反鏟六連桿裝載機(jī)動(dòng)臂的有限元分析及拓?fù)鋬?yōu)化

婁玉印 熊 甜 于 瑛 韋學(xué)杰 丁雨潤(rùn) 龍盛保

（柳州工學(xué)院，廣西 柳州545000）

1 概述

動(dòng)臂作為裝載機(jī)的重要組成部分，其動(dòng)力學(xué)特性直接影響裝載機(jī)的使用壽命和安全指標(biāo)。裝載機(jī)在工作過(guò)程中，力學(xué)特性復(fù)雜，工況多變，難以保證整機(jī)的性能[1]。本文首先通過(guò)三維建模軟件建立裝載機(jī)工作裝置的三維模型；其次根據(jù)多體動(dòng)力學(xué)理論對(duì)裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析；再次利用有限元分析軟件Hypermesh 驗(yàn)證其強(qiáng)度條件并對(duì)動(dòng)臂進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化；最后根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果對(duì)動(dòng)臂重新設(shè)計(jì)并再次對(duì)新的動(dòng)臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。結(jié)果表明：新型動(dòng)臂結(jié)構(gòu)較原來(lái)減少20%，滿足強(qiáng)度條件，該新型結(jié)構(gòu)對(duì)企業(yè)的動(dòng)臂研究與設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)價(jià)值[2]。

2 裝載機(jī)動(dòng)力學(xué)分析

2.1 裝載機(jī)機(jī)構(gòu)如圖1 所示：

圖1 裝載機(jī)裝置圖

2.2 受力分析

鏟斗的受力如圖2 所示[3]：

圖2 鏟斗力學(xué)分析

Fin- 鏟斗的插入阻力

Ftn- 刃板尖端的轉(zhuǎn)斗阻力

經(jīng)計(jì)算得：Fin=116826N。

Ftn=66000N。

F'g=Fgcos15°=50000×cos15°=48296（N）

2.3 裝載機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型

裝載機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型如圖3 所示[4-5]：

圖3 裝載機(jī)工作裝置動(dòng)力學(xué)模型

加載大?。?/p>

2.4 裝載機(jī)動(dòng)臂動(dòng)力學(xué)分析

2.4.1 動(dòng)臂活塞與動(dòng)臂連接處動(dòng)力學(xué)分析。根據(jù)動(dòng)力學(xué)分心得動(dòng)臂活塞與動(dòng)臂受力分析如圖4 所示：

圖4 動(dòng)臂活塞與動(dòng)臂連接處分析圖形

經(jīng)分析得：裝載機(jī)動(dòng)臂活塞與動(dòng)臂連接處在運(yùn)行時(shí)間6s 時(shí)受力最大為7.57E+005N。

2.4.2 動(dòng)臂與拉桿連接處動(dòng)力學(xué)分析。根據(jù)動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS 得動(dòng)臂活塞與動(dòng)臂受力分析如圖5 所示：

圖5 動(dòng)臂與拉桿連接處分析圖形

經(jīng)分析得：裝載機(jī)動(dòng)臂與拉桿連接處在運(yùn)行時(shí)間16s 時(shí)受力最大為95000N。

3 動(dòng)臂有限元分析過(guò)程

動(dòng)臂材料選用ZG40Cr，采用四面體單元三維實(shí)體SOLID92，采用6 級(jí)精度智能網(wǎng)格劃分方式得動(dòng)臂有限元分析如圖6 所示所示：

圖6 動(dòng)臂的應(yīng)力云圖

由上述云圖得：動(dòng)臂最大應(yīng)力為55.2MPa，滿足強(qiáng)度條件。

4 動(dòng)臂的拓?fù)鋬?yōu)化

4.1 優(yōu)化區(qū)域

如圖7 所示：紅色部位為優(yōu)化區(qū)域，綠色部位為優(yōu)化不變區(qū)域。

圖7 動(dòng)臂的有限元優(yōu)化模型

4.2 目標(biāo)函數(shù)

以動(dòng)臂質(zhì)量最小為目標(biāo)

4.3 有限元分析

經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化分析如圖8 得：

圖8 動(dòng)臂的有限元拓?fù)鋬?yōu)化

由拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果可知，動(dòng)臂的主要優(yōu)化區(qū)域?yàn)閯?dòng)臂的左右兩側(cè)。

4.4 動(dòng)臂再設(shè)計(jì)

重新設(shè)計(jì)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)如圖9 所示：

圖9 動(dòng)臂結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì)

5 動(dòng)臂優(yōu)化后有限元分析

對(duì)新型設(shè)計(jì)動(dòng)臂應(yīng)力分析如圖10 所示：

圖10 新型動(dòng)臂結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

由上述分析得：

（1）新型動(dòng)臂最大應(yīng)力為72.1MPa，滿足強(qiáng)度條件。

（2）新型動(dòng)臂重量較原來(lái)減少約20%，該結(jié)構(gòu)對(duì)企業(yè)動(dòng)臂設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

6 結(jié)論

6.1 對(duì)裝載機(jī)動(dòng)臂進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得出其動(dòng)力學(xué)特性。

6.2 對(duì)裝載機(jī)動(dòng)臂進(jìn)行有限元分析，得出其強(qiáng)度特性。

6.3 對(duì)裝載機(jī)動(dòng)臂進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后新型動(dòng)臂重量較原來(lái)減少約20%。