液压挖掘机动臂优化设计.pdf

工程机械 第39卷2008年9月 朱奇，孙纪燕 (长沙中联重工科技发展股份有限公司) 摘要：动臂是挖掘机的关键部件，也是主要承力部件。在挖掘机施工过程中，动臂常常 受到复杂的瞬态冲击载荷，造成其结构出现裂纹或变形超出范围，而动臂强度、刚度是否满 足要求，将直接影响挖掘机工作安全。对动臂进行优化设计，在满足其强度的条件下，可以减 轻重量，减少应力集中，使动臂几何尺寸更加合理。利用有限元软件Pro／MECHANICA中的灵 敏度分析方法对动臂进行优化设计，能够实现实体建模和有限元分析的无缝集成，并且能够 保证有限元分析的精度，可以提高优化设计的效率，对生产实践有着重要的指导意义。 关键词：液压挖掘机动臂；优化设计；灵敏度分析；有限元分析 工程机械的优化设计随着计算机软、硬件技术 出现最大载荷的工况来计算。一般选取以下工况：动 的发展正在迅速得到应用。不论是零部件设计还是 臂缸全缩，斗杆与斗杆缸铰接点、斗杆与铲斗铰接点 整机设计，运用优化方法成功地提高技术经济性能 及铲斗齿尖在同一直线上且垂直于斗杆缸，铲斗发 的实例日益增多。在机械结构分析中，一些有限元软 挥最大挖掘力进行挖掘，动臂最大受力位置受力分 件开发出了完善的数据接口，可以精确地将CAD平 析如图1所示。由图1可得C、E的铰点力如表1所 台上生成的绝大部分几何模型导入到有限元软件 示。 中，但有时在模型转换过程中常常会出现一些问题， 所以在模型转换后，要花费大量的时间和精力在有 限元软件中进行几何模型修补工作，这必然导致模 型的不一致且增加工作量；并且两种软件的同时使 y 用对设计平台的软、硬件提出更高的要求，会大大 增加一些中小企业的经济负担。通过对比分析，发现 设计人员可以直接利用Pro／ENGINEER的几何模型 进行有限元分析。由于Pro／ENGINEER具有强大的 参数化功能，当模型的一个或多个参数在一定范围 内变化时，可求解出满足一定设计指标(如质量最 小、应力最小)的最优几何模型，这是模块Pro／ME— CHANICA最显著的特点。本文将利用Pro／ME— CHANICA对某型挖掘机动臂进行优化设计。 1挖掘机动臂结构静力分析 1．1动臂受力计算 挖掘机动臂的强度校核按挖掘过程中动臂可能 图1 动臂最大受力位置受力分析 作者简介：朱奇(1979一)，男，硕士，工程师，研究方向为结构动力学。 ·-——34·-·—· 万方数据 第39卷20011年9月 工程机械 1．2建立几何模型 接而成的，且模型的厚度小于模型表面最小边的 在对动臂进行有限元分析时，首先要建立几何 1／5，因此使用壳单元进行网格划分；对于动臂头部 及轴承座、液压缸座等结构件可采用实体单元，所以 模型，此项工作在Pro／ENGINEER中进行。使用 Pro／ENGINEER能够准确、快速地生成三维实体模 型，并且所生成的三维模型能够直接输入Pro／ME—体混合模型，如图4所示。 CHANICA有限元分析软件，对模型进行几何尺寸 上的优化设计以及结构上的改进。图2所示为动臂 的三维实体模型。 图4动臂薄壳一实体网格模型 1．5 结构应力分析 有限元分析前处理完成后，即可运行程序进行 MPa。