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1挖掘裝載機(jī)鏟斗的三維建模
(1)挖掘裝載機(jī)鏟斗的組成
挖掘裝載機(jī)鏟斗部件是由動(dòng)臂、連桿、鏟斗零件組成，它是一個(gè)連桿機(jī)構(gòu)，各個(gè)桿件的長度尺寸將直接影響該部件中鏟斗的運(yùn)動(dòng)軌跡(即工作性能)，而各個(gè)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(jī)鏟斗部件的三維建模
運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks，通過拉伸〔Extrude) ,旋轉(zhuǎn)(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(jī)鏟斗部件的各個(gè)零件創(chuàng)建成三維模型。再根據(jù)各零件模型的隸屬關(guān)系裝配成如圖1所示的挖掘裝載機(jī)鏟斗部件的裝配體三維模型。
2挖掘裝載機(jī)鏟斗部件的有限元分析
內(nèi)嵌在三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks中的有限元分析系統(tǒng)Cosmos/Works是當(dāng)今工程界較好的有限元分析軟件之一，其能非常迅速地實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模的復(fù)雜設(shè)計(jì)的分析和驗(yàn)證，并獲得修正和優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的信息。
在此，通過對(duì)挖掘裝載機(jī)鏟斗部件進(jìn)行有限元分析和研究，求出其在工作受載狀態(tài)下的應(yīng)力分布情況，并計(jì)算出其失效的部位，然后對(duì)應(yīng)力集中及失效區(qū)域進(jìn)行局部加強(qiáng)處理，以保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，提高挖掘裝載機(jī)的掘起力、下挖力和整體式車架的可靠性，確保整機(jī)的工作性能。
2.1挖掘裝載機(jī)鏟斗部件的載荷及約束分析
建立挖掘裝載機(jī)鏟斗部件的Solidworks三維模型以后.根據(jù)設(shè)計(jì)的要求來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度，首先，在保證動(dòng)臂、連桿、鏟斗等零件幾何精度的前提下，對(duì)三維模型作如下簡化:將一些小的特征進(jìn)行壓縮，如倒角、圓角以及小孔等;壓縮掉一些不影響整體結(jié)構(gòu)性能的零件，如螺栓、螺母等;根據(jù)其工作要求確定工作載荷為 100 kN，其約束為動(dòng)臂固定在機(jī)架上。簡化后的三維模型如圖2所示。
2.2挖掘裝載機(jī)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:(1)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);(5)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析(Optimization Analysis);根據(jù)挖掘裝載機(jī)鏟斗部件應(yīng)力分析的需要，在此采用靜力分析法。
2.3有限元計(jì)算原理
有限元就是對(duì)連續(xù)物體離散化，在物體內(nèi)部和邊界上劃分節(jié)點(diǎn)。用許多離散的單元來逼近原來復(fù)雜的物體，如圖3所示。
對(duì)于連續(xù)物體力學(xué)分析，有限元分析一般過程:
2.4挖掘裝載機(jī)鏟斗部件的有限元網(wǎng)格劃分
網(wǎng)格自動(dòng)劃分是CAE軟件的關(guān)鍵，由于挖掘裝載機(jī)鏟斗部件是用Solidworks三維實(shí)體建模的。所以采用拋物線性四面體實(shí)體單元作為劃分單元。另外，在有限元分析中，網(wǎng)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(gè)鏟斗的有限元?jiǎng)澐謺r(shí)，鏟斗的厚度為12mm，所以單元?jiǎng)澐值臅r(shí)候，最長單元的邊長控制在12 mm左右。實(shí)際劃分時(shí)選了3mm邊長控制單元。劃分結(jié)果為四面體實(shí)體單元64 306個(gè)，自由度數(shù)128915。
2.5挖掘裝載機(jī)鏟斗部件的有限元求解方法
Cosmos/Works對(duì)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(duì)同一問題的求解結(jié)果基本相似，但在選擇時(shí)應(yīng)注意:(1)對(duì)于大型和特大型問題(自由度大于300 000個(gè))應(yīng)優(yōu)先使用FFEPIu。求解方法;(2)對(duì)于小型和中型問題(自由度在100000個(gè)到300 000個(gè))應(yīng)優(yōu)先使用 Direct Sparse、或FFE求解方法。對(duì)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(zhì)時(shí)優(yōu)先使用Direct Sparse求解方法，由于本例的自由度數(shù)128 915，因此本例使用Direct Sparse求解方法。求解所得的應(yīng)力分布情況如圖4所示。
2.6挖掘裝載機(jī)鏟斗部件的有限元計(jì)軍強(qiáng)度分析
由圖4所示的鏟斗部件的應(yīng)力分布圖可見，鏟斗部件的應(yīng)力主要集中在聯(lián)接動(dòng)臂與鏟斗回轉(zhuǎn)副的聯(lián)接板處(如圖4中的白色區(qū)域)。最大應(yīng)力達(dá)到6.935E8，鏟斗部件發(fā)生了失效。圖5為鏟斗部件的失效圖，圖中白色區(qū)域即為鏟斗部件的失效部位。
2.7基于有限元計(jì)算結(jié)果的挖掘裝載機(jī)鏟斗部件的改進(jìn)設(shè)計(jì)研究
為了改善鏟斗部件的應(yīng)力集中，消除失效，采用如下改進(jìn)設(shè)計(jì)方案:
(1)通過增加肋的寬度，減小應(yīng)力集中，將肋的寬度從30mm增加到50 mra，此時(shí)該處的最大應(yīng)力從6.378E8下降到5.925E8，其改善應(yīng)力集中的效果一般，圖6所示是其應(yīng)力分布圖，由圖可見應(yīng)力集中現(xiàn)象還是存在(圖中白色區(qū)域即為應(yīng)力集中部位)，再由相應(yīng)的鏟斗部件的失效圖可見，鏟斗部件還是發(fā)生了失效(見圖7）,圖中白色區(qū)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(shí)增加鏟斗壁厚，改善應(yīng)力集中，從其應(yīng)力分布圖可見應(yīng)力集中現(xiàn)象改善很多(圖8中白色區(qū)域很少)，再由相應(yīng)的鏟斗部件的失效圖可見鏟斗部件失效現(xiàn)象消失了（圖9中白色區(qū)域消失了)，滿足強(qiáng)度要求。由此可見，該方案可行。
3結(jié)語
以上依據(jù)有限元計(jì)算分析結(jié)果，對(duì)挖掘裝載機(jī)的各種改進(jìn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)選，這種基于有限元技術(shù)的設(shè)計(jì)分析方法，大大提高了工程機(jī)械的設(shè)計(jì)速度和設(shè)計(jì)可靠性，同時(shí)也大大縮短了工程機(jī)械產(chǎn)品及其系列產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了產(chǎn)品開發(fā)的成本。
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