基于仿真优化的掘进机铲板受力分析与研究
基于蒙特卡洛模拟的挖掘机铲斗结构优化研究
基于蒙特卡洛模拟的挖掘机铲斗结构优化研究作者：沈振辉杨拴强来源：《价值工程》2014年第04期摘要：针对现有铲斗结构优化设计存在的容易陷入局部最优解、优化效率较低等问题，以“在GB9141-88规定的4种工况下铲斗结构最大应力不增加且体积最小”为目标，提出基于蒙特卡洛模拟的挖掘机铲斗结构优化方法，并以某斗容为1m3的挖掘机铲斗结构优化为例，验证了基于蒙特卡洛模拟的挖掘机铲斗结构优化方法的可行性和有效性。
关键词：蒙特卡洛模拟；挖掘机；铲斗；结构优化中图分类号：TU621 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）04-0039-030 引言挖掘机械是土石方开挖的主要工程机械设备。
近年来，我国挖掘机市场迅速递增，但并没有国产挖掘机产销量的相应增长，主要原因是国内工程机械发展起步较晚，技术水平、质量、可靠性参差不齐[1]。
除材料本身的缺陷较易造成低应力脆断外，由于设计方法和优化策略尚不完善，设计的主构件经常出现结构笨重，操控性能差，能耗大，存在安全隐患等缺陷。
因此，大力发展我国挖掘机工作装置结构优化技术，有着重大意义。
铲斗是挖掘机工作装置主构件之一，其力学性能决定着挖掘机整机作业性能。
目前国内外针对铲斗结构优化设计的研究较少。
目前的研究中，部分学者选取偏载和正载两种工况作为计算工况，通过等效应力图对模型提出了铲斗结构改进措施，实现了铲斗结构的优化[2]。
也有部分学者在Pro/Engineer软件中建立了液压挖掘机铲斗实体模型，运用参数优化设计的方法对铲斗的结构进行优化，减轻了铲斗的质量[3]。
但通过结构改进进行优化的方法中，参数调整方向与大小的选择存在一定盲目性，优化结果只是较优的方案，依然可能存在强度分布不合理，结构笨重等特点。
在参数优化设计方法中，优化结果质量的降低由提高结构最大应力实现，牺牲了铲斗的设计安全系数，可能导致实际作业过程中，铲斗在外界扰动下产生结构失效。
因此，有必要研究能够在保证安全系数的同时实现降低结构质量的优化算法。
机械设计制造中的受力分析与模拟研究
机械设计制造中的受力分析与模拟研究引言：机械设计制造是现代工程领域中至关重要的一个方面。
在设计和制造一个机械设备时，受力分析与模拟研究是不可或缺的步骤。
通过准确的受力分析与模拟研究，可以优化设计方案，提高机械设备的性能和可靠性。
本文将介绍机械设计制造中的受力分析与模拟研究的重要性以及常用的方法和工具。
一、受力分析的重要性受力分析是机械设计制造中非常重要且基础的一环。
通过受力分析，可以确定机械设备在不同工况下的受力情况，找出可能存在的弱点和问题，并通过优化设计进行改进。
受力分析能够帮助工程师确保机械设备在使用过程中不会发生过载、断裂、变形或其他不可预测的破坏现象，从而提高机械设备的可靠性和寿命。
二、受力分析的常用方法和工具1. 刚体分析刚体分析是一种基本的受力分析方法，适用于那些结构相对简单且受力较为集中的机械设备。
在刚体分析中，假设机械设备是刚体，通过确定受力和力矩的平衡条件，计算出各个连接点的受力状态。
刚体分析可以帮助工程师初步了解机械设备的受力情况，并为后续的详细分析提供基础。
2. 有限元分析有限元分析是一种广泛应用于机械设计制造中的受力分析方法。
它将复杂的结构分解为多个小的有限元单元，在每个单元内进行受力分析，然后再将结果整合到整个结构上。
有限元分析可以考虑材料的非线性特性和结构的复杂几何形状，具有较高的准确性和逼真度。
同时，有限元分析还可以模拟不同工况下的受力情况，帮助工程师对机械设备进行性能和安全性评估。
3. 数值模拟数值模拟是一种基于计算机仿真的受力分析方法。
通过建立数学模型和物理模型，并运用数值计算方法，可以模拟机械设备在实际工作条件下的受力情况。
数值模拟可以在较短的时间内得到较为准确的结果，帮助工程师快速评估不同设计方案的可行性，并进行优化设计。
4. 实验测试实验测试是受力分析的一种重要手段，尤其适用于对复杂结构和不确定因素较多的机械设备的受力分析。
通过在实际工作环境下进行加载和监测，可以直接测量和观察机械设备的受力情况。
《铲式挖掘部件仿生设计及减阻脱附性能研究》
《铲式挖掘部件仿生设计及减阻脱附性能研究》篇一一、引言铲式挖掘部件作为工程机械中重要的作业工具，其性能的优劣直接关系到工程效率与成本。
随着科技的发展和仿生学研究的深入，挖掘部件的设计越来越倾向于生物仿生设计。
本研究将通过对铲式挖掘部件的仿生设计及其减阻脱附性能进行深入研究，旨在提升挖掘部件的工作效率和耐用性。
二、铲式挖掘部件仿生设计铲式挖掘部件的仿生设计主要是借鉴自然界中生物的形态和结构特点，以实现更好的工作性能。
本研究将选取一些具有代表性的生物形态，如动物骨骼、昆虫足部等，进行形态分析和结构优化，以实现铲式挖掘部件的仿生设计。
首先，对生物形态进行详细分析，提取其结构特点和优势。
例如，动物骨骼具有较高的强度和韧性，而昆虫足部具有较好的抓地力和适应性。
其次，根据挖掘作业的特点和要求，对铲式挖掘部件进行结构优化。
例如，可以借鉴动物骨骼的强度和韧性，改进铲斗的结构，提高其承载能力和耐用性；同时，借鉴昆虫足部的抓地力，优化铲刀的形状和角度，提高其挖掘效率和脱附能力。
三、减阻脱附性能研究铲式挖掘部件的减阻脱附性能是衡量其工作性能的重要指标。
本研究将从流体力学和仿生学的角度出发，对铲式挖掘部件的减阻脱附性能进行深入研究。
首先，通过流体力学分析，研究铲式挖掘部件在作业过程中所受到的阻力来源和大小。
其次，针对阻力问题，通过仿生设计的方法，改进铲式挖掘部件的结构和形状，以降低阻力。
例如，可以借鉴鲨鱼皮层的微结构，对铲刀表面进行微纳米级加工，以减小摩擦阻力和水流阻力。
此外，还可以通过优化铲斗的结构和角度，改善土壤或岩石的脱附性能。
四、实验与结果分析为了验证仿生设计的有效性，本研究将进行一系列的实验和结果分析。
首先，通过仿真软件对改进后的铲式挖掘部件进行虚拟仿真实验，预测其工作性能和减阻脱附效果。
其次，进行实地试验，将改进后的铲式挖掘部件安装在工程机械上，进行实际作业测试。
最后，对实验结果进行分析和比较，评估仿生设计的优劣和减阻脱附性能的提升程度。
掘进机本体的仿真分析
性 能 。
口将 Ｐ ｒ ｏ ／ Ｅ建立好 的零件 导入 到 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ中进行 柔 性
化 处 理 。利 用 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ软件生 成柔 性 文件 大致 分为
中图分类 号： Ｔ Ｈ ２ １
文献标 志码 ： Ａ
文章编号 ： １ ０ ０ ７ — ４ ４ １ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ — ０ ０ ３ ９ — ０ ３
Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ａｎ ｏ ｆ Ｒｏａ ｄ ｈｅ ａ ｄｅ ｒ ＬＩ Ｗｅ ｎ— ｌ ｉ ａ ｎ ｇ，ＸＵ Ｐ ｅ ｉ ，ＭＩ ＡＯ Ｘｉ ａ ｎ ｇ— ｙ ｕ ｎ，ＺＨＡＮＧ Ｄｉ ａ ｎ－ｌ ｏ ｎｇ
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Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｃｏ ｍｂ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ｗ ｉ ｔ ｈ ＥＢ Ｚ ２ ２ ０ ｒ ｏ ａ ｄ ｈ ｅ ａ ｄ ｅ ｒ ，ｔ ｈ ｅ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｏ ｆ ｒ ｅ ｌ ｉ ａ ｂ ｌ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｆ ｏ ｒ ｆ ｒ ａ ｍｅ ｂ ｏ ｄ ｙ ｏ ｆ ｒ ｏ ａ ｄ ｈ ｅ ａ ｄ ｅ ｒ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｐ ｒ ０ ／ Ｅ， ＡＮＳ ＹＳ ａ ｎ ｄ ＡＤ ＡＭＳ ｉ ｓ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ．Ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ａ ｄ ｈ ｅ ａ ｄ ｅ ｒ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｓ ｂ ｕ ｉ ｌ ｔ ｂ ｙ Ｐ ｒ ｏ ／ Ｅ，ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｉ ｓ ｉ ｍｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｏ ＡＮ Ｓ ＹＳ ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ — ｆ ａ ｃ ｅ ｂ ｅ ｔ ｗ ｅ ｅ ｎ Ｐ ｒ ｏ ／ Ｅ ａ ｎ ｄ ＡＮＳ Ｙ Ｓ．Ｔ ｈ ｅ ｎ ＡＤ ＡＭＳ ｉ ｓ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｎ ｅ ｎ ｔ ｍｏ ｄ ｅ ．Ａｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ — ｓ ｉ ｓ ，ｉ ｔ ｃ ａ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ａ ｓ ｔ ｔ ｈ ｅ ｐ ｅ ｆ ｒ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ， ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｃ ａ ｎ ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｓ ｃ ｈ ｅ ｍｅ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ａ ｄ ｈ ｅ ａ ｄ ｅ ｒ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：ｒ ｏ ａ ｄ ｈ ｅ ａ ｄ ｅ ｒ ；ｍｏ ｄ ａ ｌ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ；ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ
基于ADAMS的液压挖掘机铲斗机构优化
基于ADAMS的液压挖掘机铲斗机构优化液压挖掘机铲斗机构是挖掘机的重要组成部分，其性能直接影响挖掘机的作业效率和稳定性。
为了优化液压挖掘机铲斗机构的性能，可以基于ADAMS进行建模和优化。
首先，可以使用ADAMS对液压挖掘机铲斗机构进行三维建模。
ADAMS 具有强大的建模能力，能够准确地描述物体的运动学和动力学特性。
通过建模，可以获得液压挖掘机铲斗机构的运动学和动力学参数，包括关节的位置、速度、加速度等。
这些参数对于优化设计是非常重要的。
其次，可以利用ADAMS进行动力学分析。
通过对液压挖掘机铲斗机构的动力学分析，可以确定其在工作过程中的受力情况和更好地理解其工作原理。
动力学分析可以揭示铲斗在不同工况下的受力特点，帮助我们理解其结构强度和稳定性，并为优化设计提供依据。
然后，可以使用ADAMS进行逆向优化。
通过将液压挖掘机铲斗机构的性能指标设为目标函数，将设计变量（如关节长度、连接方式等）设为待优化的参数，利用ADAMS的优化算法进行和调整，以找到使目标函数最小化的最佳设计方案。
通过逆向优化，可以根据实际需求来优化液压挖掘机铲斗机构的设计，提高其工作效率和稳定性。
最后，可以利用ADAMS进行静态和动态仿真。
通过仿真，可以验证优化后的液压挖掘机铲斗机构的性能是否满足设计要求，并对其工作过程进行评估和预测。
静态仿真可以检验铲斗机构的稳定性和载荷承受能力，而动态仿真可以模拟实际工作环境下的挖掘机作业过程，进一步验证其性能和可靠性。
综上所述，基于ADAMS的液压挖掘机铲斗机构优化可以通过建模、动力学分析、逆向优化和仿真等步骤进行。
通过这一过程，可以得到性能更优的液压挖掘机铲斗机构设计，提高挖掘机的作业效率和稳定性。
掘进机装载机构的运动学分析及优化设计的开题报告
掘进机装载机构的运动学分析及优化设计的开题报告一、选题的背景和意义掘进机装载机构是现代矿山生产中不可或缺的重要设备，它具有提高掘进效率和减少人工劳动的功能，广泛应用于煤矿、金属矿山和建筑工地等领域。
掘进机装载机构有着复杂的运动学结构和工作原理，其性能直接影响到整个设备的工作效率和安全性能。
为了提高掘进机装载机构的工作效率，降低工作成本和减少人力资源的浪费，需要对其运动学结构进行深入的研究和优化设计。
二、论文的研究目的和内容本论文旨在通过对掘进机装载机构的运动学结构进行分析和优化，提出一种高效、安全、节能的掘进机装载机构设计方案，以期为相关领域提供一定的理论和实践指导。
具体研究内容包括以下几个方面：1. 掘进机装载机构的运动学模型建立通过对掘进机装载机构的机械结构、运动学原理和工作条件进行深入的分析，建立其合理的单刚体或多刚体运动学模型，为后续的优化设计和仿真分析提供基础。
2. 掘进机装载机构的优化设计在分析了掘进机装载机构的运动学模型后，根据其工作过程中的要求和特点，针对其运动学结构进行优化，以提高其工作效率、降低能耗和提高安全性能。
考虑到优化设计的复杂性，可以采用仿真软件对设计方案进行验证。
3. 掘进机装载机构的效果评估通过对掘进机装载机构进行实际使用测试或仿真仿真测试，评估设计方案的效果，包括其工作效率、安全性能和节能效果等。
并针对测试结果进行分析和总结，提出进一步改进的措施。
三、论文的创新性和应用价值本文对掘进机装载机构的运动学结构进行系统的分析和优化设计，提出了一种高效、安全、节能的掘进机装载机构设计方案，并通过仿真和实际测试对其效果进行评估，拓展了该领域的研究和应用实践。
该设计方案具有以下创新性和应用价值：1. 综合了掘进机装载机构的工作要求，对其运动学结构进行细致的分析和优化，提出了一种具有更高工作效率和更好安全性能的设计方案。
2. 采用了现代化的仿真软件，对设计方案进行了深入的验证和评估，提高了方案的可行性和实用性。
液压挖掘机反铲装置工作过程仿真研究报告
动臂。
虽然使结构和操作复杂化，但在挖掘机作业中可随时大幅度调整上、下动臂之间的夹角，从而提高挖掘机的作业性能，尤其掘窄而深的基坑时，容易得到较大距离的垂直挖掘轨迹，提高挖掘质量和生产率。
组合式动臂的优点是，可以根据作业条件随意调整和挖掘力，且调整时间短。
此外，它的互换工作装置多，可满足各种作业的需要，装车运输方便。
其缺点是质量大、制造成本高，一机上。
的是组合式动臂。
挖掘机反铲装置的分析作性能参数量0.8m3。
掘深度4.39m。
掘高度4.64m。
掘半径5.52m。
载高度2.66m。
掘力(最大>52kN。
置运动学分析示，反铲装置的几何位置取决于动臂油缸的长度L1，斗杆油缸的长度L2和铲斗油缸的长度L3。
当L1、L2和L3为一组定值时，便Yv>的一组值与其对应。
反之，对于Xv和Yv的一组定值却有许多组L1、L2、L3值与其对应。
图1 动臂机构计算简图构。
∠UCF是动臂油缸L1的函数。
动臂上任意一点在任一时刻的位置坐标也都是L1的函数。
构。
置参数是动臂油缸L1和斗杆油缸L2的函数。
这里暂先讨论斗杆相对于动臂的运动，即只考虑L2的影响。
斗杆机构与动臂机构性质连杆机构，但连杆比不同。
其连杆机构。
动是动臂油缸L1、斗杆油缸L2和铲斗油缸L3的函数，情况较复杂。
这里暂讨论铲斗相对于斗杆的运动。
置动力学分析力的分析。
工作时，即可用铲斗油缸挖掘(简称转斗挖掘>，也可用斗杆油缸挖掘(简称斗杆挖掘>，或做复合动作挖掘。
掘阻力的计算。
时，土壤切削力随挖掘深度改变而有明显变化，经实验转斗挖掘时的切削阻力与切削深度基本上成正比。
但总地来说，前半过程切削，因前半过程的切削角不利，产生了较大的切削阻力。
切削阻力的切向分力与土壤硬度、转斗切削半径、挖掘过程中铲斗总转角、铲、切削角、斗侧壁厚度和切削刃挤压土壤的力有关。
转斗挖掘的平均阻力可按平均挖掘深度下的阻力计算，也把半月形切削断面看作面，条形断面的长度可看作成斗齿转过的圆弧长度与其相应之弦的平均值。
《铲式挖掘部件仿生设计及减阻脱附性能研究》
《铲式挖掘部件仿生设计及减阻脱附性能研究》篇一一、引言铲式挖掘部件作为工程机械中重要的作业工具，其性能的优劣直接关系到工程效率与成本。
随着科技的发展，仿生设计理念逐渐被引入到铲式挖掘部件的设计中，以期通过模仿自然界的生物结构与功能，达到提高铲式挖掘部件的减阻脱附性能。
本文即旨在探究铲式挖掘部件的仿生设计，并就其减阻脱附性能展开深入研究。
二、铲式挖掘部件仿生设计概述铲式挖掘部件的仿生设计，主要是通过模仿自然界中生物的形态与结构，对铲式挖掘部件进行优化设计。
这种设计理念源于仿生学的原理，通过对生物体结构与功能的深入研究，提取出有利于提高铲式挖掘部件性能的设计元素。
在仿生设计中，我们主要借鉴了如鲨鱼皮肤、蝴蝶翅膀等生物体的表面结构。
这些生物体表面具有独特的微观结构，能够有效地降低流体阻力，提高表面的自清洁性能。
通过将这些生物体的特性应用到铲式挖掘部件的设计中，我们期望能够提高其减阻脱附性能。
三、铲式挖掘部件的减阻脱附性能研究1. 减阻性能研究铲式挖掘部件的减阻性能主要受到其表面形态与流线型设计的影响。
通过仿生设计，我们可以在铲式挖掘部件表面形成类似于鲨鱼皮肤的微观结构，这种结构能够有效地减小流体在表面产生的摩擦阻力。
此外，流线型设计也能够降低空气动力学阻力，从而提高铲式挖掘部件的减阻性能。
2. 脱附性能研究脱附性能是指铲式挖掘部件在作业过程中，能够有效地将附着在表面的泥土、杂质等物质脱离的能力。
通过仿生设计，我们可以借鉴蝴蝶翅膀等生物体的自清洁特性，使铲式挖掘部件表面具有更好的脱附性能。
这种设计能够有效地减少铲式挖掘部件在作业过程中因附着物质而产生的阻力，提高作业效率。
四、实验与分析为了验证铲式挖掘部件仿生设计的减阻脱附性能，我们进行了大量的实验。
通过对比仿生设计与传统设计的铲式挖掘部件在流体阻力、脱附能力等方面的表现，我们发现仿生设计的铲式挖掘部件在减阻脱附性能方面有着显著的优势。
具体而言，仿生设计的铲式挖掘部件能够有效降低流体阻力，提高流线型设计的效率；同时，其表面具有更好的脱附性能，能够有效地减少附着物质对作业的影响。
掘进机铲板受力分析
８ ．５ ９ ４ ｅ一 ０ ０１
当井 下底 板 条件 较 差 时 ， 通 常会 用 到铲 板 进 行 左 右侧 移机 ， 在 移机 过程 中 铲 板会 出现铲 尖 两 侧 受力 的
情况 ， 如图 ３ 所示 。
当 窝机或 整 机前 后 不能 移 动时 ， 将 铲 板 全部 落 下 支撑 起 整机 ， 铲板 会 出现铲 尖底部 全 部受 力 的情况 ， 如
模型 名称 ： 铲板板一体一 ８ ＾ 主 算例名称 ｛ 静应力分析１（ Ｄ ｅ — ｆ ａ ｕ ｉ ｔ 一 ） 图解类型 ： 静态位移 位移 １
５ ２ ９ ５ ２ ５ ２ ５ ３ ６ ５ ２ ５ ２ ０ ｌ １ ７ ０ ４ ５ １ ２ ８ ８ ５ ０ ８７ ０ ５ ０ ４ ５ ４ ５ ０ ０ ３ ６ １ ９ ．０ ３ ９
图 ４所 示 。
本 文研 究 的铲 板结 构 示意 图如 图 １所示 。
图 ｌ 铲 板 结 构 示 意 图
图 ３ 铲 尖 两 侧 受 力
图 ４ 铲尖底部全部 受力 ห้องสมุดไป่ตู้
铲 板在 理论 工况 下 主要受 到 支撑整 机重 量 时整机
给铲 板 的压 力 Ｆ ！ （ 如 图 ２所 示 ） ． 本 研 究 的 整 机 重 量 为
９ ９ ３ ｌ１ １ ５ ２ ■８ ８ ２ ７ ９ ６ ８ ０
—
模型名称 ：铲板板一体一 ８ Ａ 主
Ｕ Ｒ Ｅ Ｓ（ ｍ ｍ ）
８ ● ８ ● ７ ■ ７ ● ６ ● ６ ● ６ ● ５ ● ６ ● ４ ● ４ ● ３ ● ３ ● ３ ● ２ ● ２ ● ｉ ●
曩
． ． ！
实际工况 中受 力 十分 复杂 ， 疲 劳磨 损经 常发 生。铲板 的 疲劳破坏严重影 响井下 的生 产装 运效率 。 为提高 装 载效 率， 本文利用 Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ 对铲板 的结构进行可靠性分 析。
挖掘装载机装载工作装置动力分析、动态应力仿真研究及动臂结构拓扑优化
挖掘装载机装载工作装置动力分析、动态应力仿真研究及动臂结构拓扑优化一、本文概述本文旨在深入研究挖掘装载机装载工作装置的动力学特性，通过动态应力仿真分析，揭示装载工作装置在作业过程中的应力分布与变化规律，并在此基础上，对动臂结构进行拓扑优化，以提升其结构性能和使用寿命。
研究过程中，将结合理论分析、仿真模拟和实验验证等多种手段，构建全面、精确的动力学模型，并对模型的有效性进行验证。
本文的研究成果将为挖掘装载机的设计与优化提供重要的理论依据和技术支持，有助于提高装载机的作业效率和安全性能，促进挖掘机行业的持续发展。
在文章的结构安排上，首先将对挖掘装载机装载工作装置的动力学特性进行概述，为后续研究奠定基础。
接着，将详细介绍动态应力仿真分析的方法与过程，包括模型的建立、边界条件的设定、仿真结果的分析等。
在此基础上，将探讨动臂结构的拓扑优化方法，包括拓扑优化理论、优化模型的构建以及优化结果的评价等。
将通过实验验证仿真分析的有效性和拓扑优化的可行性，进一步说明研究成果的实用价值和应用前景。
本文将全面深入地挖掘装载机装载工作装置的动力学特性和动态应力变化规律，通过对动臂结构的拓扑优化，为挖掘装载机的设计与优化提供有力支持，推动挖掘机行业的技术进步和创新发展。
二、挖掘装载机装载工作装置动力分析挖掘装载机作为工程机械的重要组成部分，其装载工作装置的动力性能直接决定了机器的作业效率和稳定性。
因此，对挖掘装载机装载工作装置进行动力分析具有重要意义。
动力分析的主要目的是揭示装载工作装置在作业过程中的动力学特性，包括动态响应、振动特性以及能量传递等。
通过动力分析，可以深入了解装载工作装置在不同工况下的受力状态和运动规律，为后续的动态应力仿真研究和结构优化提供理论支持。
在动力分析过程中，通常采用多体动力学仿真软件建立装载工作装置的三维模型，并设置相应的约束条件和驱动函数。
通过仿真计算，可以模拟装载工作装置在实际作业过程中的动态行为，获得关键部件的动态位移、速度和加速度等动力学参数。
基于虚拟样机的掘进机工作机构的动力学仿真
∈ 量
＼
Ａｎ ｌ：Ｄ ｇｅ ；Ｆ ｅ ｕ ｎ ｙ ｇｅ ｅ ｒｅ ｒｑ ｅ ｃ ：Ｈｅｔ。另外求 解器 选用 ｒｚ Ｇ ＴＩ Ｆ的 Ｉ 格 式 ， Ｓ Ｆ ３ 并将 Ｅ ｒｒ改为 ０ １ 即能满 足系 ｒｏ ．， 统要 求 。仿 真时 间ｆ ５ ，Ｓｅ ｓ ００ ０ 一２ ５Ｓ ｔｐ 一５ ０ 。 模型 中定义 了 ３ 驱动 ， 个 分别 控制 悬臂 的上下 、 左 右移 动和截 割头 的旋 转 。悬 臂 的上下 、左右移 动采 用 的 驱 动 函 数 分 别 为 ：ｓｅ （ｉ ， ， ， Ｏ ０ ＋ ｔｐ ｔ ｍｅ ０ ０ ３ ， ）
至
ｉ
ｊ
ｆ
ｊ
｛
≤
， ，
＼
桥
』
ｆ
｛
ｆ ｆ
等几部 分组成 。 于 ＵＧ 实体造 型技术 完成 截割头 、 ］基 回转 台、油缸 、截 割机构等 零件 的建模 及装配 ，得 到 的掘进机 工作 机构 的三维实 体模 型如 图 １ 所示 。
图 ２ 负 载 转 矩 随 时 间变 化 曲线
２ ２ 虚 拟 样 机 的 建 立 ． 将 ＵＧ 中 建 立 的 模 型 以 Ｐ ｒｓ ｌ 格 式 导 入 ａａｏｉ ｄ
ＡＤ ＡＭＳ中 。 人成 功后 ， 各组 成部 件依据 实际情况 导 对 添 加质 量等属 性 。由于模 型中原 有的装 配关 系都 已无 效 ，只提 供 了各构件 的初始 位置 ，需 要重新对 模型施 加 约束 ，其 中约束包 括旋转 副 、移动 副 、点 点副 、点
２ ３ １ 系 统 设 置 ．．
根据 Ａ ＤＡＭＳ中提供 的已有单位 ， 设定 系统 单位
如 下 ：Ｉ ｎ ｔ ｇ ｈ：ｍｍ ；Ｍ ａ ｓ ｇ；Ｆ ｒ ｅ ｅ ｓ ：ｋ ｏ ｃ ：Ｎ ；Ｔｉ ｍｅ：Ｓ ；
基于LS-DYNA液压挖掘机铲斗强度仿真研究
在 Ｌ — Ｙ Ａ中对铲斗进行建模 ，采用 ３ ｏｄ ＳＤ Ｎ ＤＳｌ ｉ １４单 元 类 型 和 柔 性 体 材 料 模 型 （ Ａ ｔ Ｌ Ｓ ６ Ｍ Ｐ Ａ — Ｉ ＿ Ｔ Ｃ ＫＮ Ｍ ＴＣ 建立铲斗的有限元模型。 Ｉ ＩＥ Ａ ） Ｉ １２ 土壤本 构模 型 ． 土 壤 模 型 是 根 据 Ｌ — Ｙ Ａ 中利 用 接 触 碰 撞 中 ＳＤ Ｎ 的分配参数法 、 岩土力学和显示动力学等理论 ， 建立 土壤截割工况模型。 因此采用 ＤｕｋｒＰａｅ 弹塑性 ｒｃｅ ｒ ｒ － ｇ 模型， 来模拟土壤 的材料【 模型屈服 函数为 ４ 】 ，
密度 为 ７８ ０ｋ Ｉ ５ 咖 ３ 。
确定在作业 中作用在工作装置的外力。利用数理解 析方式或利用实验室实验 ，对铲斗进行受力分析和 计算【］ ｌ， － 为铲斗 的研究奠定基础 ， 大多是静态载荷 ２ 但 或 难 以实 验 复 杂 多变 的实 际工 况 。这 就 给铲 斗 及其 工作机构的正确设计 以及液压挖掘机参数的合理选 择 ， 出 了难题 。 因此 ， 出和建 立铲 斗 挖 掘土 壤 时 提 提 本构模型的受力研究方法 ，分析铲斗挖掘土壤时的 受力情况与应力分布 ， 为改进铲斗的设计 、 提高其使 用寿命和工作可靠性 ， 具有重要的意义。 本 文将利用柔性体材料模型建立液压挖掘机铲 斗的实体模型 ， 利用显示动力学理论 ， 建立土壤挖掘 工 况模 型 。利用 非线 性显 示 动力学 理论 在 Ｌ — Ｙ Ａ ＳＤ Ｎ 中对铲斗挖掘土壤的过程进行仿真１ 得到铲斗工作 ３ ］ ， 过程 中的最大应力值及其铲斗应力分布状况 ，并对 仿真结果进行分析 ， 为研究铲斗挖掘土壤 的工况 、 强 度提供一种新 的手段和方法。
关键词： 压挖掘机 ； 斗 ； 液 铲 强度 ；Ｓ Ｄ ＮＡ； 真 Ｌ－ Ｙ 仿
基于CAE挖掘机铲斗的力学及运动学分析
斗提供相关的理论参考。 ｌ 建 立 铲 斗 的 力 学 模 型
相似 性原 理是 指 两 台 挖 掘机 在 已知 尺 寸 、 参 数 相似 的条 件下 ， 假设 一个 或几 个相 关参 数 ， 或 者简 单 的物 理模 型 ， 来 确定 其他 参数 的相 似 系数 ， 并 列 出参
掘机 的 实 际生 产提供 一 定 的理论 依据 。
关键 词 ： 铲 斗斗 齿 ： 受 力分析 ； 有 限元 分析 ； 应 变情 况
中图分 类号 ： Ｕ４ １ ５ ． ５ １ 文 献标 志码 ： Ｂ
Ｍｅ ｃ ｈａ ｎｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ Ｋｉ ｎｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ｓ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ Ｅｘ ｃ ａ ｖ ａ ｔ ｏ ｒ Ｂｕ ｃ ｋ ｅ ｔ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＣＡＥ
软件 建 立铲 斗 力学模 型 ， 完 成铲 斗 的有 限元 分析 ， 得 到铲 斗 的 优化 结构 ； 利 用 ＡＤＡＭＳ ／ Ｖｉ ｅ ｗ 模 块 对挖 掘机 的工作 装 置进行 动 力 学分析 ， 得 到铲 斗 斗齿 的 受力 曲线和 运动轨 迹 。结果 表 明 ： 在 不破 坏
铲 斗样机 的情 况下 ， 运 用计 算机 辅助 工程 技 术能 够模 拟 铲 斗 的 受力 情 况 ， 节 约企 业 生产 成 本 ， 为挖
ＬＩ Ｚｈｉ — ｈｕ
（ Ｔｒ ａ ｎｓ ｐｏ ｒ ｔ Ａｄ ｍｉ ｎ ｉ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏｎ ｏ ｆ Ｉ ｎｎｅ ｒ Ｍ ｏｎｇ ｏｌ ｉ ａ Ａ ｕｔ ｏｎ ｏｍ ｏ ｕｓ Ｒｅ ｇ ｉ ｏ ｎ， Ｈ ｕｈ ｈｏ ｔ ０１ ００ ２０， Ｉ ｎｎ ｅ ｒ Ｍｏ ｎｇ ｏｌ ｉ ａ， Ｃｈ ｉ ｎ ａ）
ｍｏ ｄ ｕ ｌ ｅ ｏ ｆ ＡＤＡＭＳ，ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ａ ｎ ｄ ｔ ｒ ａ ｊ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｂ ｕ ｃ ｋ ｅ ｔ ｔ ｅ ｅ ｔ ｈ ｗａ ｓ ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ．Ｔｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ
《铲式挖掘部件仿生设计及减阻脱附性能研究》范文
《铲式挖掘部件仿生设计及减阻脱附性能研究》篇一一、引言随着工程建设的快速发展，挖掘机械已成为施工中的主要设备之一。
铲式挖掘部件作为挖掘机的重要组成，其性能直接影响挖掘效率和作业效果。
本文以铲式挖掘部件为研究对象，对其仿生设计及减阻脱附性能进行研究，旨在提高挖掘部件的作业效率和减少机械故障率。
二、铲式挖掘部件仿生设计1. 生物仿生学原理仿生设计以自然界生物为灵感，借鉴生物体结构与功能，将之应用于机械设计。
铲式挖掘部件的仿生设计，主要是通过对自然界中生物形态、结构及功能的观察与模拟，实现机械性能的优化。
2. 铲式挖掘部件仿生设计方法铲式挖掘部件的仿生设计主要从以下几个方面进行：一是借鉴生物体表形态，优化铲面形状，提高挖掘效率；二是借鉴生物体内部结构，优化铲体结构，提高承载能力；三是借鉴生物体运动方式，优化铲式挖掘部件的运动轨迹和速度，提高作业效率。
三、减阻脱附性能研究1. 减阻原理铲式挖掘部件在作业过程中，由于与土壤等介质接触，会产生较大的阻力。
减阻技术主要通过优化铲面形状、材质及表面处理等方式，降低与介质的摩擦阻力。
本文通过对铲面进行仿生设计，借鉴生物体表形态和结构特点，降低阻力，提高作业效率。
2. 脱附性能研究脱附是指铲式挖掘部件在作业过程中，将附着在铲面上的土壤等介质剥离的能力。
脱附性能的优劣直接影响挖掘效率。
本文通过对铲式挖掘部件的材质、表面处理及运动轨迹进行优化，提高其脱附性能。
四、实验研究与分析为验证铲式挖掘部件仿生设计的减阻脱附性能，本文进行了实验研究。
实验采用不同形状和材质的铲式挖掘部件进行挖掘作业，通过测量作业过程中的阻力、挖掘速度、脱附能力等指标，对实验结果进行分析。
实验结果表明，经过仿生设计的铲式挖掘部件在减阻和脱附方面具有显著优势。
优化后的铲面形状和材质降低了与土壤等介质的摩擦阻力，提高了挖掘效率；同时，优化后的运动轨迹和表面处理提高了脱附性能，减少了附着在铲面上的土壤等介质。
《铲式挖掘部件仿生设计及减阻脱附性能研究》范文
《铲式挖掘部件仿生设计及减阻脱附性能研究》篇一一、引言随着工程技术和机械化水平的不断提升，铲式挖掘部件作为重要的工程设备，其设计优化及性能提升已成为工程机械研究领域的热点问题。
面对复杂的挖掘环境和多样化的挖掘需求，传统铲式挖掘部件的设计已经难以满足现代工程的需求。
因此，本文将针对铲式挖掘部件的仿生设计及其减阻脱附性能进行研究，旨在为工程设备的优化设计提供新的思路和方法。
二、铲式挖掘部件仿生设计2.1 仿生设计的理论基础仿生设计是以生物体的结构、功能、形态等为研究对象，通过模拟生物体的特性，对产品或设备进行优化设计。
在铲式挖掘部件的仿生设计中，我们主要借鉴了自然界中生物的形态和结构，如动物的爪子、昆虫的足部等，以实现挖掘部件的优化设计。
2.2 仿生设计的实施方法在铲式挖掘部件的仿生设计中，我们首先对生物体的形态和结构进行深入研究，分析其结构特点和功能优势。
然后，结合工程设备的实际需求，对铲式挖掘部件进行仿生设计。
例如，借鉴动物爪子的弯曲和弹性特点，改进铲式挖掘部件的弯曲角度和弹性，以提高其适应复杂环境的能力。
三、减阻脱附性能研究3.1 减阻脱附的基本原理减阻脱附是指在机械设备工作过程中，通过降低摩擦阻力和减少物料附着的能力，提高设备的工作效率和延长设备的使用寿命。
在铲式挖掘部件中，减阻脱附性能的优化对于提高挖掘效率和降低能耗具有重要意义。
3.2 铲式挖掘部件的减阻脱附设计为了实现铲式挖掘部件的减阻脱附设计，我们主要从两个方面进行考虑：一是优化铲具的表面形态和材料选择，二是改进铲具的结构设计。
例如，采用特殊的涂层材料或表面处理技术，降低铲具与物料之间的摩擦系数；同时，借鉴生物体的形态结构，优化铲具的结构设计，使其在挖掘过程中能够更好地脱附物料。
四、实验与分析为了验证铲式挖掘部件仿生设计的减阻脱附性能，我们进行了大量的实验和分析。
首先，我们设计了不同形态和结构的铲式挖掘部件，并在实验室和实际工况下进行测试。
《铲式挖掘部件仿生设计及减阻脱附性能研究》
《铲式挖掘部件仿生设计及减阻脱附性能研究》篇一一、引言随着现代工程机械的不断发展，铲式挖掘部件作为土方机械的重要组成部分，其性能的优化和改进对提高施工效率和减少能源消耗具有重要意义。
在众多研究中，如何实现铲式挖掘部件的仿生设计以及提高其减阻脱附性能成为了研究的热点。
本文旨在探讨铲式挖掘部件的仿生设计方法，并对其减阻脱附性能进行研究，以期为铲式挖掘部件的优化设计提供理论依据。
二、铲式挖掘部件仿生设计2.1 仿生设计的理念仿生设计是指借鉴生物体的结构、功能、形态等特征，将其应用于工程设计中，以实现优化设计的目的。
在铲式挖掘部件的仿生设计中，我们可以借鉴自然界中生物的形态和结构，如昆虫的爪子、动物的爪子等，来优化铲式挖掘部件的结构和形态。
2.2 仿生设计的实现在铲式挖掘部件的仿生设计中，我们需要对生物体的形态和结构进行深入研究和分析，确定其具有优越性的特征。
然后，结合工程实际需求，将生物体的优越特征应用到铲式挖掘部件的设计中。
例如，可以借鉴鲨鱼皮肤的小凹槽结构，优化铲式挖掘部件的表面形态，以减小土壤与铲具之间的摩擦阻力。
三、减阻脱附性能研究3.1 减阻原理铲式挖掘部件的减阻主要取决于其表面形态和土壤与铲具之间的摩擦系数。
通过仿生设计，优化铲式挖掘部件的表面形态，可以减小土壤与铲具之间的摩擦阻力。
此外，合理的结构设计也能有效降低阻力。
3.2 脱附性能脱附性能是指铲式挖掘部件在挖掘过程中，能够有效地将附着在表面的土壤或杂质脱落的性能。
为了提高脱附性能，我们可以从两个方面进行改进：一是优化铲式挖掘部件的表面形态，使其更易于土壤或杂质的脱落；二是改进铲式挖掘部件的结构设计，使其在挖掘过程中能够更好地振动和摆动，从而将附着在表面的土壤或杂质抖落。
四、实验研究为了验证铲式挖掘部件仿生设计的减阻脱附性能，我们进行了实验研究。
首先，我们制作了不同形态和结构的铲式挖掘部件样品，然后在实验室条件下进行了一系列实验。
通过对比不同样品的减阻效果和脱附性能，我们发现经过仿生设计的铲式挖掘部件具有更好的减阻脱附性能。
基于ADAMS仿真技术的挖掘机铰点受力分析
2009年 6月郑州大学学报(工学版)Jun 1 2009第30卷 第2期Journal of Zhengzhou University (Engineering Science )Vol 130 No 12 收稿日期:2008-09-27;修订日期:2008-12-11 作者简介:周宏兵(1967-),女,湖南湘阴人,中南大学副教授,博士,主要从事工程机械机电液一体化技术方面的研究,E -mail:zhbjcr@yahoo . 文章编号:1671-6833(2009)02-0071-04基于ADA MS 仿真技术的挖掘机铰点受力分析周宏兵1,2,胡雄伟1,孙永刚1,王惠科1(1.中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;2.湖南山河智能机械股份有限公司,湖南长沙410100)摘 要:为了获得挖掘机工作时主要铰接点处的连续受力变化值,利用Pr o /E 4.0和ADAMS 2005两种软件,建立了S W E90U 液压反铲挖掘机的虚拟样机.在虚拟环境中,分别模拟了该挖掘机的铲斗挖掘、斗杆挖掘和平整操作3种典型工作状态,并针对该挖掘机的4个主要铰接点的受力情况进行了分析研究,得到了一系列相应的铰接点受力变化曲线.结果表明,动臂与斗杆铰接点的受力情况变化最为剧烈,而摇杆与斗杆铰接点的受力情况变化最为平缓.关键词:ADAM S;液压挖掘机;仿真;铰点中图分类号:T U 621 文献标识码:A0 引言由于液压挖掘机工作状况的复杂性,其工作装置的受力情况也相当复杂.过去,人们往往只能按照由经验所确定的工作位置来研究挖掘机各铰接点的受力情况,得到仅是一些离散的、特定位置的受力值,难以完整地反映实际情况,且其正确性尚值得商榷[1-2].随着计算机辅助设计技术的发展,虚拟样机技术已广泛应用于各个领域[3].但目前针对挖掘机铰点受力的仿真研究还比较少,且还停留在单一工况研究上.笔者采用ADAMS的多刚体动力学模型[4],其数学形式为一系列以各刚体运动位置、姿态、速度和加速度为变量的非线性微分动力学方程,以及由各个约束所形成的非线性代数方程.对这些方程进行联立数值积分求解即可获得各离散时刻各刚体运动的位移、速度和加速度等运动物理量以及各铰接点处的约束反力等信息.1 虚拟样机的建立1.1 Pr o /E 三维实体模型的建立挖掘机的主要结构包括机身、动臂装置、斗杆装置、铲斗装置,其机构拓扑图如图1所示.根据S W E90U 挖掘机的设计图纸,采用三维实体造型软件Pr o /E,逐一建立上述构件的实体模型,并使用自底向上的装配方法完成整个挖掘机的实体模型.为了提高在ADAMS 中的计算效率,在建立模型时对实物进行了必要的简化,如省略了与研究无关的推土板和销钉、卡环等细小构件.图1 挖掘机机构拓扑图F i g .1 Topolog i ca l graph of the excava tor m echan is m1.2 ADAMS 虚拟样机的建立在Pr o /E 环境中,将建立的挖掘机整机模型保存为Paras olid 格式的文件,然后进入ADAMS 环境,在File 菜单选择I m port 命令将之导入.导入到ADAMS 中的模型很好地继承了原来Pr o /E 模型的各种属性,包括位置关系、质心位置、转动惯量和质量信息,但是模型中原有的装配关系已不复存在,各零件只是按原来的位置关系独立地存在于ADAMS 环境中[6],因此必须通过添加约束来将它们重新装配起来.所添加的具体约束情况如下:在机身与Gr ound 之间添加固定副,在各连接铰点处添加转动副,在各油缸和其活塞杆之间添加移动副.在各72 郑州大学学报(工学版)2009年移动副上添加驱动,并将动臂油缸移动副驱动、斗杆油缸移动副驱动、铲斗油缸移动副驱动分别重命名为dongbiqudong 、douganqudong 和chandouqu 2dong .设置长度单位为m,力的单位为N;设置重力的方向为-Y 向,即竖直向下的方向,大小为-9.80665m /s 2.完成后的虚拟样机模型如图2所示.图2 虚拟样机模型F i g .2 V i rtua l Prototype2 工作状况仿真与分析液压反铲挖掘机用途广泛,不仅可以进行基坑挖掘,还可以进行针对施工面的平整、压实等操作.下面将针对挖掘机的3种工作状况进行仿真与分析.2.1 铲斗挖掘工况仿真由文献[1]知,当挖掘机采用铲斗挖掘方式工作时,铲斗挖掘阻力的最大切向分力可用下式表示:F t m ax =C [R (1-cos <max )]1.35BA ZX +D (1)式中:C 为土壤的硬度系数;R 为铲斗切削半径,c m ;<max 为挖掘过程中铲斗总转角的一半;B 为切削刃宽度影响系数,B =1+2.6b ;b 为铲斗平均宽度,m ;A 为切削角变化影响系数,一般取A =1.3;Z 为斗齿影响系数,有齿时,Z =0.75;X 为斗侧壁厚度影响系数,X =1+0.03s,其中s 为侧壁厚度,c m ;D 为切削刃挤压土壤的力,根据斗容量的大小在D =10000～17000N 的范围内选取.对于S W E90U 挖掘机,取<max =55°,R =105c m ,b =0.68m ,Z =0.75,s =2c m ,D =10100N ,由式(1)可得,F t max =48866.3N .铲斗挖掘阻力的法向分力F n 数值较小,一般F n =0～0.2F t ,土质越均匀,F n 数值越小.在此,取F nmax =0.2F t max =9733.26N .这种工作方式下,铲斗对土壤的切削方式为大曲率切削,挖掘阻力与挖掘深度基本上成正比.由于挖掘的前半过程的切削角不利,会产生较大的阻力,因此挖掘阻力的最大值将出现在挖掘过程中间偏前的位置.根据S W E90U 挖掘机的工作情况按位移方式设置各液压缸的驱动函数如表1所示,它们将使虚拟样机完成从图2所示姿态开始采用铲斗挖掘方式进行基坑挖掘,满斗后提升至装车高度的一系列动作.表1 铲斗挖掘的驱动及阻力函数Tab .1 Functi ons of moti ons and resist ances i n bucket di gg i n g项目函数表达式Dongbiqudong step (ti m e,0.8,0,1.6,-0.19)+step (ti m e,6.3,0,9,0.4207)Douganqudong step (ti m e,0,0,0.5,-0.118)+step (ti m e,6.3,0,9,0.429)Chandouqudongstep (ti m e,0,0,1.6,-0.31)+step (ti m e,1.6,0,6.3,0.68)F t step (ti m e,1.6,0,3.25,48866.3)+step (ti m e,3.25,0.5,-48866.3)F n step (ti m e,1.6,0,3.25,9733.26)+step (ti m e,3.25,0,5,-9733.26)G wstep (ti m e,2.3,0,6.3,4802) 根据前述原因和油缸驱动过程,相应地设置铲斗挖掘阻力的切向分力F t 的函数、法向分力F n 的函数和挖掘过程中铲入铲斗的物料重力G w的函数如表1所示.其中,切向分力的方向始终垂直于铲斗切削半径R,法向分力始终沿着铲斗切削半径R,它们的具体方向将随铲斗位置的变化而变化,而物料重力的方向则总是竖直向下的.采用以上设置进行仿真,得到各铰接点受力的变化曲线如图3(a )所示.1.6s 时,铲斗活塞杆由原来的回缩状态开始转向外伸状态,推动铲斗进行挖掘,速度变化较大,因此各铰点受力曲线都出现了一个较小的峰值;3.25s 左右,挖掘阻力达到峰值,各铰点也基本处于最大受力状态,其中动臂与斗杆铰接点的受力高达290150N;5.6s 后,铲斗挖掘基本结束,机构运动仅受挖入铲斗的物料重力的影响,各铰点受力都维持在一个较小值.2.2 斗杆挖掘工况仿真由文献[1]知,当挖掘机采用斗杆挖掘方式工作时,斗杆挖掘的切向阻力可按下式计算:W t =K 0q0.01745r φK s(2)式中:K 0为挖掘比阻力;q 为铲斗容量;r 为斗杆挖掘时的切削半径,即动臂与斗杆铰点至斗齿尖的距离;K s 为土壤松散系数;φ为斗杆在挖掘过程中的总转角. 第2期周宏兵等 基于ADAMS 仿真技术的挖掘机铰点受力分析73 这种工况下,斗齿对土壤的切削行程比较长,切土厚度在挖掘过程中可以看作常数,因此斗杆挖掘阻力也可以当作常数处理.一般,切削厚度较小,所以斗杆挖掘阻力比铲斗挖掘阻力小得多.对于S W E90U 挖掘机,q =0.28m 3,当r =2.5719m 时,取K 0=13×104N /m 2,K s =1.14,φ=73°,由式(2)可得,W t =9747N .根据经验公式W n =ψW t ,ψ为常系数,在此取ψ=0.62,得W n=6043.15N .与铲斗挖掘时类似,设置各液压缸的驱动函数如表2所示,它们将使虚拟样机完成从图2所示姿态开始采用斗杆挖掘方式进行基坑挖掘,满斗后提升至装车高度的一系列动作.相应设置斗杆挖掘阻力的切向分力W t 的函数、法向分力W n 的函数和挖掘过程中铲入铲斗的物料重力G ′w 的函数如表2所示.仿真后得到各铰接点受力的变化曲线如图3(b )所示.表2 斗杆挖掘的驱动及阻力函数Tab .2 Functi on s of m oti on s and resist ances i n ar m d i gg i n g项目函数表达式Dongbiqudong step (ti m e,0.5,0,1.3,-0.19)+step (ti m e,4.8,0,7.5,0.4207)Douganqudongstep (ti m e,0,0,0.5,-0.1117)+step (ti m e,1.3,0,4.0,0.5704)Chandouqudongstep (ti m e,0,0,0.3,-0.0517)+step (ti m e,4.0,0,4.8,0.1168)+step (ti m e,4.8,0,7.5,0.2542)W t step (ti m e,1.2,0,1.3,9747)+step (ti m e,4,0,4.3,-9747)W nstep (ti m e,1.2,0,1.3,6043.1)+step (ti m e,4,0,4.3,-6043.1)G ′wstep (ti m e,1.5,0,4.8,4802) 1.3s 至4.0s,斗杆活塞杆外伸推动斗杆进行挖掘,由于挖掘阻力的作用,各铰点受力都处于较大值,其中动臂与斗杆铰接点受力最为复杂,最大值达到134180N;4.8s 时,为防止铲入斗内的物料撒出,铲斗液压缸进行了速度的调整,因此各铰点受力都出现了一个较小的波动.2.3 平整操作工况仿真当挖掘机进行施工面平整操作时,一般要求挖掘角恒定,铲斗在平整面上做平动,铲斗末端速度保持匀速,但为防止冲击,一般在起始阶段匀加速,而终止阶段匀减速[7].此时铲斗的斗齿所受到的阻力主要是切向的碎土旁移阻力,其数值很小.当遇到小石块等障碍物时,阻力值可能会瞬时增大.因此,设置阻力函数为:step (ti m e,0,0,0.7,600)+step (ti m e,2.1,0,2.15,1200)+step (ti m e,2.15,0,2.2,-1200)+step (ti m e,3.2,0,3.6,800)+step (ti m e,3.6,0,3.8,-800)+step (ti m e,4.5,0,4.55,600)+step (ti m e,4.55,0,4.6,-600)平整操作属于精细作业,我们无法估计其各驱动油缸的具体运动,但铲斗的运动却非常简单,因此可以通过在铲斗尖施加点驱动带动各驱动油缸运动,利用ADA MS 强大的测量功能得到它们的运动曲线,然后在后处理模块中将得到的运动曲线转化为驱动油缸运动的样条函数,用这些函数定义各油缸的驱动函数.本次仿真中用到的点驱动函数和转换后得到的各油缸驱动函数如表3所示.表3 平整操作的驱动函数Tab .3 Functi on s of m oti on s i n s m ooth opera ti on项目函数表达式点驱动(速度方式)TraX:step (ti m e,0,0,0.7,-0.2)+step (ti m e,6.3,0,7,0.2)TraY:03ti m e RotZ ″:03ti m eDongbiqudong AKI SP L (ti m e,0,SP L I N E_1,0)DouganqudongAKI SP L (ti m e,0,SP L I N E_2,0)Chandouqudong AKI SP L (ti m e,0,SP L I N E_3,0)74 郑州大学学报(工学版)2009年 仿真后得到各铰接点受力的变化曲线如图3(c )所示.在2.15s 、3.6s 、4.55s 时,由于阻力的突变,各铰点受力曲线也表现出了相应的突变,受力最大的铰点依然是动臂与斗杆铰接点,但其最大值也仅18825N.总的来说,这种工况下各铰点受力比较平稳,动臂与斗杆铰接点的受力和摇杆与斗杆铰接点的受力有减小的趋势,而斗杆与铲斗铰接点的受力和连杆与铲斗铰接点的受力有增大的趋势.由图3可知,发现液压挖掘机在上述3种工况下工作时主要铰点的受力具有如下共同规律:(1)各铰点的受力情况跟随挖掘阻力的变化而变化,其峰值也几乎与阻力的峰值出现在同一时刻.(2)动臂与斗杆铰接点受力情况变化最为剧烈,且峰值最大.因此,设计时可考虑采取相应加固措施,如适当增加此处连接销的直径、增厚连接处的钢板等.(3)摇杆与斗杆铰接点的受力曲线较平缓,其峰值也仅超出主要阻力一个较小值.3 结束语将三维造型软件Pr o /E 和系统运动学/动力学分析软件ADAMS 相结合,建立了液压挖掘机的虚拟样机模型,弥补了ADAMS 在实体建模能力上的不足,使系统模型的修改更加方便和直观.利用虚拟样机技术对挖掘机的工作状况进行仿真分析,能够得到各铰接点处连续的受力变化情况,更接近实际,克服了传统计算方法的不足.参考文献:[1] 同济大学.单斗液压挖掘机[M ].第二版.北京:中国建筑工业出版社,1986.[2] 朱志辉,周志革,王金刚,等.液压挖掘机工作装置的建模及动力学仿真[J ].机械设计与制造,2006,(8):158-159.[3] 石明全,薛运锋,陈维义,等.某发动机的参数化动态仿真分析[J ].郑州大学学报:工学版,2005,26(3):79-82.[4] 王国强,张进平.虚拟样机技术及其在ADAM S 上的实践[M ].西安:西北工业大学出版社,2002.[5] 张卧波,杨俊峰.挖掘机工作及运动状态的仿真与应用研究[J ].农业工程学报,2008,24(2):149-151.[6] 秦 成,史淑玲.挖掘机摇臂机构的虚拟样机研究[J ].机械工程师,2008,(3):133-134.[7] 张大庆.液压挖掘机工作装置运动控制研究[D ].长沙:中南大学机电工程学院,2007:38-41.Ca lcul a ti on of the Force Acted on H i n ged Jo i n ts of the Hydrauli cExcava tor Ba sed on ADAM SZHOU Hong -bing 1,2,HU Xi ong -wei 1,S UN Yong -gang 1,WANG Hui -ke1(1.School of Mechanical &Electrical Engineering,Central South University,Changsha 410083,China;2.Hunan I ntellectualFacultiesM echanical Co .L td .,Changsha 410100,China )Abstract:I n order t o obtain the continuous value of the f orce acted on key hinged j oints in a working excava 2t or,this paper uses Pr o /E4.0and ADAMS 2005t o build up the virtual p r ot otype of the hydraulic backhoe ex 2cavat or S W E90U.I n the virtual envir on ment,the si m ulati on of three typ ical working (bucket digging,ar m digging and s mooth operati on )and the study of the force acted on f our key hinged j oints of this excavat or are accomp lished,then,a series of corres ponding curves of the f orce acted on the hinged j oints is got .The results show that the change of the force acted on the j oint bet w een boom and ar m is the most vi olent,but the change of the f orce acted on the j oint bet w een r ocker and ar m is the flattest .Key words:ADAMS;hydraulic excavat or;si m ulati on;hinged j oints。
基于ANSYS的挖掘铲静力分析
基于ANSYS的挖掘铲静力分析张海亮;赵凤芹【期刊名称】《农业科技与装备》【年(卷),期】2012(000)005【摘要】挖掘铲的性能和质量直接影响挖掘部件的作业效果。
以两种常见的挖掘铲为研究对象，对其进行初步的受力分析．模拟田间作业状态，并利用ANSYS软件进行有限元分析。
通过分析不同条件下挖掘铲所受应力的变化情况，优化挖掘铲的设计参数。
%The performance and quality of digging shovel have a direct influence on the operation effect of excavating components. This article, taking two commonly used digging shovels as the research subject, makes preliminary stress analysis and imitates its field work- ing state and eventually makes finite element analysis based on ANSYS. The design parameters for the digging shovel are optimized through various stress analysis.【总页数】3页(P13-15)【作者】张海亮;赵凤芹【作者单位】沈阳农业大学工程学院,沈阳110866;沈阳农业大学工程学院,沈阳110866【正文语种】中文【中图分类】S225.71;TP391.7【相关文献】1.基于IFC标准的ANSYS结构静力分析信息的表达与扩展机制研究 [J], 刘彦凯;张光利2.基于ANSYS的某实际工程重力坝的静力分析与监测结果分析 [J], 王燕芬; 赵青3.基于ANSYS的房屋集装箱静力分析 [J], 赵博; 闫单4.基于Ansys Workbench的金属打包机锁头座销轴静力分析 [J], 王进;王俞龙;卞方良5.基于ANSYS Workbench的吊装工装静力分析及拓扑优化设计 [J], 史天翔;郭建烨;史江;辜国玲;辜嘉诚因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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其振动频率模态分析，得出了铲板在正常工作情况下的载荷分布、最大应力、应变分布情况和应
力集中部位，同时得出了其前 5 阶模态频率。可为后续产品的结构设计、制造加工工艺的制定以
及防止铲板共振提供参考。
关键词： 铲板； 受力分析； Inventor； 有限元分析； 模态分析
中图分类号： TD421
文献标识码： A
磨钝的切削刃口长度，取 l0 = LH； σn 为铲板与煤岩
相互作用的当量压缩阻力； Wt 为铲板面上煤岩的
质量； μ 为煤岩对钢的摩擦系数； β 为铲板倾角； hc
为铲煤时的切削深度，取 hc = δ0 ； σe 为切削应力； τ
为煤岩的剪切应力； G0 为煤的剪切模量； E 为煤的 弹性模量； B 为切削宽度，取 B = LH； W 为煤岩的抗 弯截面模量； LH 为铲板宽度； φ 为煤岩的内摩擦角； σw 为煤岩的弯曲应力； ρ 为煤岩的密度； αK 为铲板 铰接处相对于地面倾角，取 αk = 0°； Lk 为铲板与煤 层在切削方向的接触长度； Ac 为煤岩断面面积。 将式（ 2） 代入式（ 1） ，可得：
Ff1 sin（ θ + β） + Ff2 sinθ + FNAcos（ θ + β） + （ 4）
FNBsinα = G Ff1 cos（ θ + β） + Ff2 cosθ － FNAsin（ θ + β） － FNBcosα = 0
上表面受到地面的摩擦力，Ff2 为铲板下表面受到
图 6 铲板支撑机体受力计算简图
Ff1 sin（ θ + β） + Ff2 sinθ + FNAcos（ θ + β） ·
槡 槡
（
l22 － l2下 + l20 +
l23 － l2下 + l30 ） －
槡
G
l23 － l2下 + l30 = 0
Ft = LHδ0 σn + Wt（ μcosβ + sinβ） cosβ +
Bδ0 τ2 + G0
Bδ0 σ2e E
+
2LWH σw （ sinβ
+
cosβtanφ）
+
μρLHAccos2 β + μρLKAc
（ 3）
掘进时铲板支撑起掘进机本体，如图 5 所示。
图 6 为铲板支撑机体受力计算简图，设 Ff1 为铲板
2 铲板受力计算
铲板在插入料堆时，受力如图 3 所示，铲掘力
Ft 近似计算示意图如图 4 所示。考虑到料堆中煤块 的断裂及其沿侧表面的弯曲［2］，力 Ft 的表达式如 式（ 1） 所示。
Ft = Fd + Ff + Fs + Fe + Fw + FＲe
（ 1）
式中： Fd 为铲板切削刃口正面压缩煤堆的阻力； Ff
文章编号： 2095 － 509X（ 2018） 01 － 0050 － 04
掘进机在工业生产中具有不可替代的地位，而 掘进机铲板则是其核心之一。近年来，为了提高掘 进机工作的可靠性，国内某些科研单位和重工机械 企业已经对掘进机及其铲板进行了部分研究。辽 宁工程技术大学的赵丽娟等在 2012 年进行了掘进 机铲板有限元疲劳分析； 三一重型装备有限公司的 高承兴等在 2014 年对掘进机铲板模块化进行了设 计研究，并提出了模块的初始参数； 徐工基础工程 机械有限公司的宋雨等在 2016 年做了基于 Workbench 的掘进机铲板星轮上的载荷有限元分析，为 星轮的设计优化提供了理论依据。掘进机铲板在 掘进机工作过程中的受力及弹性变形状况复杂多 变，常承受较大的工作载荷。实际应用中，铲板常 常因强度不足而被破坏，甚至因变形过大发生与装 载机构驱动装置干涉的现象，造成整机承载能力下 降，降低整机的工作性能和可靠性，因此对铲板的 强度和刚度进行分析十分重要［1］。本文采用有限 元分析方法对铲板进行分析，得到铲板在受力最大 工况下应力和变形的分布情况，以便有针对性地改 进铲板结构，使其满足使用要求。
为铲板面上煤岩的运移阻力； Fs 为煤岩的剪切阻
力； Fe 为煤岩的断裂阻力； Fw 为煤岩的弯曲阻力；
收稿日期： 2017 － 01 － 05 基金项目： 甘肃省高等学校科研项目（ 2016B － 85） 作者简介： 李凌云（ 1986—） ，女，甘肃白银人，兰州理工大学硕士研究生，主要研究领域为机械制造及其自动化。
1 铲板工况分析
经过仔细分析，掘进机铲板在掘进机工作时参 与的工况可以归纳为以下6种典型工况： 插入料
堆、插入煤泥、铲装落煤、插入料堆和铲装落煤同时 进行（ 如图 1 所示） 、检修时支撑机本体、掘进时支 撑机本体（ 如图 2 所示） 。
图 1 铲板插入料堆和铲装落煤同时进行示意图
图 2 铲板在掘进时支撑机本体
F
f
=
Wt（ μcosβ
+ sinβ） cosβ
Fs
=
Bhc τ σ2e E
（ 2）
Fw
= 2LWH σw（ sinβ + cosβtanφ）
FＲe = LHAc ρμcos2 β + LKAc ρμcos2 αk
式中： δ0 为磨钝的切削刃口（ 铲板前端） 厚度； l0 为
2018 年 1 月 第 47 卷 第 1 期
机械设计与制造工程 Machine Design and Manufacturing Engineering
Jan． 2018 Vol． 47 No． 1
DOI： 10． 3969 / j． issn． 2095 － 509X． 2018． 01． 011
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2018 年第 1 期
李凌云： 基于仿真优化的掘进机铲板受力分析与研究
地面的摩擦力，FNA 为地面对铲板的支持力，FNB 为 地面对后支撑的支持力。由理论力学知识得：
图 3 铲掘力受力示意图
图 5 铲板支撑机本体受力示意图
图 4 铲掘力计算示意图
FＲe 为煤岩沿铲板面的移动阻力。
Fd = l0 δ0 σn
基于仿真优化的掘进机铲板受力分析与研究
李凌云1 ，余淑荣1 ，马年拾1 ，吴明永2
（ 1． 兰州理工大学机电工程学院，甘肃 兰州 730050） （ 2． 兰州城市学院培黎石油工程学院，甘肃 兰州 730070）
摘要： 掘进机铲板是掘进机的重要构件，在掘进机工作时铲板所处的工况复杂多变，常承受较大
的工作载荷。从研究铲板工况入手，通过三维建模，利用 Inventor 对铲板进行有限元受力分析及