基于ANSYS的滑移装载机动臂有限元分析与优化

工业技术
科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald
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DOI：10.16660/ki.1674-098X.2020.04.117
基于ANSYS的滑移装载机动臂有限元分析与优化
①
钱珍宝 汪琰 周良稷 花豪 刘勇涛
(江苏柳工机械有限公司小型工程机械研究所 江苏镇江 212005)
摘 要：研究了滑移装载机在典型工况下动臂静力的有限元分析与优化方法，使用ANSYS有限元分析软件对其进行静力分析，通过有限元模型的建立、网格划分、边界条件及载荷的处理得出动臂的应力及应变云图，针对局部应力较大的区域进行分析和优化，使得动臂结构应力的安全系数均大于1.5，得出合理的动臂结构，可供后续滑移装载机动臂的设计及优化提供新的方法。

关键词：滑移装载机 动臂 ANSYS 优化中图分类号：TH243 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2020)02(a)-0117-02
①作者简介：钱珍宝(1981，11—)，男，汉族，安徽安庆人，本科，工程师，研究方向：产品技术。

动臂是滑移装载机的关键部件之一，也是主要的受力部件，在设计之初一般存在局部应力较大，如何快速的识别应力较大区域并对其进行优化，是产品快速开发占领市场的关键性因素。

本文应用ANSYS有限元分析元件，在柳工某滑移装载机设计过程中快速确定动臂的应力较大区域，并进行了优化，满足了设计要求，该分析方法对于滑移装载机动臂的设计具有一定的参考价值。

1 有限元模型的建立
伴随着科学技术快速进步，三维CAD技术在机械设计
中的运用越来越普遍[1]。

本文利用三维PRO/E软件提供的拉伸、旋转、阵列、镜像等建模功能建立动臂的三维实体模型。

模型中省略焊缝，按相同板材连续处理[2]。

为了使有限元分析结果可靠，尽量按实际模型的形状和尺寸建模，同时为了便于网络划分和减少局部的网格数量，对动臂的模型进行了简化处理，去掉了不受力的部分，去掉了螺纹孔及不影响计算结果的倒角等因素[3]。

本文中动臂采用高强度钢板焊接而成，材料为Q 345(16M n )，其屈服极限σs =345M P a ，弹性模量E=2.06×105 MPa，泊松比μ=0.3。

2 网格的划分
该焊接件是由6~12mm钢板组成的，采用薄板单元对
动臂模型进行有限元模型的划分，网格划分结果：单元数129321，节点数229121。

3 边界条件及载荷的处理
整车平置地面、铲斗处于水平放平状态时，规定各构件的坐标系：
X(水平方向载荷)：车辆前进方向为“+”Y(竖直方向载荷)：垂直水平地面向上为“+”Z(垂直方向载荷)：垂直纸面向上为“+”经分析滑移装载机动臂结构特点，利用材料力学中关于力和力矩平衡原理，可计算出铲斗平置地面转斗作业时，动臂正载、偏载各铰点的作用力，用来加载模型。

4 ANSYS有限元求解分析
按照上述3步骤，对有限元模型施加载荷及约束，计算
结果
（应力云图）如图1所示。

由计算结果可知，动臂在正载掘起力的作用下时，其最大应力为310.1MPa，最大变形量为26.2mm，安全系数为n=1.11（345/310.1）；当动臂在偏载掘起力的作用下时，其最大应力为321.9MPa，最大变形量为29mm，安全系数为1.07，虽然最大应力均没有超过材料的屈服极限强度，但
图1 动臂应力云图（正载和偏载）
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安全系数均小于1.5，局部区域应力集中现象严重，存在失效风险。

5 动臂结构优化及分析
5.1 动臂危险点识别
如图2所示，动臂的前部和下部存在危险点1和危险点2，两处区域应力较大，且应力集中现象严重，需要进行重点关注和优化改进。

5.2 动臂结构优化
针对上述危险点，我们本着减小应力集中，增大平滑过渡区域的原则，对动臂结构进行了优化。

如危险点1处我们加大动臂外侧板过渡角度，并在折弯处增加贴板；如图3（a ）、（b ）危险点1优化前后示意图，危险点2处通过增大耳板与动臂侧板过渡圆弧处搭接长度，如图3（c ）、（d）危险点2优化前后示意图。

5.3 优化后有限元分析
按照本文所述的1-4步骤进行实施，动臂结构优化后，偏载危险点1处最大应力为204.68MPa，安全系数为1.69＞1.5，危险点2处最大应力为191.06MPa，安全系数为1.81＞ 1.5。

安全系数相比优化前得到有效的提升，动臂失效风险降低。

使用ANSYS有限元分析软件在典型工况下，对动臂有限元模型的建立、网格划分、边界条件及载荷的处理，得出动臂的应力及应变云图，针对局部应力较大的区域进行优化，使得动臂结构应力的安全系数均大于1.5，得出合理的动臂结构。

6 结语
通过对模型的有限元分析及试验机实际试验结果可以验证，本文所采用的有限元模型是可靠、合理的，并说明利用ANSYS有限元分析软件对滑移装载机关键部件：
动臂进行典型工况静力学模拟分析，是一种行之有效的方法，他可以在设计初期找出模型中的危险点，通过对其进行优化改进，从而加速研发进程和降低关键零部件失效风险，为今后滑移装载机的动臂设计提供了指导方法，由此说明了ANSYS在工程机械设计中的重要性[4]。

参考文献
[1] 田炜.三维CAD技术在机械设计中的应用[J].工业技术创新,2016(3):577-580.
[2] 林明智,邢树鑫.液压挖掘机动臂有限元分析[J].工程机械,2010(1):19-20.
[3] 崔国华,张艳伟.张英爽.土方机械工作装置整理结构的强度分析方法[J].农业工程学报,2008,24(1):157-161. [4] 丁新兵.基于ANSYS的传动轴有限元分析[J].机械工程
与自动化,2017(2):65.
图2 动臂危险点应力云图
图3 动臂危险点优化示意图。