基于ANSYS的液壓挖掘機(jī)推土裝置輕量化設(shè)計(jì)

莊攀

（湖南飛沃新能源科技股份有限公司，湖南常德415700）

關(guān)鍵字：推土裝置；輕量化設(shè)計(jì)；有限元分析

0 引言

目前，輕量化設(shè)計(jì)是工程機(jī)械的主要技術(shù)發(fā)展方向之一。工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)在保證原產(chǎn)品的使用性能、可靠性與安全性、節(jié)能減排與不增成本基礎(chǔ)上，有目標(biāo)地進(jìn)行減少工程機(jī)械或零部件自身總質(zhì)量的等強(qiáng)度設(shè)計(jì)。工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)一方面節(jié)約原材料，降低生產(chǎn)成本；另一方面降低了燃油消耗，減少排放，有利于環(huán)保。挖掘機(jī)推土裝置的結(jié)構(gòu)與載荷較為復(fù)雜，本文采用有限元法對(duì)推土裝置實(shí)施結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析驗(yàn)證，開展拓?fù)鋬?yōu)化方法得出結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)方案，找出薄弱環(huán)節(jié)和冗余部分，以強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)，提出輕量化設(shè)計(jì)方法，達(dá)到推土裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化輕量化目的。

1 推土裝置有限元模型建立與靜力分析

1.1 建立分析模型

本文中推土裝置采用不同厚度的低碳鋼板材焊接，推土裝置材料為Q235，設(shè)置彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度235 MPa。推土裝置實(shí)際結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，模型網(wǎng)格劃分時(shí)選擇三維實(shí)體單元Solid 95，設(shè)置網(wǎng)格大小為10 mm，共劃分46 846個(gè)單元，86 399個(gè)節(jié)點(diǎn)，設(shè)置完成后對(duì)模型進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，對(duì)比較關(guān)心的局部網(wǎng)格（如前梁推土板與彎板對(duì)接焊縫、橫梁耳板與圓筒連接位置）進(jìn)行手工細(xì)化處理。幾何模型與劃分網(wǎng)格后有限元模型如圖2、圖3所示。

圖1 某型液壓挖掘機(jī)推土裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 推土裝置幾何模型

圖3 推土裝置有限元模型

1.2 模型靜態(tài)應(yīng)力分析

模型有限元分析過程之前，工況選擇是很關(guān)鍵，要盡可能反映客戶實(shí)際使用情況。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 9141-88《液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)方法》選取兩種極限靜態(tài)工況，對(duì)推土裝置作靜力分析。結(jié)合推土裝置實(shí)際工況，選取兩種典型極限工況為偏載、側(cè)頂。

圖4 載荷和約束示意圖（偏載）

圖5 載荷和約束示意圖（側(cè)頂）

推土裝置靜態(tài)應(yīng)力分析包括施加載荷和約束條件并對(duì)應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行求解，在偏載與側(cè)頂兩種工況下，利用ANSYS Workbench對(duì)主梁及橫梁絞接點(diǎn)A、B、C分別施加遠(yuǎn)端約束，然后分別在前梁端D點(diǎn)分別施加水平F=46 kN與垂直力F=23.8 kN，兩種典型極限工況載荷和約束示意圖如圖4和圖5所示。

為進(jìn)一步提高液壓挖掘機(jī)推土裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，通過對(duì)推土裝置應(yīng)力和應(yīng)變有限元計(jì)算，得到優(yōu)化前的等效應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D，如圖6～圖9所示。從等效應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D看出，偏載工況應(yīng)力值較大位置分布在主梁折彎板與前梁下側(cè)彎板連接處。側(cè)頂工況應(yīng)力值較大位置分布在橫梁圓筒與主梁連接處。

圖6 等效應(yīng)力云圖（偏載）

圖7 方向應(yīng)變?cè)茍D（偏載）

2 推土裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前，輕量化設(shè)計(jì)研究越來越被國(guó)內(nèi)工程機(jī)械企業(yè)所重視，行業(yè)內(nèi)已有文獻(xiàn)采用參數(shù)優(yōu)化方法對(duì)液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，選取動(dòng)臂參數(shù)化模型主要設(shè)計(jì)參數(shù)作為輕量化設(shè)計(jì)優(yōu)化變量，以動(dòng)臂總質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，通過靈敏度分析、局部分析、全局優(yōu)化等分析手段對(duì)動(dòng)臂進(jìn)行輕量化研究。

本文主要運(yùn)用迭代分析優(yōu)化思路，通過設(shè)置推土裝置總質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)置板厚為優(yōu)化變量，設(shè)置最大應(yīng)力值與位移范圍為約束條件，以ANSYS對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)分析，優(yōu)化迭代產(chǎn)生新設(shè)計(jì)方案，模型特性再分析的反復(fù)迭代，形成設(shè)計(jì)方案逐步逼近最優(yōu)方案的方法，達(dá)到液壓挖掘機(jī)推土裝置進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)目的。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

結(jié)合ANSYS模塊分析功能，在滿足強(qiáng)度、剛度分析基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)推土裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)的體積來優(yōu)化結(jié)構(gòu)質(zhì)量目的，以質(zhì)量最輕為目標(biāo)函數(shù)，描述為

圖8 等效應(yīng)力云圖（側(cè)頂）

式中：W1（x）為推土裝置橫梁質(zhì)量；W2（x）為推土裝置主梁質(zhì)量，包括左主梁、右主梁；W3（x）為推土裝置前梁質(zhì)量。

2.2 設(shè)計(jì)變量

采用變量關(guān)聯(lián)的方法，將推土裝置結(jié)構(gòu)上互相有聯(lián)系的非獨(dú)立尺寸按照比例關(guān)系確定，通過數(shù)據(jù)處理，設(shè)計(jì)變量共有10個(gè)物理量，分別歸納為結(jié)構(gòu)總體積、總質(zhì)量、橫梁圓筒直徑尺寸、主梁箱體高度、寬度、前梁推土板高度、加強(qiáng)板厚度。即

2.3 約束函數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，約束函數(shù)設(shè)置為結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值或位移值，并確定合理的狀態(tài)變量極限。

1）強(qiáng)度狀態(tài)變量及約束函數(shù)。限制推土裝置結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力。根據(jù)上文對(duì)原始模型有限元分析，得到最大應(yīng)力σmax，由材料Q235最大應(yīng)力值，得到強(qiáng)度約束函數(shù)式。即

式中σi為第i個(gè)鋼板工作應(yīng)力，MPa。

2）靜剛度狀態(tài)變量及約束函數(shù)。限制推土裝置結(jié)構(gòu)的最大變形。根據(jù)上文對(duì)原始模型有限元分析，得到最大位移δmax。即

式中：δi為第i個(gè)鋼板變形量，mm；δmax為鋼板最小和最大變形量，mm。

按照上述模型描述，建立推土裝置輕量化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型:

Min：F（x）=W1（x）+W2（x）+W3（x）；

3 輕量化計(jì)算及結(jié)果分析

拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)首先要定義設(shè)計(jì)空間，設(shè)計(jì)空間通常情況下選取最大優(yōu)化范圍，以有利于更多地包含各種結(jié)構(gòu)的可能性，充分挖掘優(yōu)化潛力。采用“一階方法”優(yōu)化板厚進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，以推土裝置總質(zhì)量最小化為目標(biāo)函數(shù)，選定鋼板厚度及主要尺寸t1~t10為優(yōu)化變量，以推土裝置應(yīng)力與變形量為約束函數(shù)的極值條件。

優(yōu)化計(jì)算中，首先通過目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)計(jì)算各優(yōu)化變量靈敏性，從而確定個(gè)變量的迭代變化趨勢(shì)和變化量。經(jīng)過對(duì)結(jié)構(gòu)特征迭代計(jì)算，產(chǎn)生逐步逼近最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。當(dāng)進(jìn)行到10次迭代計(jì)算后，目標(biāo)函數(shù)呈現(xiàn)收斂狀態(tài)且循環(huán)結(jié)束，如圖10所示。優(yōu)化得到鋼板厚度優(yōu)化值并進(jìn)行圓整，結(jié)果如表1所示。

圖10 推土裝置總質(zhì)量迭代收斂過程

表1 變量?jī)?yōu)化前后對(duì)照

拓?fù)鋬?yōu)化推土裝置輕量化參數(shù)需根據(jù)相應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證，采用原模型的載荷與外界條件對(duì)優(yōu)化改進(jìn)后結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，最大載荷下的應(yīng)力和位移結(jié)果如圖11和圖12所示。最大應(yīng)力值為176 MPa，位于主梁圓筒與橫梁接觸端面。最大位移為4.33 mm，位于前梁右下部。

推土裝置優(yōu)化前后的性能參數(shù)匯總?cè)绫?所示。由表2可知，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為176MPa，低于所用材料的許用應(yīng)力，最大位移值滿足剛度要求，結(jié)構(gòu)總質(zhì)量減少30kg。

圖11 等效應(yīng)力云圖

圖12 方向應(yīng)變?cè)茍D

表2 推土裝置優(yōu)化前后性能參數(shù)

改進(jìn)后的推土裝置在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與變形量前提下，通過優(yōu)化各部分板材厚度值，整體應(yīng)力分布更加均勻，材料分布達(dá)到合理狀態(tài)，綜述以上，將此作為輕量化分析的最佳方案，輕量化效果達(dá)到11.7%。

4 結(jié) 語

本文以挖掘機(jī)推土裝置為研究對(duì)象，應(yīng)用有限元模塊進(jìn)行優(yōu)化分析，以推土裝置剛度與強(qiáng)度為約束條件，以推土裝置總質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，通過拓?fù)涞?jì)算逐步逼近的思路得到推土裝置的最佳設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)推土裝置的輕量化設(shè)計(jì)。目前，經(jīng)輕量化設(shè)計(jì)的推土裝置已完成樣件試制及驗(yàn)證，并小批量裝配某型液壓挖掘機(jī)。本文采用的設(shè)計(jì)方法與優(yōu)化思路為工程機(jī)械結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。