失效圖,圖中白色區域即為鏟斗部件的失效部位。

有限元技術的工程機械設計solidworks simulation培訓教程圖片4

有限元技術的工程機械設計solidworks simulation培訓教程圖片5

2.7基于有限元計算結果的挖掘裝載機鏟千郡件的改進設計研究

為了改善鏟斗部件的應力集中,消除失效,采用如下改進設計方案:

(1)通過增加肋的寬度,減小應力集中,將肋的寬度從30二增加到SO mra,此時該處的最大應力從6.378E8下降到5.925E8,其改善應力集中的效果一般,圖6所示是其應力分布圖,由圖可見應力集中現象還是存在(圖中白色區域即為應力集中部位),再由相應的鏟斗部件的失效圖可見,鏟斗部件還是發生了失效(見圖7),圖中白色區域即為鏟斗部件的失效部位。由此可見,該方案也不是理想方案。

(2)通過增加2塊300 mm長的后蓋板,同時增加鏟斗壁厚,改善應力集中,從其應力分布圖可見應力集中現象改善很多(圖8中白色區域很少),再由相應的鏟斗部件的失效圖可見鏟斗部件失效現象消失了.圖9中白色區域消失了),滿足強度要求。由此可見,該方案可行。

有限元技術的工程機械設計solidworks simulation培訓教程圖片6