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        基于有限元法的松土器結(jié)構(gòu)分析*

        2022-10-09 08:37:06王曉曉呂福春
        機電工程技術(shù) 2022年9期
        關(guān)鍵詞:有限元分析模型

        王曉曉,孫 健※,呂福春,祁 祥

        (1.徐州工程學(xué)院機電工程學(xué)院,江蘇徐州 221018;2.徐州科源液壓股份有限公司,江蘇徐州 221116)

        0 引言

        液壓挖掘機作為一種多功能的工程機械,憑借著其優(yōu)良、可靠的性能被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、經(jīng)濟設(shè)施建設(shè)以及礦石開采等施工中,它在解放勞動力時,還能夠改善施工質(zhì)量、加快施工速度以及提高勞動生產(chǎn)率。在一些沖擊振動過多的特殊工作條件下,不適合人工操作,促使挖掘機向智能化、自動化方向發(fā)展,而對液壓挖掘機裝置進行建模分析是實現(xiàn)自動化的重要研究基礎(chǔ)[1]。松土器是挖掘機的重要工作裝置之一,其應(yīng)用范圍廣泛,不僅可以作用于砂礫石和鹽礦等堅硬的土層,還可以作用于黏土和硬化凍土等松散的土層,具有破碎和翻松土壤的功能,一般用于開挖有裂紋的巖石、破碎凍土和瀝青路面,便于用鏟斗進行挖掘及裝載作業(yè)[2]。松土器工作過程中會受到來自土壤的阻力作用,也存在因所受應(yīng)力過大而發(fā)生的塑性變形和斷裂的問題,因此松土器必須具備足夠的強度剛度和耐磨性[3]。

        現(xiàn)有研究多是對挖掘機鏟斗和推土機松土器的分析優(yōu)化,卻少有關(guān)于挖掘機用松土器的相關(guān)研究。本文依據(jù)挖掘機用松土器的實際結(jié)構(gòu),建立有限元模型,模擬工作過程中所受載荷,分析松土器應(yīng)力應(yīng)變和位移變化?;谟邢拊治龇?,避免因使用傳統(tǒng)方法而十分繁瑣的計算過程,提高精確度[4]。通過對松土器的仿真分析,確定其最大受力工況和受力部位,可以避免部分設(shè)計不足的缺陷,為后來對挖掘機用松土器的研究提供理論依據(jù)。

        1 松土器結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

        1.1 松土器結(jié)構(gòu)設(shè)計

        松土器是液壓挖掘機的可換工作裝置之一,具有碎土和翻松的功能,由主板、掛耳板、背板、斗耳板、斗耳套、斗齒、齒座、護板等零配件組成。一般分為單齒和多齒,具備較好的挖掘切入的功能,松土能力強,挖掘阻力小。三齒松土器的底板底面兩側(cè)與中間分別豎直向下對應(yīng)焊接有主板,主板的底部均安裝有斗齒。底板頂面兩側(cè)分別豎直向上對應(yīng)焊接有耳板。耳板的上部有耳孔,分別與斗桿和鏟斗缸相鉸接,主板前端有通過銷軸連接齒座和齒尖的組合斗齒,當(dāng)液壓缸的活塞桿伸出時,推動齒尖強制插入并翻動土壤[5]。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 松土器結(jié)構(gòu)

        1.2 松土器工作原理

        工作時,松土器強行插入堅硬的巖石或凍土中,通過工作裝置受力推動土石,兩側(cè)土壤也受到擠壓分開,不斷切割后形成較小的碎塊[6]。大量的生產(chǎn)實踐和實驗數(shù)據(jù)表明,在外力的作用下,由于泥土顆粒的自身強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒間的連接強度,土壤中的顆粒會沿著力的接觸部分互相錯開,而發(fā)生剪切破壞[7]。因此,在工況下,松土器的往復(fù)運動可以看作是力沿直線方向?qū)⑼翆泳徛虚_,土層因剪切破壞而破碎,逐漸變成小土塊。

        2 松土器結(jié)構(gòu)有限元分析

        有限元的基本理念是通過建立簡單的模型來替換實際生活中復(fù)雜的模型然后求解,即將整體分解成有限個的小單元,小單元彼此連接,通過對每一個小單元假設(shè)一個近似值,進而推導(dǎo)出滿足整體的條件,最終可以得出正確的解[8]。但因為是用簡單的模型替換復(fù)雜的模型,所以這個解是近似值。而現(xiàn)實生活中大多數(shù)問題都難以得到準(zhǔn)確解,采用有限元方法不僅可以得到相對準(zhǔn)確的近似解,更可以適應(yīng)多數(shù)情況。

        現(xiàn)在,隨著計算機水平的發(fā)展,人們對有限元方法的理解和應(yīng)用也逐漸加深,相關(guān)有限元分析軟件也不斷更新?lián)Q代。就此,有限元方法推行甚廣,在許多產(chǎn)品設(shè)計中有著極高的優(yōu)越性,對于機械行業(yè)更是及其重要的方法。對于有限元的設(shè)計運用同時也是將理論與計算機實踐相結(jié)合。

        世界上著名的有限元分析軟件公司有很多,包含著名的通用軟件ANSYS,ABAQUS,MSC/NASTRAN 等,其中三維結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件有Solid Works,UG,Pro/E 等也都有有限元分析模塊,對結(jié)構(gòu)體和裝配體也可以進行有限元分析。本論文的有限元研究選用了軟件Creo 6.0。Creo 分別整合了Pro/Engineer 的參數(shù)化技術(shù)、Co Create 的直接建模技術(shù)和Product View 的三維可視化技術(shù)的新型CAD 設(shè)計軟件包,具有極高的自由性與靈活性[9]。

        在Creo中進行三維模型的創(chuàng)建,利用Creo中集成的Simulation 結(jié)構(gòu)分析模塊進行確定約束和載荷、生成網(wǎng)格然后進行運算分析,提高了工作效率。以往在利用Pro/E 建模軟件建好三維模型時需要先導(dǎo)出再導(dǎo)入ANSYS 分析軟件,現(xiàn)在可以通過Creo 建模軟件建模直接由Creo 中集成的Simulation 模塊進行有限元分析,既提高的科研人員的效率,也能減少計算誤差。

        2.1 建立松土器三維模型

        先利用Creo軟件建立松土器的各個零件,再將零件組裝成完整的松土器三維模型。由于一些特征,例如倒角、圓角等,它們的存在不僅會加大計算機的工作量,而且因為對于有限元分析本身影響也不大,可以再對一些不重要零件進行簡化。松土器的三維模型如圖2所示。

        圖2 松土器三維模型

        2.2 定義材料屬性

        在Creo 的Simulation 中定義材料,按照表1 為零件添加材料屬性。該松土器裝配體中斗齒和加強板材料為65 Mn,其彈性模量為211 GPa,泊松比為0.288,質(zhì)量密度為7 820 kg·m-3,屈服強度為430 MPa,其他材料皆為Q345,其屈服應(yīng)力為345 MPa[10]。其主要性能參數(shù)如表1所示。

        表1 材料的各項性能參數(shù)

        2.3 定義約束

        建立有限元模型需要定義準(zhǔn)確適當(dāng)?shù)募s束,在有限元分析中施加約束及載荷是有限元結(jié)構(gòu)分析的重要步驟,約束及載荷確定的準(zhǔn)確性也是有限元分析的關(guān)鍵。在靜態(tài)分析時,必須設(shè)置足夠的固定約束來確定模型的位置,松土器的固定約束建立在耳板與斗桿相連接的4 個螺栓孔處,用來限制松土器的所有自由度。

        2.4 定義載荷

        液壓挖掘機的挖掘力主要是通過搖桿、連桿、油缸等所組成的傳動機構(gòu)決定的,在工作過程中,通常是松土器油缸、斗桿油缸和動臂油缸復(fù)合作用進行工作的。

        研究選取了挖掘機松土?xí)r松土器到達(dá)最深處時的工作狀態(tài),對此工況下的松土器進行載荷分析,為了便于計算,將模型簡化,忽略土壤對松土器的阻力和工作過程中的摩擦力。在整個挖掘機松土過程中,理論上松土器所受外載荷主要包括切向挖掘阻力和法向挖掘阻力。

        在松土器的斗齒尖上,受到了切向和法向挖掘阻力,二者分別沿挖掘軌跡的切線與法線方向[11]:

        式中:K0為挖掘比阻力,N/cm2,取K0=19.5 N/cm2;b為切削寬度;h為切削深度;Ψ為挖掘阻力系數(shù)。

        經(jīng)計算:

        2.5 劃分網(wǎng)格和建立有限元模型

        在準(zhǔn)備進行計算之前,必須先將幾何模型轉(zhuǎn)化成合理的有限元模型。先利用網(wǎng)格劃分工具,將松土器的三維模型進行提取和幾何處理,先簡單劃分根據(jù)結(jié)果再對模型各個部分進行劃分,添加材料的屬性、受力載荷等信息,最終形成計算機可實行計算的有限元模型[12]。Creo軟件使用精細(xì)模型AutoGEM 來生成網(wǎng)格。松土器共創(chuàng)建了9 532個元素和2 875個節(jié)點。建立松土器有限元模型如圖3所示。

        圖3 松土器有限元模型

        2.6 運行求解

        運行時,Creo將根據(jù)材料、約束、載荷和網(wǎng)格指定的輸入計算結(jié)果。用右鍵單擊分析和研究按鈕運行。模擬完成之后,結(jié)果會被存儲到指定的目錄中。

        2.7 輸出結(jié)果和分析

        運算結(jié)束后即可得到松土器的靜力分析圖解,包括應(yīng)力應(yīng)變位移云圖。

        2.7.1 靜力分析

        靜力分析是用來分析所需結(jié)構(gòu)在給定靜力載荷作用下的響應(yīng),經(jīng)過有限元分析之后,觀察圖4 松土器受力云圖可知松土器產(chǎn)生的最大應(yīng)力約為259 MPa,具體發(fā)生于齒斗的齒尖附近。同時還可以觀察到松土器的整體呈現(xiàn)深藍(lán)色,整體應(yīng)力較小,明顯小于許用應(yīng)力。

        圖4 松土器受力云圖

        最大應(yīng)力值可取σmax=259.377 MPa,65 Mn的屈服強度σs=430 MPa,取安全系數(shù)為1.5,對于松土器安全系數(shù)有:

        綜上可知,松土器的安全系數(shù)為1.66,滿足松土器的安全系數(shù)要求。

        2.7.2 變形分析

        在工況下,松土器的位移云圖如圖5 所示,結(jié)果顯示最大的位移量僅為0.876 36 mm,且發(fā)生在齒桿的下端,越接近上部越小,相對于體積龐大的松土器,位移量很小,故最大變形滿足要求。

        圖5 松土器位移云圖

        松土器的有限元分析結(jié)果如表2所示。

        表2 松土器有限元分析結(jié)果

        通過上述分析可知:在正常工作中,松土器會發(fā)生所受應(yīng)力超出許用應(yīng)力的狀況,出現(xiàn)在斗齒的齒尖上,應(yīng)當(dāng)對齒尖的結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)改進,以滿足最大應(yīng)力不超出許用應(yīng)力的要求。而且主板和加強板的應(yīng)力都較小,說明主板和加強板還都可以進行適當(dāng)?shù)母倪M,以減小整機質(zhì)量。

        3 結(jié)束語

        依據(jù)松土器的實際結(jié)構(gòu),通過Creo軟件建立三維模型,利用Creo 中集成的Simulation 對松土器做有限元分析,進行結(jié)構(gòu)的強度和剛度校核。通過對松土器結(jié)構(gòu)受力的理論分析,建立松土器有限元模型并進行分析計算,基于有限元分析方法不僅使得計算更加便捷,還能夠規(guī)避過于繁瑣的計算帶來的誤差。得出其在作業(yè)時的應(yīng)力和應(yīng)變的分布圖,獲得了應(yīng)力、應(yīng)變和最小安全系數(shù)等參數(shù),可以很好地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量。結(jié)果表明,松土器在斗齒的齒尖部位所受應(yīng)力大于許用應(yīng)力,長時間會引起塑性變形乃至出現(xiàn)裂紋??梢酝ㄟ^加強鋼板的厚度和齒尖形狀讓應(yīng)力集中在強度更高的部分。同時,也可以通過對主板和加強板進行改進來減小松土器的質(zhì)量。

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