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1、装载机结构强度的分析方法和力学模型的建立青岛建筑工程学院王吉忠峋霉霉霉方摘要有限元法是装载机结构强度分析的有力工具。本文介绍了用有限元法对装载机进行结构强度分析的合理计算方法,建立其整机和部件的力学模型及建模时应注意的问题。犷呼霉霉肠叙词装载机结构强度有限元法装载机产品设计中,进行结构强度分析是重要的一环。有限元法是对装载机进行结构强度分析的有力工具。有限元法与实验应力等方法结合应用,可以给出装载机在工作载荷作用下详细的应力、应变分布资料,为产品设计提供可靠的依据。目前,有限元理论和结构静动力分析通用软件日益完善。因此,装载机结构强度分析的关键是针对具体产品对象的合理计算方法和正确的力学模型。
2、装载机的结构、受载都非常复杂,要建立整机及各部件高效、合理的计算模型并不容易。本文根据装载机结构强度分析的实践,提出了对装载机进行结构强度分析的合理计算方法、计算工况和计算载荷的确定问题,并详细地讨论了其整机和各部件力学模型建立的方法。下的应力分布、变形情况,作为设计或改进设计的依据。各部件结构分析时,取结构的一半建立力学模型,载荷和位移边界条件由整机结构分析提供,结构的对称面上设有位移约束边界条件。在正载工况,各部件对称两部分结构中应力及位移对称分布,同一工况只需一次计算。偏载工况则分解为对称和反对称两种工况,分别计算,然后将两次计算结界进行叠加,得到该部件的应力分布,同一工况需二次计算。这
3、种方法可使模型的结点数减少一半,节省计算机时,其边界条件的选取也较容易,而数据后处理可由程序自动完成。要对各部件的局部做深入分析,可将结构进一步细化,并利用前一步分析中获得的边界条件,做进一步的强度计算。计算方法选取装载机结构是三维问题,具有纵向对称面。结构强度分析采用了分步计算方法,先进行总体结构分析,。为各部件的计算提供合理的计算工况,获取在工作载荷作用下,各部件之间相互作用的载荷边界和位移边界条件,为各部件的结构分析及整机动力分析提供基础。因此,整机模型要做较大的简化,但模型的力学特性及边界条件要与实际相符。然后对各部件进行结构分析,了解在工作载荷作用计算工况与计算载荷的确定整机结构分析
4、的计算位皿、计算工况和计算载荷的确定计算位置装载机在铲掘物料的工作过程受载最为严重,一般取铲斗斗底与地面夹角为“一。,斗尖接地,对载荷作用在铲斗切削刃上的铲掘位置为计算位置。计算工况和计算载荷根据装载机铲掘物料时的工作情况,可得如图所示的种典型计算工况。一工程机械,水平正载工况图的水平作用力由装载机的动力条件和地面的附着条件综合确定。,彭嘟舞“嘟黯图装载机的种典型工况水平正载垂直正载联合正载水平偏载垂直偏载仍联合偏载垂直正载工况图的垂直力由装载机的动力条件和纵向稳定条件确定。一般的最大值由纵向稳定条件求出。联合正载工况图的水平力 由发动机扣除工作液压泵功率后,所能发出的牵引力确定,而垂直力则按
5、纵向稳定性条件选取。水平、垂直和联合偏载工况下的作用力计算方法同前。乞部件结构分析的计算工况和计算载荷根据整机各工况的计算结果,选取使各部件受载最为严重 的工况作为该部件的计算工况。对装载机的铲斗、动臂和前车架均按联合偏载工况计算,而后车架则按后轮离地和后轮发挥最大牵引力两个工况计算。各部件的计算外载荷由整机计算提供。的刚体位移,但不应对构件的弹性位移形成真正的约束。整机力学模型的建立单元的选取装载机整机结构由一部分梁、小部分厚板和大部分薄板组成。考虑到装载机的结构特点和整机分析的目的,采用梁单元和板单元建立整机力学模型其中铲斗、前车架、后车架简化成板元,各铰销、动臂、各液压缸、副车架、前后桥
6、简化成梁单元。对整机结构用比较均匀、比较粗的网格进行简化。约束条件的选取装载机各部件相互铰接处可以相对转动,有关梁单元相应端点的自由度要给以松驰。板单元共面结点要约束法向转动自由度。在建立整机力学模型时,四个轮胎用梁单元模拟,对梁单元下端的三个平移自由度给以约束,三个转动自由度不予约束,梁单元端点的各向刚度,根据装载机轮胎在标准充气压力下径向刚度、纵向刚度和侧向刚度的实测值确定。整机力学模型装载机整机力学模型如图所示。建立该模型要处理以下几个具体问题力学模型的建立和边界条件的选取建立力学模型既要反映结构的力学特性,又要合理地进行简化。要根据具体结构、计算精度和计算费用确定合理的计算规模根据结构
7、、程序的特点正确选择所用单元利用结构的对称条件,考虑不同单元的连接等问题来建立模型。边界条件包括载荷和位移两边界条件。整个结构上 的外载要保持力和力矩的平衡。约束条件要保证消除结构在各方向的刚体位移,在原有约束不够的情况下要附加约束,消除构件工程机械,圈动臂缸和转向缸的模拟对装载机工作装置动臂缸系统,两液压缸前、后腔油路分别相通,在工作和闭锁两种状态下,两液压缸轴力相等。因此,两动臂液压缸在对称外载荷作用时轴力相等,变形相同在反对称载荷作用时两液压缸不受力,但变形反对称。根据上述动臂缸系统的油路特点,设计了如图所示的梁单元结构进行模拟。图中梁单元、的拉压刚度为液压缸的实际拉压刚度,其余单元的有
8、关刚度比液压缸的拉压刚度高两个数量级,这部分附加系统的变形、重量可忽略不计。图中梁单元有关端点的自由度要根据实际情况给以松驰。圈动臂缸模拟系统转向缸模拟系统装载机左转向缸前腔和后腔分别与右转向缸的后腔和前腔油路相通,在工作状态两液压缸力的大小相等方向相反。因此,两转向缸在对称载荷作用时不受力,而在反对称载荷作用时液压缸受轴向力。根据转向缸 系统的 油路特点,设计了图所示梁单元结构进行模拟。图中梁单元、亘的刚度为转向缸的实际刚度,附加结构可能产生的刚度,用刚度很小的边界元约束。前轮模拟梁单元纵向刚度的选取装载机水平正载工况的插人阻力是根据附着条件,按前、后轮都发出最大牵引力时的力学平衡条件计算得
9、到的。因为装载机空载时前桥桥荷小于后桥桥荷。因此,要正确地模拟前、后轮都发挥最大牵引力即插入过程的最后状态,必须合理选取前轮模拟梁单元的纵向刚度,以保证前、后车架之间的相互作用与实际情况相符。前轮模拟梁单元的纵 向 刚度,要根据轮胎的纵向刚度和后轮受到地面最大切向反作用力时,前后轮之间弹性体的纵向变形量来确定。当作用在前轮上的地面切向反作用力小于附着力时,前轮模拟梁单元的纵向刚度可用轮胎的纵向刚度值。稳定性条件和后车架上有关部件的处理在建立整机力学模型时,模型的重量和重自位置要与装载机的实际情况相符,稳定性条件要接近相同。在整机模型的铲斗上作用最大铲取力时,后轮模拟梁单元的轴向力应近似为零,以
10、正确反映在装载机铲斗上作用最大铲取力时,后轮刚刚抬起这一实际情况装载机后车架上的配重、发动机、变矩器和变速器等部件对后车架的作用,在整机力学模型中均按静力等效原则,用集中力和集中力矩来表示。各部件力学模型的建立装载机部件结构分析模型包括铲斗、动臂、前车架和后车架四个模型。边界条件中载荷用整机分析得到的各部件相互作用处的内力作用到有关部件上位移边界条件包括对称面上 的结点约束和外部约束。在对称载荷作用时,对称面边界条件是,氏二,二,在反对 称 载荷 作用时,对 称面 边界条 件是犷二,牙二。,、二。外部约束的选取要消除模型在某些自由度上的刚体位移,或把某些结点的已知位移约束到指定值。铲斗力学模型
11、的建立铲斗是薄板焊接结构,划分单元时大部分结构按板单元剖分,小部分按梁单元剖分,斗壁及焊接加强板按一块板计算,厚度取两板厚度之和。由整机计算得到铲斗最严重的受载工况是联合偏载工况。在对称载荷作用时,铲斗的外部约束为铰点用边界元约束沿转斗拉杆轴向位移,其刚度取拉杆的刚度,铰点、分别用刚性边界元约束、向的平移,如图所示在反对称载荷作用工况,外部约束为铰点用刚性边界元约束向平移,铰点沿向对点的相对位移用边界元约束到指定值,铰点、的、向绝对位移都用目皿同一一工程机械,边界元约束到指定值,如图。口口口, , ,梦、扣一一一一图铲斗对称工况铲斗约束反对称工况铲斗约束铲斗力学模型铲斗力学模型如图所示。一动臂
12、力学模型的建立动臂为厚板结构,中间横梁为薄板结构。动臂板的板厚与底面最小尺寸之比为左右,其主要应力沿厚度方向近似线性变化,因此用板单元剖分动臂板和横梁对 动臂板的强度分析只计算联合偏载工况。在动臂的力学模型中包含简化为梁单元的前后铰接销轴,梁单元与动臂板面垂直,并存在绕轴 向转动的刚体位移,要给以相应的约束。对称载荷作用工况,外部约束为、点分别用刚性边界元约束、向平移,点用边界元约束沿动臂缸轴向的位移,边界元的刚度取动臂缸的实际刚度,如图所示。反对称载荷作用工况,外部约束为点用刚性边界元约束向平移,、两点分别用边界元把、向的绝对位移约束到指定值,动臂缸轴向力为零,无约束作用,如图所示。图动臂对
13、称工况动臂约束反对称工况动臂约束动臂力学模型动臂力学模型如图所示。前车架力学模型 的建立前车架为薄板焊接结构,用板单元剖分。对前车架只计算联合偏载工况。对称工况外部约束为、点用刚性边界元分别约束沿、向平移,点用刚性边界元约束向平公移,转向缸梁单元轴向力为零,无约束作用,如图所示。反对称工况外部约束为点用刚性边界元约束向平移,点用边界元把向对点的相对位移约束到指定值,、两点分别用边界元把向绝对位移约束到指定值,动臂缸轴 向作用力为零,如图所不。前车架力学模如图所示。后车架力学模型 的建立后车架主要由厚板构成,用板单元和梁单元剖分。后车架上的重物作用简化成集中力和集中力矩作用。工程机械,一方法对整
14、机模型进行分析,可以为各部件的计算提供合理的计算工况和较为准确的计算载荷及位移边界条件同时,整机模型稍加修改也可用于对装载机的动态特性进行分析,为进一步的动力分析提供依据。对各部件进行结构分析时取结构的一半建立模型,可 以大大减小计算工作量,节省计算费用。如果要对结构的关键部位、局部区域进行更为细致的分析,可在各部件分析的基础上做进一步地细化处理,方便可靠。汽旧禽圈前车架对称工况前车架外部约束反对称工况前车架外部约束前车架力学模型对后车架计算两个对称载荷作用工况铲斗上作用最大铲起力,后轮离地铲斗上作用最大插人阻力,后轮发挥最大牵引力。第一工况外部约束为、点分别用刚性边界元约束向平移,、点分别用
15、刚性边界元约束向平移,如图所示。第二工况外部约束为、点分别用刚性边界元约束向平移,、点分别用刚性边界元约束向平移,如图所示。后车架的力学模型如图所示。以上介绍 了对轮式装载机进行结构强度分析的计算方法,并建立了装载机结构强度分析的整机及各部件的力学模型按上述图后车架第一工况后车架外部约束第二工况后车架外部约束后车架力学模型参考文献吉林工业大学工程机械教研室轮式装载机设计北京中国建筑工业出版社,王硕哲等铰接式装载机车架强度、刚度的计算工程机械叩阎民装载机动臂有 限元分析力学模型工程机械,啊郑永强轮式装载机工作装置有限元模型工程机械,蚁收稿期后一一一工程机械,打耐玩城扮幽比门成加滋比嗯油如目口触目
16、加目腼以砚兄画口皿侧血扣址比昭队皿口】 沁皿岛面】。口毗时血记代过且岭口恤筑昌闻坛址口急四回留比记比过公挤州匡吻门沈碑嗯伪忱加公口加闷侧晚泌比此时恤比也目月血肠如七沁外白,的吧 闷脚盼七山川稚加山,叻悦加咤址”口沁皿皿始”址闪价“以电呢记砰。访加咖五耐二冠沁皿币访曲出习旧明仃加皿岁知吨闪抢心刃刊坛山让粗怕面吨呵脚暇以加如川七 内,肠嗯叮成由,如钱自肚触,幽元】妞 沁已沈。拌州翻伽记川妇坦以月记,盆林帅妞如呢必让如玩吨盯浦取民钱附十介贻,讨飞七卜刘十 阅仗耐详、,。川,门吸血台此此肠,四匕,脚陀“毛肠石沁此吧了,帕咤触户限服血佃时,娜吨回面四活咬卜电七摊七鲍卜肠亩嗯面川五比,峨声拌班毗吨例十妞户
17、碘抚恤加时沐响刀。爬一恤如几以址毗义妞,讲似已纽喘众挤。比啥加朋加讨巴卜加吨七 如姆州比上 劝如,橄比伪祀肠砷吧加时口目川肠山嗯二悦目七州血叮川贻山翔成。川口限扭脚脚扣。双初,抑。回讼时拍限吮活沁沈碑撰找心的叮俐川阮伽晚悦舰户翻的面嗯怕掖州拍翔内,叮幼抽仲心,由加触呻加由山砧卜臼呵加如向如勿自,目认叮洲比”户剐忍“哈】沁叫时咏即心间犯芦扔以月址时目加触哭瓜比声。既目“比山目肠琳加目韶抓军以毗川声加】伴仍皿。声叫五。比砚成犯屺出。,岛近,加面环。叨。”“介州。刊坛加比肪解加口笼此暇扮由目脚山向娜七山目允伽加咖加口时山二己城,压颐回代幻已刃杯璐户笼记正”,优时几叫加此加胃。刊吐自,加二址加份肠吵几帅旧川阮盛臼灿工程机械,
