工程機械結(jié)構(gòu)動態(tài)應(yīng)力仿真應(yīng)用

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【摘要】工程機械使用中會因為應(yīng)力集中、工況復(fù)雜等發(fā)生結(jié)構(gòu)件斷裂等故障。如何在設(shè)計階段進行有效規(guī)避，是工程機械行業(yè)設(shè)計的一大難題。經(jīng)對比研究，利用Virtual.Lab軟件進行計算機應(yīng)力分析，可以很好解決此類問題。以挖掘機為例，在軟件系統(tǒng)中我們模擬挖掘機整車運行系統(tǒng)，生成剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型，采用模態(tài)綜合法將挖機各主結(jié)構(gòu)件作為柔性體置于整車模型中，計算各結(jié)構(gòu)件的動態(tài)應(yīng)力，同時配合實際的對比試驗驗證，結(jié)果表明該多體動力學(xué)模型能較好地反映挖掘機實際應(yīng)力測試工況的動力學(xué)特性。經(jīng)多次測試，可以利用動態(tài)仿真方法在挖機故障分析中進行應(yīng)用，此方法代替了整機實際的應(yīng)力測試，具有較高的工程應(yīng)用和推廣價值。

【關(guān)鍵詞】工程機械；動態(tài)應(yīng)力仿真；應(yīng)用

前言

在工程機械施工中，挖掘機因其施工條件惡劣，施工環(huán)境復(fù)雜，施工強度大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件容易開裂，最終導(dǎo)致挖掘機無法正常施工，影響工作效率，甚至引發(fā)安全事故。同時因為挖掘機結(jié)構(gòu)件開裂故障將直接影響生產(chǎn)公司產(chǎn)品在行業(yè)內(nèi)的口碑，最終影響公司的品牌價值。經(jīng)過對施工現(xiàn)場故障挖掘機分析發(fā)現(xiàn)，挖掘機結(jié)構(gòu)件開裂故障多數(shù)由挖掘機的疲勞使用引起，應(yīng)力集中最終導(dǎo)致故障發(fā)生。挖掘機的動態(tài)應(yīng)力測試可以很好發(fā)現(xiàn)這些故障點，從而在設(shè)計環(huán)節(jié)予以改進。但實際動態(tài)應(yīng)力測試試驗主要面臨試驗成本高、試驗周期長等問題。所以挖掘機動態(tài)應(yīng)力仿真正好規(guī)避了此類問題，成為一個最適宜使用的替代解決方案。結(jié)構(gòu)件動態(tài)應(yīng)力仿真計算目前已成為機械仿真技術(shù)研究熱點，在技術(shù)上先后提出了多剛體系統(tǒng)仿真、擬靜態(tài)有限元分析法、模態(tài)應(yīng)力疊加法、混合方法等[1~4]。在對挖掘機進行結(jié)構(gòu)件動態(tài)應(yīng)力仿真計算測試過程中，各主結(jié)構(gòu)件的實際載荷受測試動作、實際結(jié)構(gòu)、聯(lián)合動作等諸多因素影響，難以提取實際載荷對結(jié)構(gòu)件進行單獨的分析，所以考慮把多個結(jié)構(gòu)件作為一個柔性體進行仿真設(shè)計，將此柔性體置于挖掘機整車剛?cè)狁詈隙囿w模型中，采用模態(tài)綜合法計算各結(jié)構(gòu)件的動應(yīng)力，對整車結(jié)構(gòu)件進行多體動力學(xué)分析。實驗表明，此方法能夠準(zhǔn)確地模擬挖掘機各結(jié)構(gòu)件的真實受力狀況并顯示出來。仿真測試不僅可以模擬各結(jié)構(gòu)件在挖掘機實際應(yīng)力測試過程中產(chǎn)生的瞬時應(yīng)力分布云圖，而且可以得到模型中任意結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵部位對應(yīng)的動應(yīng)力-時間分析圖，經(jīng)對比，其效果和挖掘機測試過程中實際數(shù)據(jù)基本保持一致。

1挖掘機力學(xué)模型

經(jīng)過對其簡化設(shè)計，在圖中建立所示的模擬坐標(biāo)系XOY，使其置于工作裝置的垂直對稱平面內(nèi)，O點與挖掘機大臂動力軸心鉸點A重合，X軸與停機面平行指向工作裝置鏟斗方向，Y軸與X軸垂直并垂直向上。在仿真測試中可以忽略各搖桿和連桿等自重的影響，考慮挖掘機作業(yè)過程中工作裝置受到的主動力有油缸壓力和自身重力，被動力有挖掘阻力。將地面作用于鏟斗的挖掘阻力向切削刃板J點簡化，得到作用于J點的挖掘阻力FJ和MJ阻力矩，將挖掘阻力FJ分別向X、Y方向分解為FJX和FJY。為求解挖掘阻力FJ和MJ阻力矩，分別對G、B、A三個鉸點列力矩平衡方程如下：以鏟斗為研究對象，對G點列力矩平衡方程：F3TE3+G3XG3-XG"#=-FJXYJ-YG"$+FJYXJ-XG%$+MJ（1）以鏟斗和斗桿為研究對象，對B點列力矩平衡方程：F2TE2+G3XG3-XB"$+G2XG2-XB"$=-FJXYJ-YB"$+JJYXJ-XB"$+MJ（2）以工作裝置整體為研究對象，對A列力矩平衡方程：-F1TE1+G3XG3-XA!"+G2XG2-XA!"+G1XG1-XA!"=-FJXYJ-YA!"+FJYXJ-XA!"+MJ（3）聯(lián)立方程（1）、（2）、（3），即可求解得到挖掘阻力FJ在X、Y方向的分力FJX、FJY和阻力矩MJ。

2挖掘機整車多體動力學(xué)建模

多體仿真前處理、求解、后處理均采用Virtual.Lab軟件，該軟件的幾何建模環(huán)境及界面與CAD軟件一致，便于修改與裝配模型、調(diào)整挖掘姿態(tài)和回轉(zhuǎn)角度，快速建立挖掘機多體動力學(xué)整機模型；同時該軟件具有很強的有限元分析功能，尤其是對機械結(jié)構(gòu)的剛?cè)狁詈戏抡嫘阅?，方便提取動態(tài)應(yīng)力；還具有強大的履帶建模功能，快速建立挖掘機履帶模型。在Pro/E軟件中進行三維建模后，需要對模型進行簡化處理，刪除螺栓、輸油管、銷軸、線束、管夾等對分析影響不大的小零件，輸出STP格式文件作為與多體動力學(xué)軟件的接口。在多體動力學(xué)軟件中對挖掘機進行裝配，主要包括鏟斗、斗桿、動臂、平臺、下車、搖桿、連桿、四輪一帶、油缸桿、油缸筒等，作為獨立部件；另外平臺上發(fā)動機、泵、閥、散熱器等附件簡化為質(zhì)量點代替。根據(jù)挖掘機作業(yè)時的運動特點，規(guī)劃各部件之間的運動關(guān)系并施加約束。設(shè)置旋轉(zhuǎn)副代替銷軸與軸套的運動、移動副代替油缸運動，將回轉(zhuǎn)支撐與平臺、下車連接的螺栓采用彈簧模擬，下車履帶板之間設(shè)置彈簧連接，履帶板與各個輪子之間定義接觸，將地面模型設(shè)置固定約束，將鏟斗、履帶與地面之間設(shè)置接觸。將挖掘機主結(jié)構(gòu)件（動臂、斗桿、平臺、下車）離散成有限元網(wǎng)格，注意網(wǎng)格疏密，單元數(shù)盡量控制在100萬以內(nèi)，柔性體替換對應(yīng)的剛體模型，柔性體裝配流程所示。將柔性體與其他構(gòu)件連接時須在柔性體上建立外部連接點，采用剛性連接單元Reb2，柔性體連接點坐標(biāo)值與對應(yīng)的多體動力學(xué)模型坐標(biāo)需一致。

3多體動力學(xué)計算

求解器設(shè)置中分析類型設(shè)為DYNAMIC，全局坐標(biāo)系Y軸負(fù)向為重力場方向，采樣步長0.01s，最大積分步長0.001s，積分?jǐn)?shù)值方法采用BDF算法，量綱為毫米、噸、牛頓。通過對挖掘機三組油缸推力（由測得的油缸壓力推算）、油缸位移數(shù)據(jù)進行分析，以此作為多體仿真分析的驅(qū)動進行計算，可得到各個時刻下各主結(jié)構(gòu)件（動臂、斗桿、平臺、下車）的應(yīng)力分布情況，輸出結(jié)構(gòu)件應(yīng)力云圖、關(guān)鍵部位的應(yīng)力-時間歷程曲線。選取某款挖機進行仿真分析并測試標(biāo)定。圖2為標(biāo)定后工作裝置測點的仿真與試驗得到應(yīng)力變化曲線，可以看出兩條應(yīng)力曲線形狀相似，變化趨勢一致，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果較好地吻合，表明建立的挖機整車剛?cè)狁詈夏Ｐ湍茌^好地反映實際應(yīng)力測試工況的動力學(xué)特性。

4仿真分析應(yīng)用案例

在對挖掘機發(fā)生的動臂開裂實際故障對比研究中，裂紋產(chǎn)生在焊接部位處，隨后對故障部位的結(jié)構(gòu)重新設(shè)計調(diào)整。為比較結(jié)構(gòu)改進前后的效果，原本需要進行兩次應(yīng)力測試，此次采用挖機多體動力學(xué)仿真分析來替代實際的應(yīng)力測試。根據(jù)仿真分析結(jié)果，得到動臂故障部位的應(yīng)力-時間歷程曲線，如圖3左圖所示，該故障部位在作業(yè)時以拉應(yīng)力為主，最大拉應(yīng)力206MPa，應(yīng)力范圍為243MPa。右圖為改進后結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-時間歷程曲線，最大拉應(yīng)力140MPa，應(yīng)力范圍為175MPa，改進后結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值下降32%，應(yīng)力幅值下降28%。動臂故障部位結(jié)構(gòu)改進后，目前已不再發(fā)生類似的開裂故障。

5結(jié)論

（1）采用剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)的方法建立工程機械的整車模型，將各主結(jié)構(gòu)件作為柔性體置于整車模型中，采用模態(tài)綜合法計算各結(jié)構(gòu)件的動態(tài)應(yīng)力，隨后進行試驗驗證，仿真分析結(jié)果能夠與試驗結(jié)果較好地吻合，表明該多體模型能較好地反映機器實際應(yīng)力測試工況的動力學(xué)特性。（2）機械動態(tài)應(yīng)力多體仿真方法在結(jié)構(gòu)件開裂故障中進行了應(yīng)用，代替實際應(yīng)力測試，故障部位應(yīng)力仿真結(jié)果由243MPa降為175MPa，減少28%，結(jié)構(gòu)改進后無故障發(fā)生，因此工程機械結(jié)構(gòu)件動態(tài)應(yīng)力仿真與應(yīng)用可以實際有效應(yīng)用到多種工程機械中。

參考文獻

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作者:葛子紅 單位:安徽省科技館