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1、河北工业大学本科毕业设计（论文）初稿毕业设计（论文）题目：挖掘机动臂建模及分析挖掘机操作臂的建模与仿真分析摘要： 挖掘机集挖掘和装载功能于一体，在基础建设和民用建筑建设中的使用与日俱增，但液压挖掘机的工作条件比较恶劣，造成工作装置可靠性较差。本文对挖掘机进行虚拟仿真及运动和有限元分析，从而为改进挖掘机设计、提高挖掘机工作的稳定性提供了理论依据。具体的工作步骤：对挖掘机工作装置进行建模仿真，建立各个零件的三维模型图，装配挖掘机操作臂的三维结构模型，进行挖掘机操作臂的运动仿真模型，并对其运动分析，提供运动性能分析参数；对挖掘机操作臂的进行力学分析，采用ANSYS 分析软件对挖掘机操作臂的主要零部件
2、进行有限元分析，给出出应力分析云图和变形图；能够对分析结构提出建议和意见。 目录1 引言（挖掘机发展概况及仿真分析的意义）11.1 挖掘机的发展历史11.2 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）32 挖掘机工作装置的建模仿真42.1采用UG软件对挖掘机工作装置进行建模仿真42.2挖掘机工作装置的运动仿真113挖掘机工作装置主要结构的受力分析 113.1 斗杆的计算载荷 113.2 斗杆载荷的计算 124 挖掘机工作装置的有限元分析124. 1 有限元分析软件简介1242 ANSYS中的有限元分析步骤164. 3 挖掘机操作臂的有限元分析 20结论29参考文献291 绪论 挖掘机发
3、展概况及仿真分析的意义1.1 挖掘机的发展历史液压挖掘机是功能最典型、结构最复杂、用途最广泛的工程机械之一，作为工程机械的代表产品，它在工业与民用建筑、交通运输、水利电力工程、矿山采掘以及军事工程等施工中起着极为重要的作用1。第一台手动挖掘机问世至今已有130多年的历史，期间经历了由蒸汽驱动斗回转挖掘机到电力驱动和内燃机驱动回转挖掘机、应用机电液一体化技术的全自动液压挖掘机的逐步发展过程。由于液压技术的应用，20世纪40年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机，20世纪50年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机。初期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术，缺少
4、适用于挖掘机各种工况的液压元件，制造质量不够稳定，配套件也不齐全。从20世纪60年代起，液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增。1968-1970年间，液压挖掘机产量已占挖掘机总产量的83%，目前已接近100%。1.1.1 挖掘机的类型及发展趋势工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、美国、俄罗斯、日本是斗容量3.5-40m单斗液压挖掘机的主要生产国，从20世纪80年代开始生产特大型挖掘机。例如，美国马利昂公司生产的斗容量50-150m剥离用挖掘机，斗容量132m的步行式拉铲挖掘机；B-E（布比赛路斯-伊利）公司生产的斗容量168.2m的步行式拉铲挖掘机，
5、斗容量107m的剥离用挖掘机等，是世界上目前最大的挖掘机。从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展。1.1.2挖掘机操作臂的仿真研究实践表明，定点挖掘是挖掘机最常见和最频繁的工作之一，主要由其工作装置完成。而且随着工程机械机器人化的研究发展，液压挖掘机的自动化也逐渐成为各国的研究重点，尤其是局部自动化【2】；在这方面的研究中，多数工作集中在对挖掘机的工作装置进行控制。目前国内外对于挖掘机工作装置控制的研究中，通常把其工作装置作为多自由度的机器手来处理，控制工作装置的末端（即铲斗尖）以跟踪规划好的期望轨迹，期望轨迹就被称为铲斗轨迹控制中的目标值；
6、如：自动挖掘，自动装载等3-5。因此本文着重点就是对挖掘机定点挖掘过程中工作装置机构的动力学进行仿真【6】。挖掘机液压系统是由多个液压元件组成的复杂非线性系统，各液压元件间依靠液压介质进行能量的传递，同时依靠控制系统传递的控制信号实现压力、流量的控制【7】。对挖掘机这样的复杂液压系统进行定性和定量的仿真，依靠传统的仅用微分和差分方程的方法不能很好地模拟系统实际的各种工作性能，因此目前多采用Matlab语言的Simulink模块对挖掘机液压系统进行仿真8。而对于挖掘机这样复杂的机械系统，要想准确地控制其运动，对其进行动力学建模是必不可少的，对其机构的动力学进行仿真采用UG软件，而对其进行有限元分
7、析我们采用Ansys软件9。挖掘机工作装置是一个具有三个自由度的平面连杆系统，分析是可按平面机构进行。普通挖掘机工作装置的结构中铲斗油缸与铲斗的连接一般有两种形式：一种是铲斗与铲斗油缸直接连接的机构形式；另一种是铲斗与铲斗油缸之间通过摇杆和连杆间接连接的机构形式 10。单斗液压挖掘机在实际工作时工作装置承受随机载荷。构件的应力时间历程为一连续的准稳态随机过程。每一个工作周期都由挖掘、回转、卸载，返回等四个过程组成【11】。1.1.3虚拟样机技术的概念及意义挖掘机操作臂的建模与仿真，属于虚拟样机技术。虚拟样机技术是以虚拟样机和虚拟样机环境为基础，将系统工程方法、反求工程方法、优化方法、计算机建模
8、仿真技术、计算机辅助设计技术和计算机支持协同工作、产品数据管理等有机地结合在一起，为产品的全寿命周期设计和评估提供分布式的集成环境，以达到优化整个设计周期，节约开发成本的目的【12】。虚拟样机技术采用数字仿真的形式进行虚拟产品设计开发，仿真模型的参数就是物理样机的设计参数，仿真模型能替代物理样机进行设计参数的测试评估。虚拟样机技术无需制造实物样机就可预见和预测产品的性能，节省了物理样机制造装配时间，减免了高昂成本的物理样机制造过程，降低了开发成本，同时减少了不合理方案盲目上马的风险【13】。1996年世界最大的工程机械设备制造企业caterpiller公司，在反铲装载机新样车设计过程中，曾产生
9、了三个概念上都可行的方案，但在设计过程中采用虚拟样机技术，当技术人员“坐进”虚拟样机驾驶室时发现，其中有两个方案中的驾驶员无法看到反铲连杆最低位置。根据这点，不仅确定了正确的设计方案，节约了其他两个机型制造所需的费用，还减少了不合理方案盲目上马的风险。又如,John Deere 公司曾遇到工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题，采用虚拟样机技术后不仅找到了原因，而且提出了改进方案，同时在虚拟样机上得到了验证，最终应用到实际产品中14。虚拟样机技术采用数字仿真的形式进行虚拟产品设计开发，仿真模型的参数就是物理样机的设计参数，并替代物理样机进行设计参数的测试评估；无需制造实物样机就
10、可预见和预测产品的性能，减免了高昂成本的物理样机制造过程，降低了开发成本15。因此虚拟样机技术用于液压挖掘机开发的整个过程，作为样机设计的有效手段，有助于挖掘机企业部分甚至全部摆脱对物理样机的依赖，达到缩短挖掘机设计开发周期、降低设计成本、提高设计质量、实现挖掘机现代制造模式的目的【16】。1.2 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）1.2.1 本课题要研究或解决的问题（1）、根据挖掘机操作臂的传动原理方案，进行运动学分析。（2）、挖掘机操作臂的建模与仿真分析（3）、采用ansys分析软件对挖掘机操作臂的主要零部件进行有限元分析，做出应力分析云图和变形图。1.2.2 拟采用的手段
11、（1）、查找中外挖掘机相关资料，深入了解挖掘机操作臂的结构形式及运动状态。（2）、学习并利用UG，能够通过软件的方式建模仿真。UG 的建模过程： 1) 确定零件结构。 2) 创建三个固定基准面和三个固定基准轴!XZ 平面、YZ 平面、ZY 平面和X 轴、Y 轴、Z 轴； 3) 建立草图选择XZ 平面为草图平面，用草图中的曲线命令绘制回转体剖面的形状，忽略不影响绘图标注的倒角和圆角；添加几何约束和尺寸约束使草图约束，完成草图。 4) 利用草图生成回转体，完成实体模型。 5) 利用仿真模块对其进行运动仿真。（3）、学习并利用ansys 对操作臂的主要零部件进行有限元分析。利用ansys 软件与UG
12、 的接口，在ansys 软件中加载上面的模型。ANSYS 程序提供了使用便捷、高质量的对CAD 模型进行网格划分的功能。包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由 划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。求解模块SOLUTION 前处理阶段完成建模以后，进入分析求解模块。用ansys分析受力情况，画出应力分布图。分析根据应力变化情况加以改进，来改善操作臂的受力情况。2 挖掘机工作装置的建模仿真2.1采用UG软件对挖掘机工作装置进行建模仿真UG中有三种建模方法：实体建模、特征建模、自由曲面建模。实体建模模块继承了基于草图约束的特征建模算法，提供了强有力的复合建模工具
13、，使用户能够充分利用传统的实体、面、线框造型优势。特征建模模块使用工厂特征定义设计信息，并提供了多种标准的设计特征，可以对这些设计特征进行参数化定义，可以对这些特征进行参数化定义。自由曲线建模用于建立形状复杂的曲面形状，例如叶片或叶轮等复杂的工业零部件的造型设计。对挖掘机的工作装置进行建模大部分采用的是实体建模的方法，个别形状复杂的零件采用了特征建模的方法。挖掘机的工作装置机械结构的三个主要部分为动臂、斗杆、铲斗。下面对这三个部分分别进行建模仿真。2.11动臂的建模 动臂的主体框架是由上盖板、下盖板、左侧板、右侧板焊接而成的箱型结构。上下盖版均由前后两块板拼焊而成，每块板都采用厚度为15mm的
14、12MnTiN6钢板，焊接形式为“45o斜线”焊缝。左右侧板分别由前、后、中三块钢板拼焊而成。前、后版都采用厚度为12mm的12MnTiN6钢板，中侧板采用厚度为15mm的12MnTiN6钢板。侧板间的焊接形式为斜线焊缝。动臂与转台、斗杆联结的轴座均用ZG270-550材料铸造而成，与动臂油缸联结的轴座也是用ZG270-550材料铸造而成，在轴座四周焊有四块筋板以提高强度，上述轴座分别与箱形框架焊接成为动臂。在框架的不同位置还焊有三块筋板以提高强度。在动臂上平面的前、后部个焊有两个吊耳。以便装配盒拆卸时吊用。斗杆油缸的联接座焊在箱形框架上。图2.1动臂上盖板模型图2.2 动臂下盖板模型图图2.
15、3 动臂下轴承支座图2.4 动臂连接座模型图2.5 动臂侧板模型图2.6 液压缸在动臂上的支座图2.7 动臂结构总成图2.1.2 斗杆主要结构及其建模斗杆的主体框架是由上盖板、下盖板、左盖板、右盖板个一块焊接而成的箱形结构。上盖板和下盖板均是厚度为20mm的12MnTiN6钢板。左、右侧板分别由前、中、后三块钢板拼焊而成。前板采用厚度为20mm的12MnTiN6钢板，中侧板采用厚度为12mm的12MnTiN6钢板，厚板采用厚度为15mm的12MnTiN6钢板。侧板见的焊接形式为斜线焊缝。与铲斗、斗杆油缸联结的轴座均由35钢管加工而成。个轴座分别与箱形框架焊合而成斗杆。图2.8 斗杆上盖板模型图2.9 斗杆下盖板模型图2.10 斗杆侧板图2.11 斗杆油缸连接座图2.12 连杆连接座图2.13 铲斗油缸连接座图2.14 斗杆装配图2.1.3铲斗部分的建模挖斗得平斗斗容为1m3。挖斗的斗体由钢板拼焊而成，斗底板上的筋板材料为A3F。斗杆连接座由35钢管加工而成，并与斗体焊接成一体。斗齿采用ZG40Mn材料铸造而成，它与斗体是通过螺栓连接起来的。图2.15 斗齿的模型图2.16 铲斗连接座图2.17 铲斗装配图2
