张马永1 汤强2 刘刚强3
徐州徐工挖掘机械有限公司 江苏徐州 221004
摘要：随着计算机行业的快速发展，力学分析方法有限元法被广泛的应用于机械、建筑、水利水电及航空航天等领域，对于机械行业尤其重要，通过对结构实体的建模，网格划分，工况加载及计算分析，了解结构在工作区域内的应力状态分布和应力水平，并由此对结构的应力集中区域进行设计改进，以达到保证结构强度，优化结构形式的目的。
关键词：有限元；ANSYS；挖掘机；斗杆
1、引言
ANSYS软件是由ANSYS公司研制的大型有限元分析（FEA）通用软件，借助其对车辆结构进行力学模拟分析，通过计算了解结构在工作区域内的应力状态分布与应力水平，从结构强度角度判断结构应力情况，为结构改进提供数据与依据，从而对结构设计进行优化。
2、有限元分析概述
有限元方法就是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟[1]。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。
有限单元法的基本思想有以下几个方面[2]：
1）.将连续的结构离散成有限个单元，并在每一单元中设定有限个节点，将连续体看作只在节点处相连接的一组单元的集合体。
2）.选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一近似插值函数，以表示单元中场函数的分布规律。
3）.利用力学中的某种变分原理去建立用以求节点未知量的有限单元法方程，将一个连续域中有限自由度问题化为离散域中有限自由度问题。
3、有限元法分析步骤
有限元分析的步骤按照如下进行：
（1）结构离散；
（2）单元分析：
a.建立位移函数，；
b.建立单元刚度方程，；
c.计算等效节点力；
（3）进行单元集成，；
（4）得到节点位移；
（5）根据弹性力学公式计算单元应变、应力。
图1-1 有限元分析步骤流程图
4、实例分析
通过上面的有限元的理论基础，将以6t挖掘机的结构为例，利用ANSYS软件进行有限元分析，有限元分析流程如图1-1所示[3]，根据挖掘机结构构造，将其划分为底盘、转台、动臂、斗杆、铲斗五个部件，先建立各部件三维几何模型，其次划分网格生成部件有限元模型，然后通过耦合将各部件有机的结合形成整机有限元模型。调整不同工作姿态，施加工况载荷，通过ANSYS有限元软件实现计算，最后对结果进行分析，提出结构改进建议。
图4.1 ANSYS有限元分析过程图
4.1、有限元建模
挖掘机的各大部件，都是由钢板焊接或箱型板结构组成，工作过程中承受平面内和平面外力作用，即承受弯矩与面力。在应用ANSYS进行有限元分析时选用板单元（shell63），又可划分成四边形或三角形单元，能很好地模拟构件的几何特征[4]。油缸、连杆与摇杆，主要承受轴向力作用，受力明确，表现为二力杆特征，选用杆单元（Link8）。
经过网格划分，获得各部件的有限元模型，其单元和节点总数见表4.1。
表4.1 各部件有限元模型参数
4.2、约束与载荷
对于约束，在履带架的支重轮连接处施加水平面内的静定位移约束。这里需要提出的是并不是所有的支重轮连接处都施加约束，要根据实际载荷作用情况来确定。通过动力学仿真，可以获得在受有相应挖掘力的情况下，有多少个支重轮承载，根据分析，本有限元模型对承载的支重轮施加约束。
对于载荷，分为以下几种：
1）结构自重，通过对模型赋予材料属性来自动施加在模型上；
2）转台上机构、配重等部件自重，通过载荷方式施加在相应受力节点上；
3）外负载，即挖掘反力，由动力学仿真获得，施加在铲斗齿根处的节点上。实际作业过程中，齿尖往往会出现磨损、松动等现象，因此齿根受载更为准确可靠。载荷的施加方向如图4.2所示，这些挖掘反力将根据后面的危险姿态及计算工况的分析而得到。
图4.2 带有约束和载荷的整机结构有限元模型
4.3、工况选择
通过动力学仿真分析，确定的危险姿态与载荷工况见表4-1。
表4.2 危险姿态与载荷工况
a）姿态1 b）姿态2 c）姿态3
图4.3 危险姿态图
4.4、结果分析
为了更好地表述斗杆各部位的应力水平，我们将斗杆划分几个了危险区域，如图4.4所示，9种载荷工况的应力值见表4.3，图5-2列举了部分工况的应力云图。
表4.3 斗杆有限元应力情况
图4.4 斗杆危险应力区域划分图
4.5、结构设计改进
图4.5 斗杆改进结构示意图
根据应力云图的分析发现，在斗杆缸铰点附近的斗杆结构应力处于90-100MPa，虽然应力不大，但该区域是焊缝区，应力分布比较复杂，因此需对此处进行结构改进，改进方案如下。
如图4.5所示，可以采取增加板厚方式来降低应力。具体方法是：在图示A区的斗杆左右腹板内侧各增加厚度为4mm的板。
采用上述的结构改进方案，对有限元模型进行更改，并在同等工况下再次进行有限元分析，从图4.6所示可以看出改进后的结构应力有所降低，数值为40-50MPa，降幅约50%。这种增加板厚的方式可有效的减小应力集中。
a）改进前斗杆应力图 b）改进后斗杆应力图
图4.6 改进前后斗杆应力对比
4.6 小结
本节通过对挖掘机的斗杆进行有限元法的模拟分析，研究结构件在危险工况下的应力区域，以判断结构件在受力过程中最先破坏的位置，然后针对该位置进行设计改进。在上述的改进前后的应力水平比较中，将图4.7所示A区增加4mm厚度的板后，该区域应力降低明显，避免了应力集中，保证结构件的强度。
5、结论
对于工程机械产品，结构件是设备能够正常工作运转的前提，因此结构件的强度对产品设计来说是非常重要。
因此应当在设计之初，结合目前最先进的，最接近真实的有限单元法对结构进行受力分析。借助CAE软件进行计算分析，准确的掌握结构件的主要承载力部位以及最先破坏的区域，由此在产品设计过程中进行结构优化。对应力集中区域，增加板厚或者增加加强筋进行强度增强；对应力较小的部位，可以进行优化设计，降低制造成本。
参考文献：
[1] 王勖成、邵敏编著.有限单元法基本原理和数值方法.1988.清华大学出版社
[2] 韩清凯、孙伟、王伯平、李朝峰编著.机械结构有限单元法基础.2013.科学出版社.
[3] 龚曙光，谢桂兰编著.ANSYS操作命令与参数化编程.2004.机械工业出版社.
[4] 刘国庆，杨庆东编著.ANSYS工程应用教程：机械篇.2003.中国铁道出版社.
论文作者:张马永1,汤强2,刘刚强3
论文发表刊物:《基层建设》2015年19期供稿
论文发表时间:2015/12/24
标签：应力论文; 有限元论文; 结构论文; 载荷论文; 工况论文; 单元论文; 节点论文; 《基层建设》2015年19期供稿论文;