基于SolidWorks的挖掘机铲斗分析与优化设计

doi:10.16576/ki.1007-4414.2016.02.048基于SolidWorks的挖掘机铲斗分析与优化设计∗殷淑芳,尹开勤(青岛滨海学院,山东青岛㊀266555)摘㊀要:挖掘机铲斗是挖掘机工作装置中最为重要的部件之一,其在工作时,与石块㊁土壤等直接接触,工作条件极为恶劣㊂其结构设计的合理与否,直接影响到挖掘机铲斗的使用寿命㊂为解决这一问题,采用SolidWorks Simulation对挖掘机铲斗进行有限元分析,采用实体㊁壳体混合有限元网格模型,并进行相应的约束及载荷的加载,得到其在极端条件下的应力分布状态㊂并应用SolidWorks Simulation中结构参数优化功能,对挖掘机铲斗进行优化设计,以此改善挖掘机铲斗在极端工况下的受力,从而提高其使用寿命㊂关键词:挖掘机;铲斗;SolidWorks Simulation;优化设计中图分类号:TD422.2㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:1007-4414(2016)02-0141-03Analysis and Optimum Design of Excavator Bucket Based on SolidWorksYIN Shu-fang,YIN Kai-qin(Qingdao Binhai University,Qingdao Shandong㊀266555,China)Abstract:Excavator bucket is one of the most important components of the excavator working devices.At work,it directly contacts with the rocks and soil,so its working condition is extremely bad.The structure design is reasonable or not directly affects the service life of the excavator bucket.In order to solve this problem,this paper uses Solid Works simulation on the fi-nite element analysis of the excavator ing the solid,shell mixed finite element mesh models and loading correspond-ing constraints and loads to obtain the stress distribution on the extreme conditions.And using structure parameters optimiza-tion function of Solid Works simulation,the design of excavator bucket is optimized,which improve the load of the excavator bucket under the extreme conditions,and increase the service life.Key words:excavator;bucket;Solid Works Simulation;optimum design0㊀引㊀言挖掘机是通过其工作装置中的铲斗来挖掘土壤㊁煤泥㊁疏松后的石块等物料,并运至指定位置或装车的一种机械,主要用于工程作业中的土方作业㊂在其工作过程中,铲斗直接与物料接触,承受较大的冲击㊁摩擦载荷㊂且其工作过程受物料多样性变化的影响,铲斗的受力并不均匀,很多情况下,所受作用力只作用于铲斗的一个铲齿上,极端的情况,甚至作用于最靠边的铲齿上,造成极大的偏载㊁应力集中[1]㊂受制于铲斗恶劣的工况,在进行铲斗设计时,在保证斗容满足要求的情况下,力求相关结构参数设置的合理,使其具有较高的可靠性㊂但针对铲斗的受力计算中,若采用传统设计方法进行计算,不但计算过程复杂且不易保证结果的正确性㊂SolidWorks Simulation与三维造型软件Solid-Works无缝集成,用户可以在同一个软件环境下方便地实现产品的设计及有限元强度分析㊂故在本次铲斗有限元强度分析时采用SolidWorks Simulation作为有限元分析平台[2],对某企业的XE215CA型铲斗的结构进行分析和设计优化㊂1㊀铲斗强度的有限元分析思路在常规的结构件应用有限元分析软件进行计算时,通常首先根据结构件的结构特点,建立有限元分析所需的模型;根据结构件所用的材料建立材料模型;然后根据结构件的工作情况确定相应的载荷及约束,并划分网格;最后运行求解㊂由于铲斗的工作时,作业情况复杂,并且需要对结构参数进行优化,如果仅按常规的分析思路进行有限元的分析求解,则会造成分析过程反复,分析效率低下㊂2㊀铲斗结构分析铲斗结构如图1所示,其一般由斗壁㊁斗底㊁耳板㊁斗齿及斗角等组成㊂主要设计数据有斗底板厚度㊁耳板厚度㊁斗壁厚度㊁斗角厚度㊁背板厚度㊁耳板间距㊁斗角长㊁斗角宽及斗角圆弧半径,通过强度分析,对其设计数据进行优化设计㊂由铲斗的结构可知,构成铲斗主要结构的斗壁㊁斗底㊁耳板均由钢板加工后经焊接而成㊂斗壁㊁斗底㊃机械研究与应用㊃2016年第2期(第29卷,总第142期)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀设计与制造∗收稿日期:2016-02-19作者简介:殷淑芳(1972-),女,山东青岛人,硕士,高级工程师,主要从事产品开发方面的工作㊂钢板厚度相对于其余两个方向的尺寸数值较小㊂针对这种情况如果在有限元分析中,斗壁㊁斗底依然采用实体单元进行分析,为保证分析结果的准确性,必须在板厚方向划分不少于两层的单元网格㊂以斗容为0.9m3铲斗为例,斗壁㊁斗底所采用的钢板板厚一般在20~30mm,而其连长可在960mm左右,由此可知网格的划分数量将在十万以上,将会大大增加分析的规模,从而降低有限元分析速度㊂这个现象在优化设计将更为明显,因为在优化分析计算时,为得到最优的结果,有限元分析软件会针对所分析的工况,根据可变的参数范围,生成数以百计的样本点,并对这些样本点逐一求解㊂为解决一问题,针对斗壁㊁斗底㊁耳板等板类结构,在三维建模时,采用曲面建模,在有限元求解时,应用壳体网格单元划分,并定义相应厚度㊂采用这种方式,由于没有了厚度尺寸的限制,在满足精度要求的条件下,网格单元尺寸可以设置的大一些,由此可极大的减少网格单元数量,缩减分析规模,从而提高分析速度㊂而铲齿等结构件,仍采用实体模型建模;为简化模型,铲斗中对结构强度不产生影响的孔等结构不再体现在有限元分析模型中,最终确定分析模型如图2所示[3]㊂㊀图1㊀铲斗外形图图2㊀铲斗有限元分析模型㊀㊀在铲斗的分析模型建立之时,需同时根据铲斗结构可优化参数,以便在后续结构优化设计中应用㊂根据铲斗结构特点,可优化结构尺寸有斗底㊁斗壁㊁耳板的板厚,斗角的外形尺寸(长㊁宽㊁圆弧半径),两耳板的间距等㊂根据SolidWorks Simulation软件特点,相关参数的设置及与分析模型的链接可在其软件环境中 参数 对话框下设置㊂在设置时,需为相应的参数设置对应的名称,此次分析以斗容为0.9m3铲斗为例,取斗底板厚参数为aa,耳板厚度尺寸参数为bb,斗壁厚度参数为cc,斗角的厚度参数为dd,背板的厚度为ee,耳板间距参数为ff,斗角的长㊁宽㊁圆弧半径参数分别为为gg㊁hh㊁ii㊂具体数值见表1㊂由有限元分析的相关要求可知,在进行铲斗的强度分析时,必须要知道材质的弹性模量㊁泊松比等参锰耐磨钢等,这个钢材的弹性模量与泊松比基本一致,在分析时,铲斗各构件材质的弹性模量为2.11ˑ1011Pa,泊松比取0.28㊂表1㊀有限元分析参数表设计参数参数初始斗底板厚aa30耳板厚度bb30斗壁厚度cc25斗角厚度dd16背板厚度ee20耳板间距ff400斗角长gg120斗角宽hh20斗角圆弧半径ii503㊀确定载荷由于挖掘机工作时工况的多样性,作用于铲斗的载荷并不易于确定㊂因为挖掘机在实际工作过程中,铲斗铲齿不断受物料中的切削阻力㊁物料与铲齿间的摩擦力及物料进入铲斗后的挤压作用力,铲斗各个铲齿所受作用力的工况是随机的㊂且本文旨在求解铲斗在极端应力下的应力响应,故在载荷设置时取挖掘机标定的最大载荷㊂因挖掘机在工作时,载荷在铲斗的分布并不均匀,在少数时候甚至会有极端的情况出现㊂故在载荷加载,将载荷全部加载在其中的一个铲齿上,并在每个算例中依次选取居中㊁靠边㊁最边的铲齿作为施加载荷的位置㊂载荷方向与铲斗铲齿尖绕铲斗铰轴回转时形成的弧形运动轨迹相切㊂所加载载荷的大小按单独操作铲斗液压缸或斗杆液压缸时在铲斗铲齿尖上所产生的实际作用力,本次所分析国内挖掘机型号:XE215CA,最大挖掘力为149kN㊂4㊀接触条件的设置由于铲斗并不是一个整体结构,而是一系列构件组成的集合体,且采用了不同网格类型,故在分析前必须设置相应的接触条件,以便准确地求解分析㊂由铲斗结构可知,斗壁与斗底㊁斗壁与背板㊁背板与斗底㊁耳板与斗底㊁背板之间㊁斗角与斗壁通过焊缝连接,铲齿与斗底之间通过螺栓连接[4]㊂在Solid-Works Simulation中,焊缝等钢性连接,一般通过接触对象间的连接对象间的 接合 来处理㊂对于铲齿与斗底间的螺栓连接,由于在之前铲斗分析模型建立时,为缩小分析规模,连接所用的螺栓孔并未体现在模型中,故二者之间的连接仍采用 接合 来处理,对设计与制造㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2016年第2期(第29卷,总第142期)㊃机械研究与应用㊃5㊀后处理在铲斗材料㊁连接㊁约束及载荷设置完成之后,在运行分析之前,需对其进行网格划分㊂网格划分的合适与否,对计算结果有着决定性的影响,在本次强度分析时,取网格单元大小为42mm,公差为2.1mm,并选择 自动过渡 选项㊂生成网格之后,可得结果如表2所示㊂表2㊀网格划分结果网格划分选项网格划分结果网格类型混合网格(包含壳体单元及实体单元)所用网格器标准网格自动过渡打开雅可比点4点单元大小42mm 公差 2.1mm 网格品质高节点数14732单元总数7013前处理设置完成后,即可进行算例的求解,便可得到载荷作用力分别作用于铲齿居中㊁靠边㊁最边三个位置的应力图解,如图3所示㊂图3㊀应力云图㊀㊀由图3可知,在载荷作用于居中的铲齿时,整个铲斗的应力呈对称分布,应力最大值为150.643MPa,发生在两耳板与斗底的连接处㊂当载荷作用于靠边的铲齿时,铲斗的应力分布便不再均匀,且最大应力值增大到245.412MPa㊂当载荷作用于最边的铲齿时,铲斗的受力状况更为恶劣,并且其最大应力达到了了298.441MPa,已接近铲斗所用材料16Mn 的屈服点(其值为345MPa)㊂由三种工况的对比分析可知,当铲斗有偏载作用时,其受力状况便会急剧恶化㊂尤其在最边铲齿时,这种情况更为明显㊂铲斗的相关结构件的安全系数,一般取2.0~2.5,但通过分析,当加载载荷偏载时,铲斗的结构强度明显不符合要求故需要进行设计优化㊂6㊀设计优化在有限元分析软件中,若要进行结构参数优化设计,必须首先选定基础分析算例,再设定所需优化参数的取值范围,然后设定目标值及相关的约束信息㊂在SolidWorks Simulation 中,结构参数优化设计通过 设计算例 来实现㊂基础分析算例选择载荷加载于最边铲齿时的工况㊂各参数的取值范围见表3㊂表3㊀各参数取值范围参数类型数值/mm aa范围最小:20最大:40bb 范围最小:20最大:40cc 范围最小:20最大:30dd 范围最小:8最大:25ee 范围最小:15最大:30ff 范围最小:180最大:300gg 范围最小:100最大:180hh范围最小:15最大:35ii 范围最小:30最大:75SolidWorks Simulation 优化分析中,目标约束的设置方式与其它一些专用的有限元分析软件(如AN-SYS)不同,它是通过添加传感器的方式来实现的㊂在本次分析中,取铲斗各构件安全系数为2.4(即许用应力为143.75MPa),并以此为约束进行优化计算㊂运行分析后可得优化结果如表4所示㊂表4㊀优化设计结果设计参数参数优化值斗底板厚aa 30耳板厚度bb 40斗壁厚度cc 25斗角厚度dd 16.5背板厚度ee 30耳板间距ff 480斗角长gg 140斗角宽hh 15斗角圆弧半径ii52.5根据表4优化设计结果,对铲斗分析模型进行参数修改并运行分析,可其应力云图如图4所示㊂由图4可知,优化后的铲斗所受应力得到了较为明显的改善,在载荷加载至最边铲齿时,最大应力仅为141.73MPa㊂(下转第147页)图6㊀目标函数图7㊀设计变量4㊀结㊀语(1)用APDL 语言建立的建模程序,可快速有效地对各种规格的载重车车轮建立有限元模型㊂(2)根据弯曲疲劳试验建立等效力学模型,试验结果和等效力学模型建立的有限元分析结果是较为符合的㊂㊀㊀(3)根据验证的等效力学模型对车轮进行优化设计,在保证轮辐厚度不变的情况下,通过改变轮辐形状和各种孔的位置和形状尺寸(保证安装尺寸),使危险点的最大应力降低了11.52%,从而提高车轮的载重量寿命㊂参考文献:[1]㊀Risener M,DeVries R I.Finite element analysis and structural opti-mization of vechicle wheels[M].SAE technical paper 830133.War-rendale,Pennsylvana,USA:Soc -Iety of Auto -motive Engineer,Inc,1983.[2]㊀John C.Stearns.An Investigation of Stress and Displacement Distri-bution in a Aluminu -m Alloy Automobile Rim[M].A Thesis of TheUniversity of 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的挖掘机工作装置动力学分析[J].煤矿机械,2010(3):102-103.[4]㊀李首先,朱永胜,高利芳.基于Simulation 的VOLVO220铲斗强度分析及优化设计[J].港口科技,2014(9):24-26.。