孫志星

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程機(jī)械系，山西 太原 030031）

0 引言

隨著社會(huì)的飛速發(fā)展，工程機(jī)械的運(yùn)用也越來越廣泛，在諸多工程機(jī)械中，液壓挖掘機(jī)的應(yīng)用尤為廣泛。挖掘機(jī)主要用于筑路工程中的溝壕開挖、建筑工程中的地基開挖、露天礦山的礦石開采等，據(jù)統(tǒng)計(jì)，工程施工中約65%的土石方作業(yè)是靠挖掘機(jī)完成的。除此之外，挖掘機(jī)更換工作裝置后還可以進(jìn)行打樁、破碎等作業(yè)［1］。因此，研究挖掘機(jī)的綜合性能特別是安全性能就顯得尤為重要。

在模擬分析軟件方面，LS－DYNA以其強(qiáng)大的仿真功能和完善的模型材料庫，在眾多分析軟件中脫穎而出［2］?，F(xiàn)在的顯式動(dòng)力分析軟件LS－DYNA已被應(yīng)用于很多復(fù)雜的工程問題模擬試驗(yàn)中，如機(jī)械結(jié)構(gòu)中的齒輪受力分析，汽車整車碰撞受力分析，甚至是軍事上的子彈穿透障礙物的情形分析。顯式動(dòng)力分析軟件LS－DYNA對于一些復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的受力分析結(jié)果極其接近真實(shí)值，且與真實(shí)試驗(yàn)相比，可以大大降低人力、物力和財(cái)力的投入。

針對液壓挖掘機(jī)的實(shí)際工作情況，本文對挖掘機(jī)工作負(fù)載接近最大載荷時(shí)其工作裝置各部件所受載荷進(jìn)行分析，所得結(jié)果對液壓挖掘機(jī)的研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 分析前處理準(zhǔn)備

在進(jìn)行仿真試驗(yàn)之前，我們首先要建立液壓挖掘機(jī)的模型，由于Pro／E大型建模軟件具有良好的參數(shù)化性能，而且可以實(shí)現(xiàn)和LS－DYNA軟件的無縫鏈接，所以我們采用Pr o／E建立模型，然后將在Pr o／E中建好的模型導(dǎo)入LS－DYNA中進(jìn)行仿真分析。圖1為在Pr o／E中建立的液壓挖掘機(jī)模型。

1.1 模型網(wǎng)格的劃分

將Pro／E中建好的液壓挖掘機(jī)模型導(dǎo)入LSDYNA中，之后對仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。顯式動(dòng)力分析軟件LS－DYNA中對仿真模型的劃分主要考慮模型屬精密分析的零部件還是大型機(jī)械設(shè)備，對于精密分析的零部件，網(wǎng)格劃分的精度要求就相對高一些，而對于大型機(jī)械設(shè)備，我們要同時(shí)考慮到計(jì)算精度與計(jì)算速度兩方面的問題，既要保證分析計(jì)算的結(jié)果準(zhǔn)確，又要保證計(jì)算的速度。對于本文的大型液壓挖掘機(jī)模型，我們在結(jié)構(gòu)復(fù)雜處將網(wǎng)格控制在4 mm，其他部分設(shè)置為6 mm，整個(gè)仿真模型約有200萬個(gè)單元，網(wǎng)格劃分后的部分模型（工作部分）如圖2所示。

圖1 Pro／E中建立的液壓挖掘機(jī)仿真模型

圖2 網(wǎng)格劃分后的部分模型

1.2 處理模擬焊點(diǎn)

焊點(diǎn)焊縫是機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)上的特殊部分，在仿真計(jì)算分析中良好合理地處理好焊點(diǎn)的設(shè)置對于計(jì)算分析尤為重要。本文對于液壓挖掘機(jī)仿真模型的焊點(diǎn)采用LS－DYNA中的模擬焊點(diǎn)，其中焊點(diǎn)直徑選擇2 mm。

1.3 處理單元

在LS－DYNA模擬試驗(yàn)中，對于挖掘機(jī)整體結(jié)構(gòu)選用5點(diǎn)積分；如果在液壓挖掘機(jī)仿真模型中部分PART的厚度≥4 mm，則要選用9個(gè)點(diǎn)。

1.4 處理仿真模型材料

在LS－DYNA仿真模擬試驗(yàn)中，對模型材料的選擇非常重要，應(yīng)盡量選用和真實(shí)材料完全相符的或接近真實(shí)材料的模擬材料。LS－DYNA中幾乎涵蓋了工業(yè)當(dāng)中所有常用的材料，本文中我們對于液壓挖掘機(jī)的車體選用32號模擬材料，對于液壓挖掘機(jī)的大臂、小臂選用37號模擬材料，對于鏟斗選用34號材料，對于發(fā)動(dòng)機(jī)、平衡重等在仿真試驗(yàn)中不影響分析結(jié)果的部分，我們均采用理想剛體進(jìn)行模擬。

2 仿真模型設(shè)置

2.1 液壓挖掘機(jī)大、小臂的設(shè)置

本試驗(yàn)的仿真模擬對象是小松PC200－8液壓挖掘機(jī)，其大臂、小臂采用的材料為錳鋼，在LS－DYNA中具有錳鋼模擬材料，故保證了我們仿真模擬的參考價(jià)值。

2.2 液壓挖掘機(jī)鏟斗的設(shè)置

小松PC200－8液壓挖掘機(jī)鏟斗的易損部位齒座板和側(cè)刃板材料選用優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度耐磨鋼NM360，在本文的模擬試驗(yàn)中，對齒座板和側(cè)刃板材料選用35號模擬材料進(jìn)行仿真。

3 設(shè)定仿真模型的接觸類型

在液壓挖掘機(jī)實(shí)際工作中，其工作對象多種多樣，如土方、礦石等等，在模擬分析試驗(yàn)中我們要充分考慮到鏟斗與物料的接觸，本文為避免干涉滲透從而影響分析計(jì)算結(jié)果，按以下方式設(shè)置或選擇相關(guān)接觸：

（1）在用顯式動(dòng)力分析軟件模擬挖掘機(jī)實(shí)際工作的試驗(yàn)中，90%的接觸類型我們選用Automatic類型，因?yàn)檫@種接觸可以應(yīng)對不同物料與鏟斗間不可預(yù)知的接觸狀況。

（2）用Tie接觸來定義液壓挖掘機(jī)常規(guī)構(gòu)件的接觸，如動(dòng)臂液壓缸與動(dòng)臂之間的接觸、小臂與鏟斗之間的接觸等。

4 整體模型求解仿真

利用顯式動(dòng)力分析軟件LS－DYNA進(jìn)行模擬試驗(yàn)，模擬液壓挖掘機(jī)的實(shí)際工況為其在挖掘露天鐵礦石時(shí)的工作情形，挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)角度不超過60°，我們主要分析液壓挖掘機(jī)的大臂、小臂、鏟斗在挖掘過程中所受的動(dòng)態(tài)應(yīng)力。

5 分析仿真結(jié)果

在本文的試驗(yàn)中，我們充分考慮了液壓挖掘機(jī)在挖掘過程中各種能量的變化，其中包括作業(yè)過程中的內(nèi)能、動(dòng)能以及分析能量誤差的沙漏能等；在液壓挖掘機(jī)挖掘礦石過程中，我們可以觀察到挖掘機(jī)的動(dòng)能逐漸減小，內(nèi)能逐漸增大，在整個(gè)模擬作業(yè)過程中沙漏能只占到總能量的0.8%，沙漏能微小可以充分說明我們模擬試驗(yàn)的可靠性與準(zhǔn)確性，模擬試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)對液壓挖掘機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

通過模擬試驗(yàn)我們可以測出液壓挖掘機(jī)在工作過程中其工作裝置各機(jī)構(gòu)所受的應(yīng)力的具體數(shù)據(jù)，如大臂、小臂、鏟斗甚至是斗齒等小部件上所受的應(yīng)力，用LS－DYNA模擬仿真測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合經(jīng)驗(yàn)值，但比經(jīng)驗(yàn)值精確。

6 結(jié)論

本文的仿真模擬試驗(yàn)利用了Pro／E軟件良好的建模功能和LS－DYNA良好的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析功能，并有機(jī)地使兩大軟件結(jié)合起來，在仿真分析過程中充分考慮了挖掘機(jī)工作裝置各結(jié)構(gòu)部件的實(shí)際參數(shù)，動(dòng)態(tài)分析所得結(jié)果比以往的靜態(tài)分析更加具有實(shí)際的參考意義。

［1］ 張鐵.液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)原理及使用［M］.東營：中國石油大學(xué)出版社，2010.

［2］ 高陽宏，李燁凡.LS－DYNA應(yīng)用技術(shù) ［M］.北京：人民交通出版社，2011.