基于Pro/E5.0和ANSYSWorkbench14.5的挖掘機動臂有限元分析

摘 要：文章以反鏟挖掘機的動臂為研究對象，對挖掘機最典型的幾種工作狀況進行分析，利用Pro/E和ANSYS Workbench兩種CAE軟件，先在Pro/E中建立了液壓挖掘機動臂的三維模型，再對模型進行了強度分析和變形分析，給挖掘機動臂的設計提供了依據。

關鍵詞：挖掘機；工作裝置；動臂；有限元

前言

挖掘機是工程建筑機械的主要機種之一，在建筑、交通、采礦、國防及城市建設等土石方施工中起著十分重要的作用。隨著應用范圍的日益擴大，在設計理論和方法、分析和研究手段也有了質的飛躍。本文利用PRO/E建立挖掘機的動臂模型，經Pro/E算出各鉸點的受力情況，再利用ANSYS Workbench14.5對動臂的結構強度進行分析。充分利用這2種CAE軟件各自的特點，從而提高對問題的分析效率和計算精度。

1 動臂模型的建立

反鏟挖掘機的結構如圖1所示，其工作裝置主要有鏟斗、鏟斗液壓缸、斗桿、斗桿液壓缸、動臂以和動臂液壓缸。先對動臂實體結構特征進行分析，確定這些結構特征建立的先后順序和每個實體特征的建立方法，保證模型所包含的參數尺寸盡量少，結構特征盡量簡單。分析和確定結構特征后，建立動臂模型。Pro/E提供了完整的建模功能，利用拉伸、旋轉、切割、掃描、切除和抽殼等基本功能和曲面設計，建立工作裝置的實體模型。

2 Pro/E與ANSYS對接

3 動臂有限元分析

3.1 定義單元屬性、材料有關特性

目前，絕大多數挖掘機的工作裝置為不同厚度的16Mn鋼材焊接而成，其屈服強度在275MPa附近。Workbench實體單元類型采用默認的SOLID187，由于Workbench中沒有16Mn，需添加新材料賦予新屬性，設置動臂材料的基本參數如表1所示。

3.2 動臂網格劃分

一個好的網格非常重要，可以在求解過程中將誤差降低到最小，避免引起數值發散和不正確得到不準確的結果，甚至還會導致不能求解。對于幾何體，Workbench提供了自動劃分網格法、四面體劃分網格法、掃掠法、多域法、Hex Dominant法。自動分網功能擁有自己的內部計算機制，使用自動網格劃分功能時，大多數情況是有利于在網格自動生成的過程中生成形狀比較合理的單元，本文的網格劃分首先考慮選擇自動方式。網格劃分結果如圖3所示。

3.3 典型工況工作裝置分析

確定對動臂進行強度分析的危險工況，對動臂的強度分析應以動臂可能承受的最大載荷的工況，即最危險工況作為計算工況。將Pro/E中建立的所有工作裝置構件模型裝配成一個整體。分析和確定構件之間的相對運動關系，確定約束類型。將裝配完的總體模型載入到Pro/Mechanica模塊下分析，拖動模型將總體模型的姿態定位到所要分析工況下的姿態，得到各構件鉸接點處的載荷。

挖掘機共有6種典型工況：水平正載、水平偏載、垂直正載、垂直偏載、正載以及極限偏載。極限偏載被認為是最惡劣的工況，即水平載荷和垂直載荷同時作用鏟斗斗齒尖，動臂和斗桿液壓缸作用力臂最大，作用點偏離鏟斗中心線。經Pro/E計算得FB=364kN，FD=289kN，FF=156kN。

3.4 確定邊界條件、添加約束、施加載荷

有限元分析中，邊界條件是用來給結構以剛性或彈性的支承，以便求約束處的約束反力，邊界條件有多種形式，如位移、轉角等，應按具體情況來定。在靜強度分析中，主要是限制部件的三維或二維空間的自由度，避免出現剛體位移的情況。施加約束實際就是對構件所處真實物理環境在計算機中進行虛擬，這就需要分析和理想化構件所處的真實物理環境，添加約束時考慮對結果影響較大的主要約束，而忽略那些對結果影響較小的次要因素，原則上添加的約束必須能消除構件的剛體位移，同時模型的自由度和構件所處的真實環境應一致。根據上述原則和結構及運動特點，將動臂鉸點、動臂油缸與動臂鉸接點兩點視為支撐點。將斗桿、斗桿液壓缸與動臂的鉸接點視為載荷作用點，在鉸接孔的內表面施加載荷，再施加一個重力加速度對構件所處的重力場進行描述。

3.5 分析求解

不同的問題、不同的分析目的所用的求解方法不同，大多數有限元分析軟件均給出了多種求解方法。右擊solution選擇insert，再選stress，最后選Equivalent Stress。點solve進行求解，得應力圖如圖4。

4 結束語

4.1 Pro/E5.0擁有強大的建模功能，同時ANSYS Workbench14.5擁有強大的數值計算分析能力，本文將2種CAE軟件無縫對接，分別利用各自突出特點先創建工作裝置模型再結構強度分析，大大提高了分析問題的效率。

4.2 通過計算得到應力圖，可以看到危險點出現在動臂液壓缸和動臂的鉸接處、斗桿油缸和動臂鉸接處。由圖可知，最大應力值163.68MPa，低于16Mn的屈服極限強度，最大變形2.2mm，符合工作基本要求。

參考文獻

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