装载机工作机构设计有限元分析
装载机工作机构设计有限元分析
摘要:在煤矿巷道施工机械领域采用液压扒斗式装载机技术,可以加快施工速度、降低工人的劳动强度,而且在巷道、隧道、水电涵洞等施工方面具有广阔的应用前景。本文采用现代设计理论和方法对新型液压装载机工作装置进行设计研究,以期能研制出满足煤矿需求的产品,提高巷道施工掘进的机械化程度。本文研究重点为工作机构有限元分析。
关键词:工作机构 运动分析 有限元析
1 研究背景
随着新技术不断出现,自20世纪末期以来,煤矿采掘技术与装备迅速发展并得以推广。先进采煤国家积极应用先进的机电一体化和矿井生产过程自动化控制及自动化技术,研制开发了高生产能力、高性能的开采技术装备,还广泛应用新技术实现了矿井的高产高效和集约化生产。
从总体上看我国的煤矿建井技术已进入先进国家行列。其中,井巷施工中,斜井、立井施工的机械化配套施工工艺和冻结、注浆等各类特殊凿井技术均达到世界先进水平,基本具备了在国际市场竞争的能力,唯独巷道施工尤其是岩巷施工在机械化水平、施工工艺、施工速度上都明显落后于采煤技术先进国家[1]。 目前,机掘法和钻爆法是岩巷掘进的两种主要工艺[2]。机掘法就是使用全断面岩石掘进机进行巷道开拓的方法,可以经济切割普氏系数低于f7的巷道岩石。钻爆法是先在工作面钻出炮眼,在炮眼内装入炸药进行爆破,实现破岩的一种方法[3]。发达国家采用机掘法进行岩石巷道施工的数量在掘进中所占比例较高,可以达到30％～40％。但由于受技术发展水平和经济因素的制约,钻爆法将仍是我国煤矿岩巷掘进的主要方法[4]。
本课题研究的目的:本论文在前人大量研究工作的基础上,提出了在煤矿巷道和隧道掘进中发展以扒斗式装载机和全液压钻车相配套的岩巷机械化作业线的必要性。并在新式岩巷施工设备—扒斗式装载机的工作机构设计中,引入了三维设计方式和有限元分析方式,改变了传统的经验设计的模式,使设计更加直观可靠,可以对其进行运动学分析、强度分析、模态分析和干涉检验。这为产品设计开发及后续工作奠定了必要的理论基础。
2 研究现状分析
自20世纪90年代以来,国外装载机进入了一个新的发展时期,在广泛应用新技术的同时,不断涌现出新结构和新产品。继完成提高整机可靠性任务之后,技术发展的重点在于增加产品的电、液技术含量,努力完善产品的标准化、系列化和通用化,向节能、环保及可视化操纵方向发展[5]。通过对传统的操纵与控制结构的数字化改造,既实现了精确的铲装作业,又大大改善了驾驶人员的工作条件,极大地提高了作业效率。“通过产品的更新换代,不断提高产品的技术水平和科技含量”是国外装载机生产厂商始终不渝的追求。
我国通过引进不断更新的先进装备和技术,大力推广机械化配套,已在生产中形成了多条的机械化作业线。目前岩巷掘进施工机械化主要有4种配套方式,即侧卸装岩机配全液压钻车、耙斗装岩机配气腿凿岩机、侧卸装岩机配耙斗装岩机、侧卸装岩机配皮带转载机[6]。
掘进断面小于或等于12 m2岩石巷道,采用多台凿岩机钻孔,耙斗装岩,电动车拖拽矿车运输出矸石。掘进断面大于12 m2岩石巷道,采用多台凿岩钻车钻孔,耙斗装岩或侧卸式装岩机装岩石,电动车拖拽矿车运输出矸石[7]。这是比较常见的配套形式。
3 动臂的有限元分析
动臂是扒斗式装载机工作机构的关键部件之一,是进行扒料、推拉工作的承力部件,它的结构对工作机构装载性能的发挥有重要影响,因而对其结构的详细分析就显得至关重要。
3.1 动臂有限元分析
建模时要注意网格划分。
(2)有限元计算阶段。
另外,由实际工况和以上分析可知扒斗工作机构工况Ⅰ时,动臂结合动作时,动臂的作业环境最为恶劣,因而本文仅就该过程进行分析,其他工况可采用相同的方法进行。对动臂加载如图2所示。
(3)后处理阶段。
后处理阶段的目的就是对计算输出的结果进行必要的处理,并按要求的方式输出结果并显示出来,结果可以是变形图和应力图等形式。这样就有利于使用者对结构性能的好坏或设计的合理性进行评估,并根据结果及时作出相应的改进或对设计方案进行优化。
用上述有限元模型,p3.2 动臂模态分析
用模态分析进行结构动力特性的研究一种近代方法,它是系统辨别方法在工程领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性。而每一个模态具有的固有频率、阻尼比和模态振型这些模态参数可以由实际计算或试验分析取得。而这样一个实际计算或试验分析过程被称为模态分析过程。我们采用有限元计算的方法取得的模态分析,被称为计算模态分析。通常,模态分析都是指试验模态分析。模态分析的经典定义:将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标,使方程组解耦,成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程,以便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵,其每列为模态振型。
模态分析用于确定结构的自振频率(也叫固有频率)和振型。ANSYS可以对包含预应力的结构进行模态分析。振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。通过模态分析方法了解结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性,研究人员就可能预见到该结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此,模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法之一。
ANSYS提供了七种模态提取的方法:QR阻尼法、PowerDynamic方法、缩减法、非对称方法、分块Lanczos方法、阻尼法和子空间法,其QR阻尼法和阻尼法均应考虑机构的阻尼效应。
3.3 分析结果并提出改进措施
在利用有限元分析法求解后,对结果的分析是评价产品、总结结论、提出建议、指导产品优化结构、改进性能的最终目的。
模态分析技术的应用作用:(1)可对现有结构系统的动态特性进行评价。(2)进行结构系统的故障的诊断及预报。(3)对新产品进行结构动态特性的预估和优化设计。(4)其能够识别结构系统中的载荷。
本分析中可知,动臂支座铰接孔强度数值大原因主要因为轴座是整个动臂与平台的联接部件,是整个动臂作业的支撑点,工作机构每次工作都会受到较大荷载。另外该区域又是焊接的热影响区,是集中力作用处,容易发生破坏。支撑座是动臂油缸的上铰点,且它与斗杆油缸联接座相距不远,是动臂上结构最复杂的地方。另外各联接部位也是应力较大的地方,在设计时应该引起注意。 本工况下,动臂的最大应力为198.09 MPa,在动臂与支座铰接孔部位,应力的大小满足设计要求。在各阶模态分析中可以看出发生扭振的最大变形位置通常出现在左右侧板、动臂油缸连接板等刚度相对较小处,需要增加其局部刚度。
通过上述分析结果,需要对如下部分进行改进:采用各铰接孔处焊接厚衬板、加厚左右侧板、加长衬套等方式进行加固。油缸座支撑衬板要加焊加强板或用较厚的板代替;增强动臂侧板的箱型封闭性,在前倾板处加焊连接板。
参考文献
[1] 崔增祈,李树青.岩巷施工技术的回顾与展望[J].建井技术,1996(5/6):3-5.
[2] 邵虎成.岩巷装载技术及其发展[J].建井技术,1996(5/6):20-21.
[3] 窦庆峰.钻爆法在隧道施工中的发展趋势[C]//煤炭科学研究总院北京建井研究所.矿井建设现代技术理论与实践.北京:煤炭工业出版社,2005:581-584. [4] 王宗禹.煤矿岩巷掘进技术[C]//煤炭科学研究总院北京建井研究所.矿井建设现代技术理论与实践.北京:煤炭工业出版社,2005:572-574.
[5] 姜金球.岩巷掘进施工机械化配套方案[J].建井技术,2000(8):30-33.
[6] 李振东.“三车”配套机械化作业线与传统工法在岩平巷施工中的应用比较[J].建井技术,2009(1):29.
[7] 煤矿安全规程[S],北京:煤炭工业出版社,2010,10.
[8] 龚曙光.ANSYS工程应用实例解析[M].北京:机械工业出版社,2003:3-4.
挖机铲斗结构有限元分析-ANSYS FEM大作业
挖机铲斗结构有限元分析-ANSYS FEM大作业
1. 问题概述：
通过ansys软件对挖机的铲斗结构进行有限元分析，将铲斗结构在工作过程中铲土受到的力反向施加在铲斗上，来分析结构的受力状态，结合材料力学第四强度理论来判定结构是否满足强度要求。
图1 几何模型
2. 问题分析：
采用ansys软件，建立铲斗有限元模型，不需要建立挖机的整体模型，在铲斗与挖机动臂连接的销孔位置处进行约束设置，将铲斗工作过程中的力提取出来，反向施加在铲斗上，如图1所示，红色箭头方向即为铲斗的受力方向，其中已知，Fx为109000N，Fy为-110000，Fz为0，最终对铲斗进行强度分析。
3. 分析步骤
首先通过Proe建立三维模型，随后将三维模型通过ansys几何结构导入至ansys软件中，
几何导入路径截图为：
图2 几何导入路径
单元类型为solid186单元类型，solid186是一个高阶3维20节点固体结构单元，SOLID186具有二次位移模式可以更好的模拟不规则的网。单元通过20个节点来定义,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度. SOLID186可以具有任意的空间各向异性，单元支持塑性，超弹性, 蠕变,，应力钢化，大变形和大应变能力.还可采用混合模式模拟几乎不可压缩弹塑材料和完全不可压缩超弹性材料。
图3 单元类型
图4 单元类型定义
结构材料为Q235，弹性模量为2.1e11Pa，泊松比为0.3。在ansys中材料定义如下所示：
图5 材料属性
对结构进行网格划分，采用六面体的网格划分方法，让结构尽可能多的用六面体，这样可以减少整体的节点规模，减小计算资源，同时还能保证计算精度。网格总数为35210，节点总数为40448。
图 4 有限元网格模型
根据实际情况进行加载约束，首先约束四个主动臂铰接孔内孔的全部自由度，如下所示
其次约束辅动臂的四个铰接孔内孔的轴向和径向自由度，放开转动自由度，如下图所示。最后按照题目中的载荷要求，在挖机铲斗边缘施加对应的载荷，最终加载约束示意如下，分析过程中还考虑铲斗结构的本身自重问题。
有限元分析在工程机械钢结构设计及结构优化中的应用
有限元分析在工程机械钢结构设计及结构优化中的应用
1. 本文概述
本文旨在深入探讨有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）在现代工程机械钢结构设计与结构优化过程中的关键作用及其实际应用价值。随着计算机技术和数值模拟方法的发展，有限元分析已经成为工程领域不可或缺的重要工具，尤其在解决复杂钢结构的力学行为、承载能力评估、疲劳寿命预测以及结构优化设计等问题上具有显著优势。
在工程机械钢结构的设计阶段，有限元分析能够精确模拟构件在各种载荷条件下的应力分布、变形状态和稳定性特征，从而帮助设计者在产品开发初期就对结构性能进行预估和改进。同时，通过开展细致的有限元仿真研究，可以对潜在的局部薄弱区域进行识别，并据此进行针对性的结构强化设计。
本文将系统介绍有限元分析的基本原理及其在工程机械钢结构领域的具体应用步骤，结合实例阐述如何利用有限元法实现结构静力分析、动力学分析、热力学分析以及多物理场耦合问题的研究。还将探讨借助高级优化算法与有限元软件平台相结合的方法，实现工程机械钢结构的轻量化、功能化与成本效益最优化设计策略，以期推动该领域的技术进步和产业升级。
2. 有限元分析的理论基础
有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）是一种数值计算方法，它通过将一个复杂的结构分解成许多小的、简单的、形状规则的单元（有限元），并对这些单元进行局部的分析，来近似求解整个结构的响应和行为。
有限元分析的基本原理是将连续体划分为有限数量的离散单元，每个单元内部的物理行为可以通过局部的近似函数（形函数）来描述。通过组装这些局部近似函数，可以得到整个结构的全局近似解。
形函数是有限元分析中的核心概念，它定义了单元内部的位移或温度等物理量的分布情况。插值是通过有限个已知点（节点）的函数值来构造一个连续函数的过程。在有限元分析中，形函数通常采用多项式函数，如线性、二次或三次插值。
有限元分析在机床结构优化设计中的应用
有限元分析在机床结构优化设计中的应用
有限元分析(Finite Element Analysis)是一种利用计算机模拟物理系统的工程分析方法，能够预测结构在各种外载荷下的响应情况。在机床结构优化设计中，有限元分析是非常重要的工具。
一、机床结构优化设计的意义
机床是制造业的重要设备之一，但是机床的制造成本、维护成本、能耗成本都比较高。为了提高机床的性能和降低成本，需要进行结构设计的优化。优化设计既可以提高机床的工作精度，优化结构，还能够减少机床重量，降低能耗成本。
二、有限元分析的基本原理
有限元分析是一种模拟物理系统的方法，它可以通过将大的结构划分成小的单元，并建立数学模型来计算结构在各种外载荷下的响应情况。基本原理如下：
1、建立模型：将结构划分成小的单元，并建立数学模型。
2、施加载荷：将结构施加各种外载荷，例如重力、压力、加速度等。
3、求解模型：利用计算机数值方法求解结构在各种外载荷下的响应情况。 4、分析结果：通过分析求解结果，评估结构的性能、强度、刚度等方面。
5、优化设计：根据分析结果，对结构进行优化设计。
三、有限元分析在机床结构优化设计中的应用
有限元分析可以应用于机床结构的优化设计，主要包括以下几个方面。
1、材料的选择
在机床结构中，材料的选择非常重要，因为不同材料的性质不同，会影响机床的工作精度和性能。利用有限元分析可以预测机床在各种外载荷下的响应情况，并确定材料的合适选择。
2、优化结构设计
机床结构非常复杂，因此在设计过程中可能存在缺陷或者弱点。有限元分析可以帮助设计者预测和评估机床结构在各种载荷下的响应情况，并帮助设计者确定如何优化结构设计。
3、优化布局方案
机床的各种部件需要进行合理的布局，以确保机床的工作精度和性能。有限元分析可以模拟机床在各种外载荷下的响应情况，帮助设计者确定合适的布局方案。
4、降低材料成本 机床的材料成本非常高。有限元分析可以帮助设计者确定机床结构所需的材料数量，从而降低机床的材料成本。
基于有限元技术的轮式装载机ROPS分析
第２３卷第１期 ２０１０年１月 机电产品开崖与 崭 Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｖｏ１．２３，Ｎｏ．１ Ｊａｎ．，２０１ ０
文章编号：１００２—６６７３（２０１０）０１—１ １３－０３
基于有限元技术的轮式装载机ＲＯＰＳ分析
王平 ，牟永海 ，常晓华
（１．北方重工沈阳矿山机械有限公司，辽宁沈阳１１００４２；２．辽宁省安全科学研究院，辽宁沈阳１１０００３）
摘要：以ＺＬ５０Ｃ轮式装载机ＲＯＰＳ为研究对象，建立有限元建模并进行非线性有￣￣－Ｊｇ分析，获取ＲＯＰＳ
在各种工况下的变形情况；对ＲＯＰＳ性能进行测试研究，并对有限元分析结果和试验结果进行对比
分析。基于判定工程车辆ＲＯＰＳ失效准则，利用非线性有限元方法对ＲＯＰＳ进行理论结算。
关键词：轮式装载机；ＲＯＰＳ；非线性有限元；性能试验
中图分类号：ＴＰ３９１．７ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－６６７３．２０１０．０１．０４７
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ＲＯＰＳ ｏｆ Ｗｈｅｅｌ Ｌｏａｄｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＷＡＮＧ ， ，ＭＯＵ Ｙｏｎｇ－Ｈｏｉ ，ＣＨＡＮＧ Ｘｉａｏ—Ｈｕａ２
（１．ＮＨＩ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｍｉｎｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｌｉａｏｎｉｎｇ １ １００４２，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｌｉａｏｎｉｎｇ １ １０００３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｈｅ ＲＯＰＳ ｏｆ ＺＬ５０Ｃ ｗｈｅｅｌ ｌｏａｄｅｒ．ｔｈｅｎ ａｎａ】Ｖｚｅ ｔｈｅ ｓｅｔｕｐ ｏｆ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ＲＯＰＳ
装载机轮边减速器行星轮架有限元分析及结构优化
装载机轮边减速器行星轮架有限元分析及结构优化
口陈劲松 口李华 口姚进
四川大学制造科学与工程学院成都６１００６５
摘要：在三维设计软件ＩＮＶＥＮＴＯＲ中建立了行星轮架和简化轴承的三维模型．将其导入有限元分析软件ＡＢＡＱＵＳ
进行装配，并对整个模型进行静强度分析。根据仿真分析结果得出：转动位置的改变对该行星轮架的最大应力、应变值影
响不大。在此基础上提出了改进行星轴轴肩附近过渡圆角半径及行星轴轴径的设计方案．再次仿真分析所得数据验证了
改进后的行星轮架的结构强度和可靠性，对其疲劳强度分析及结构设计提供了理论依据。
关键词：行星轮架有限元分析ＡＢＡＱＵＳ静强度分析
中图分类号：ＴＨ１３２．４２５；ＴＰ３９１．９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—４９９８（２０１３）０２—００３０—０４
１ 概述
装载机的行星轮架是轮边行星减速器装置的重要
组成部分，该装置由太阳轮、行星轮、行星轴、行星轮
架、内齿圈、轮毂、制动器等组成 ］。结构简图如图ｌ所
示。工作原理：半轴将动力传递给太阳轮。太阳轮与行
星轮同时与不能转动的内齿圈啮合。故行星轮只能带
动行星轮架绕半轴轴线转动［２３，并将转矩传递给车轮。
行星轮架是轮边减速器中承受外部力矩最大的零件之
一．它的力学性能对各行星轮之间载荷大小比例的分
配以及整个传动装置的承载能力、振动和噪声等都有
很大的影响。因此．为了使轮边减速器装置中的各个零
件之间满足合理的设计要求。需要对最关键的部分即
行星轮架进行具体的力学性能分析。该装载机共有三
个挡位，当处于前进一挡的时候，行星轮架所受转矩最
大。因此，本文在该挡位下，针对行星轮架在不同时刻、
转动到不同位置时．进行力学性能的分析。
由于结构、形状和载荷状况的复杂性，传统力学分
析方法已不能胜任。目前多应用ＣＡＥ技术对其性能进
行全面分析。与传统力学分析相比，计算机有限元分析
节约成本和时问．有限
元分析相比常规力学计 算更快速，准确度相对
利用NX3.0对装载机铲斗进行有限元分析
・开发研究・ 新疆农机化 ２００６年第５期
利用ＮＸ３．０对装载机铲斗进行有限元分析
鞠俭，张科，李力
（新疆科力先进制造技术有限责任公司，新疆工业设计与快速成型生产力促进中心，新疆乌鲁木齐８３００９１）
摘要：以某型号装载机铲斗为例，介绍了利用ＵＧＳ公司的ＮＸ３．０软件对装载机铲斗进行有限元强度分析的方 法，对铲斗的设计模型进行了应力校核，实现了铲斗的优化设计。 关键词：有限元分析；ＮＸ３．０；强度校核
中图分类号：￥２２４ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００７—７７８２（２００６）０５—００３４—０２
ＮＸ软件是当今最流行的ＣＡＤＡ２ＡＦ＿／ＣＡＭ一体
化软件，内容丰富、功能强大，涵盖了设计、制造、仿
真分析等领域。其ＮＸ／Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ模块提供了有限元
分析功能，在ＮＸ／Ｍｏｄｅｌｉｎｇ模块中完成零部件三维
造型后，可进人该模块进行有限元分析。受客户委
托，我公司对其提供的某型号轮式装载机的主要部
件—铲斗进行有限元分析，校核其强度。软件环境是
ＮＸ３．０软件，硬件环境是惠普ＸＷ３１００图形工作站
（ＣＰＵ／ｐ４（２．８Ｇ），内存／５ １２Ｍ）。
１ 有限元静力分析模型的建立
１．１分析方案及条件
有限元进行静力分析的过程是：①前处理，建立
几何模型，将几何模型理想化，施加材料参数和载荷
约束条件，进行网格划分；②通过软件进行有限元分
析计算；③后处理模块，将计算结果以彩色等值线显
示、梯度显示、矢量显示，也可将计算结果以图表、曲
线形式显示或输出。使用ＮＸ／Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，可以将几何
模型转换成有限元模型进行分析求解，并以图形方
式显示分析结果。
首先，在ＮＸ／Ｍｏｄｅｌｉｎｇ模块中对铲斗进行三维
造型，接着通过ＮＸ／ｍｏｔｉｏｎ模块进行动力学分析，求
出铲斗受力最大的工况，计算出有限元静力分析的
载荷数据，再使用ＮＸ／Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ模块对铲斗进行有
限元静力分析。
１．２建立有限元分析模型 根据客户提供的尺寸数据，在ＮＸ／Ｍｏｄｅｌｉｎｇ模
机械设计中有限元分析的几个关键问题
机械设计中有限元分析的几个关键问题
有限元分析是机械设计中常用的一种计算方法，它可以对复杂的结构进行分析和优化，提高设计的可靠性和精确度。在进行有限元分析的过程中，需要注意以下几个关键问题。
一、模型建立
模型建立是有限元分析的关键步骤，模型的准确性和精度将直接影响分析结果的可信度。在建立模型时，需要考虑以下几个问题：
1.几何模型的准确性
几何模型是有限元分析的基础，因此应该尽可能地准确。如果几何模型不准确，将会对分析结果产生较大的误差。因此，在建立几何模型时需要采用准确的三维设计软件，并尽量避免使用贴近曲面的简化模型。
2.网格划分的精度
网格划分是有限元分析中的一个重要步骤，网格的精度将会直接影响到分析结果的精度。为了得到准确的分析结果，应该采用较小的网格进行划分，并避免出现网格变形或过于规则的网格。
3.边界条件的准确性
边界条件是有限元分析中的关键参数，对分析结果产生了较大的影响，应该根据实际情况进行准确设置，在设置时应注意设置边界条件的类型、大小、方向等参数。
二、分析求解
在进行有限元分析时，分析求解是整个过程中最复杂、最耗费时间的步骤。因此，在进行分析求解时，应该注意以下几个问题：
1.求解器的选择
求解器是有限元分析中的关键组成部分，不同的求解器具有不同的适用范围和计算速度。在进行分析求解时，应该根据设计需求选用适当的求解器，并考虑计算速度和效率的平衡。
2.数值精度的控制
有限元分析中的计算精度是影响分析结果的重要因素，因此需要对数值精度进行严格的控制。具体控制方法包括增加网格密度、选择合适的时间步长、控制计算误差等。 3.收敛性的判断
在进行有限元分析时，应该注意判断计算的收敛性，以保证分析结果的正确性。如果分析结果不收敛，应该及时终止计算，并重新检查模型和边界条件的设置。
机械设计中复杂结构有限元分析中问题的处理分析
机械设计中复杂结构有限元分析中问题的处理分析
摘要：伴随现代计算机技术的飞快进步，计算机也在日益增强运算能力。而在机械设计中，有限元分析发挥的作用也变得更大。基于有限元软件，能准确模拟复杂结构的刚强度，并以此来正确指导零件优化，进而充分降低设计成本，更好地达到设计要求。基于此，本文从有限元分析出发，主要分析了复杂结构机械中处理设计问题的有关内容，仅供参考。
关键词：有限元分析；机械设计；复杂结构；问题处理
在信息时代下，有限元分析基于计算机获得了很好的发展，属于计算领域有关数学、力学、工程学的一种计算新方法。其中会假设复杂结构离散，并形成数目有限的单元组合体，再通过离散法分析复杂结构的基本物理性能，以获得近似结果，并取代复杂度大的计算，处理理论分析中难以改善的问题。
一、有限元分析简介
有限元分析（简称FEA）是指能有效分析、处理数据的一种方法。其中的技术原理与数学方法相似，主要基于荷载、几何系统等的模拟，再通过数量有限的单元，分析未知的数据并获得未知量。在设计机械中利用有限元分析，能化复杂运算为简单化计算，进而弥补复杂结构不准计算的缺陷。这种计算方法既精准又高效，借助有限元分析，能大幅提升机械加工效率，妥善处理以往设计方法中设计思路模糊、计算错误等问题。在当前机械设计中，借力于有限元分析，可精准改善设计，大幅节约劳动力、成本等。所以有限元分析以前便捷、准确等优势极大地促进了设计过程的优化改进。但在机械尤其是复杂结构的设计中，考虑到有限元方法相较于别的设计方法具有更好的精密性且仍需依赖复杂度高的计算模型等，所以有限元分析在实际运用中不免会存在问题，急需有效加以处理。
二、机械设计中处理有限元分析复杂结构中问题的措施 1、简化模型
在机械设计中，所选用的有限元计算模型所起的作用至关重要。唯有做好模型处理工作，方才能事半功倍，万不可掉以轻心。针对复杂结构下面的静、动力问题，一般需要考虑的是以下问题：
基于UG的装载机驱动桥壳有限元分析(1)
驱动桥桥壳是装载机的主要零件之一，在工作过程中，桥壳既是承载件又是传力件，在繁重复杂的载荷工况下，桥壳的强度状况对驱动桥有着直接的影响。由于桥壳形状复杂，载荷工况复杂，采用传统的工程力学计算方法难以准确求出装载机各种工况下桥壳各部分的应力分布和大小，尤其难以精确求解局部应力集中的位置及大小［１］。目前，装载机驱动桥壳大多采用图解法进行设计，计算量大且很复杂，精度不高。应用计算机的可视化技术和参数化造型和建模能力，在车辆的设计阶段进行三维实体参数化建模，并利用有限元分析方法进行满轴载荷静力学分析，２．５倍满载荷下的垂直弯曲强度和刚度计算，并进行模态分析和参数化结构优化，从而提高车辆驱动桥壳结构的设计水平，减少实际试验研究费用和时间，提高设计效率。１ＵＧ软件简介及有限元模型的建立１．１ＵＧ软件简介Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ（ＵＧ）ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ系统提供了一个基于过程的产品设计环境，使产品开发从设计到加工真正实现了数据的无缝集成，从而优化了企业的产品设计与制造。而且，在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟，提高了设计的可靠性［２］。通过在实践中运用ＵＧ软件，笔者总结了一套结构分析方法和分析步骤：（１）参数化建模。包括建立构件的三维参数化实体模型，建立设计变量，并施加约束和载荷等；（２）满载荷静力学分析。确定１５ｍｍ桥壳每米轮距变形量和最大许可应力值；（３）结构模态分析。确定不同设计变量下的结第５卷第２期２００８年４月Ｖｏｌ．５Ｎｏ．２Ａｐｒ．２００８现代交通技术ＭｏｄｅｒｎＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ基于ＵＧ的装载机驱动桥壳有限元分析王雪琴（南京交通职业技术学院汽车工程系，江苏南京２１１１８８）摘要：介绍了运用ＵＧ／ＮＸ软件对装载机驱动桥壳参数化设计的方法，并建立了ＺＬＭ３０Ｅ－３装载机驱动桥壳的动力学模型，在考察其变形、强度和刚度的基础上，对其影响桥壳强度和刚度的因素进行了分析，同时进行了产品结构优化设计。和传统的设计方法相比，该方法大大提高了设计精度和效率。主题词：装载机；驱动桥壳；有限元分析；优化设计中图分类号：Ｕ４６３．２１８文献标识码：Ｂ文章编号：１６７２－９８８９（２００８）０２－００８１－０３ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＬｏａｄｉｎｇＭａｃｈｉｎｅＤｒｉｖｉｎｇＡｘｌｅ－ｈｏｕｓｉｎｇＢａｓｅｄｏｎＵＧＳｏｆｔｗａｒｅＷａｎｇＸｕｅｑｉｎ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１１１８８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｐａｒａｍｅｔｒｉｃｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆｌｏａｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｄｒｉｖｉｎｇａｘｌｅ－ｈｏｕｓｉｎｇｕｓｉｎｇＵＧ／ＮＸｓｏｆｔｗａｒｅ．Ａｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｏｆｄｒｉｖｉｎｇａｘｌｅ－ｈｏｕｓｉｎｇｏｆＺＬＭ３０Ｅ－３ｌｏａｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｉｓｓｅｔｕｐ．Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｒｅｖｉｅｗｉｎｇｉｔｓｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，ｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ｔｈｅｆａｃｔｏｒｓｅｆｆｅｃｔａｘｌｅ－ｈｏｕｓｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｓｔｉｆｆｎｅｓｓｉｓａｎａｌｙｓｅｄａｎｄａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｕｓｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅａｃｃｕ－ｒａｃｙａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｄｒｉｖｉｎｇａｘｌｅ－ｈｏｕｓｉｎｇｄｅｓｉｇｎ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｌｏａｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ；ｄｒｉｖｉｎｇａｘｌｅ－ｈｏｕｓｉｎｇ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ；ｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎ作者简介：王雪琴（１９８０－），女，江苏泰州人，助教，研究方向为汽车设计与仿真控制。现代交通技术２００８年构固有频率及振型，并与试验值比较；（４）参数化优化设计。在指定优化目标、定义约束和定义变量之后，计算出最优结果。１．２有限元模型的建立［３］对产品进行参数化建模，可以用参数建立起零件内各特征之间的相互关系。同时，通过设计时设定的关联参数，实现相关部件的关联改变，可以有效地减少设计改变的时间及成本，并维护设计的完整性。设计软件采用ＵＧ／ＮＸ，基于自顶向下（Ｔｏｐ－Ｄｏｗｎ）原则对产品进行设计，根据关键参数和ＵＧ／ＷＡＶＥ技术建立起零部件之间的几何和位置的相关性。建立好的参数化模型如图１所示。图１参数化模型由于部件三维模型中的建模细节（如螺栓孔、焊缝等）将影响整个结构的网格分布，增加网格的数量会导致模型过于复杂。因此，建模时去掉那些对分析影响不大的特征（如倒角、圆角等）和一些小孔。采用ＵＧ／Ｓｃｅｎａｒｉｏｆｏｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ进行网格划分，划分网格时选用四面体１０节点单元，全局单元尺寸大小为１７．６，自动划分网格，建立起桥壳有限元网格模型，如图２所示，共有４２６６１个节点，２３１０２个单元。图２有限元模型２驱动桥壳有限元分析２．１有限元分析方案由于前驱动桥壳是通过螺栓与车架刚性联接，而载荷作用的力、弯矩和扭矩等是经过车轮及轮边减速器等传递到桥壳的法兰端面上。因此，在桥壳有限元分析中，法兰端面处即为载荷作用位置。而在变截面箱形梁与车架联接处表面则为固定约束面，即在约束面上的所有节点为０位移点，如图３所示。图３装载机受力分析简图前驱动桥壳的复杂受力状况可分为３种典型的载荷工况：（１）满载运行紧急制动工况；（２）通过不平路面最大垂直力工况；（３）铲斗提升或转斗后轮离地瞬间的最大牵引力工况。根据装载机实际工作时的载荷数据，计算得到各工况下各种载荷的具体数值如表１所示。表１不同工况计算载荷由表１可知，工况１和工况３的力作用位置和方向完全一致，但工况１的载荷值都较工况３大，故以工况１和工况２作为有限元计算的载荷工况。桥壳本体材料是ＺＧ２７０－５００铸钢，弹性模量为２０６ＧＰａ，泊松比为０．３，许用应力为［σ］Ｓ＝４００～７８９ＭＰａ［４］。２．２结构静力学分析２．２．１满载运行紧急制动工况满载运行急制条件下的位移图与应力图如图４、图５所示。图４满载紧急制动（工况１）条件下的位移（单位：ｍｍ）工况垂直力／ｋＮ牵引力／ｋＮ垂直弯矩／（ｋＮ・ｍ）水平弯矩／（ｋＮ・ｍ）扭矩／（ｋＮ・ｍ）１９９．９６８３．０３３．９８２８．２２４０．１７２１６２．２７５５．１７３９５．８１７９．５３２．５８２７．０３３８．７０８２・・第２期图５满载紧急制动（工况１）条件下的应力（单位：ＭＰａ）由图４可以看出，桥壳在工况１中受力变形，其最大的位移处于桥壳的法兰端面，为１．１４２ｍｍ，最小的位移处于被约束的变截面箱形梁与车架连接处表面。轮距的变形量为１．１４２ｍｍ／１．３９１ｍ＝０．８２１ｍｍ／ｍ，远小于国标规定的１．５ｍｍ／ｍ。根据第四强度理论，最大Ｖｏｎｍｉｓｅｓ等效应力为３８６．４ＭＰａ，出现在变截面箱形梁约束处的附近，小于许用应力［σ］Ｓ。２．２．２通过不平路面最大垂直力工况工况２下的桥壳的位移与变形如图６、图７所示。图６通过不平路面最大垂直力（工况２）下的位移（单位：ｍｍ）图７通过不平路面最大垂直力（工况２）下的应力（单位：ＭＰａ）由图６可以看出，桥壳在工况２中受力变形，其最大的位移处于桥壳的法兰端面，为０．４３１８ｍｍ，轮距的变形量为０．４３１８ｍｍ／１．３９１ｍ＝０．３１０ｍｍ／ｍ，远小于国标规定的１．５ｍｍ／ｍ。最大Ｖｏｎｍｉｓｅｓ等效应力出现在变截面箱形梁在被约束处的周边处，为１８９．０ＭＰａ，远小于其许用应力［σ］Ｓ。综合工况１和工况２可知：最大位移处于桥壳的法兰端面。在法兰上的外载荷作用区域，由于局部作用载荷较大产生了应力集中，并且垂直力及附加力矩，对该处应力集中的影响较大，最大Ｖｏｎｍｉｓｅｓ等效应力出现在变截面箱形梁在被约束处的周边处。因此，建议加大法兰端面和变截面箱形梁在被约束处的周边处的厚度或选用强度性能更好的材料以提高桥壳的承载能力，降低最大应力值。综上分析，１５ｍｍ厚度的桥壳本体是完全符合桥壳结构强度要求的。２．３结构模态分析改变桥壳本体厚度做模态分析，相应固有频率结果如表２所示。表２不同厚度、模态桥壳的频率Ｈｚ从表２可以看出，在厚度降低时，桥壳的固有频率是在不断地增加的，说明降低桥壳的厚度可以提高其低阶固有频率，从而提高桥壳刚度。与试验结果（１阶频率１９７Ｈｚ）比较，其１阶频率接近试验结果，桥壳本体厚度为１５ｍｍ的驱动桥壳的１阶频率与试验绝对误差为１１．７％，小于一般经验值２０％，说明模型的可靠性是有保证的。３结构优化设计以质量最小化为定义目标，定义约束为许可应力。把桥壳的厚度定为设计变量，其最大值定为１５ｍｍ，最小值定为１１ｍｍ。为经过７次迭代后的结果［５，６］如图８、图９所示。图８迭代质量变化曲线（下转第８７页）频率桥壳厚度／ｍｍ１５１４１３１２１１１０１阶固有频率１７５．０１８２．４１８９．７１９２．３１９７．５２０３．９２阶固有频率２８１．３２９３．１３０２．４３１１．２３２６．８３３１．３３阶固有频率３６９．６３６１．２３５２．０３４２．６３３１．９３１９．４４阶固有频率４３１．７４２０．４４１３．８４０２．３３９４．１３８２．４５阶固有频率４９９．３４８３．１４７９．２４６３．８４５４．０４３９．４王雪琴：基于ＵＧ的装载机驱动桥壳有限元分析８３・・第２期
装载机终传动齿轮的有限元分析及结构改进
装载机终传动齿轮的有限元分析及结构改进
济宁职业技术学院吴冉
摘要：结合某装载机终传动齿轮的强度设计，运用有限元分析理论，借助计算机软件ＡＮＳＹＳ，对齿轮的 静态特性进行分析，得出了装载机终传动齿轮的强度特性，将分析结果以应力云图、变形云图的形式直观显示 出来并提出了齿轮结构改进的方案。 关键词：装载机；齿轮；强度设计；应力云图；有限元分析；ＡＮＳＹＳ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｒｉｖｅ ｇｅａｒ ｆｏｒ ｌｏａｄｅｒ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｕｓｅｓ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＮＳＹＳ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅａｒ ａｎｄ ｇｅｔ ｉｔｓ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ａｌｓｏ，ｉｔ ｓｈｏｗｓ ａ— ｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｃｌｏｕｄ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｇｉｖｅｓ ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｇｅａｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｏａｄｅｒ；ｇｅａｒ；ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｄｅｓｉｇｎ；ｓｔｒｅｓｓ ｃｌｏｕｄ ｃｈａｒｔ；ｆｉｎｉｔｅ ｄｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ；ＡＮＳＹＳ
为了完成铲掘和装卸物料的作业，装载机常
采用机械传动或带液力变矩器的液力一机械传动 系统，也有少数采用液压传动系统。功率大于１２０
ｋＷ的履带式装载机，常采用液力一机械传动，其
传动路线为：发动机 液力变矩器 变速箱 中 央传动 转向离合器和制动器＿÷终传动一行走系
统，从而实现了装载机动力向配套工作装置的传
递和输出。某装载机终传动系统结构如图１所示， 采用一级圆柱齿轮外啮合和一级行星齿轮传动的
混合方式。