液壓挖掘機(jī)工作裝置應(yīng)力測(cè)試與有限元分析

王海玲

（天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

0 引言

液壓挖掘機(jī)在建筑、采礦及道路施工等工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，由于工作環(huán)境的惡劣性，挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度和可靠性成為衡量挖掘機(jī)性能的重要指標(biāo)，對(duì)此眾多的研究者采用多體動(dòng)力學(xué)、有限元等工具對(duì)挖掘機(jī)動(dòng)臂、斗桿等重要構(gòu)件的強(qiáng)度展開仿真分析，但是缺乏仿真與工作裝置實(shí)際工況下的應(yīng)力對(duì)比，難以確保有限元模型的準(zhǔn)確性［1－3］。本文以某具體型號(hào)挖掘機(jī)為分析對(duì)象，采用貼電阻應(yīng)變片的方法，對(duì)動(dòng)臂和斗桿關(guān)鍵位置進(jìn)行了應(yīng)力測(cè)試，并通過(guò)ANSYS有限元軟件對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算，將仿真計(jì)算結(jié)果和測(cè)試值進(jìn)行比對(duì)，以驗(yàn)證有限元模型的正確性。

1 靜應(yīng)力測(cè)試

1.1 測(cè)試方案

挖掘機(jī)應(yīng)力測(cè)量裝置如圖1所示。挖掘機(jī)工作裝置的靜態(tài)應(yīng)力測(cè)試采用在關(guān)心的位置貼電阻應(yīng)變片的方法，通過(guò)數(shù)采設(shè)備收集測(cè)試點(diǎn)位置的應(yīng)變，然后再根據(jù)力學(xué)原理?yè)Q算為需要的應(yīng)力值。挖掘機(jī)工作載荷利用拉壓傳感器進(jìn)行加載，拉壓傳感器通過(guò)吊帶連接到挖掘機(jī)的鏟齒上，施加6×104N的拉力，力的位置和方向如圖1（a）中箭頭所示。整個(gè)應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)還包括LMS的數(shù)采前端和Test.Xpress測(cè)試分析軟件，如圖1（b）所示。

采用貼應(yīng)變片的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力的測(cè)試，測(cè)量結(jié)果受貼片技術(shù)、測(cè)試環(huán)境、測(cè)試系統(tǒng)誤差等諸多因素的影響。為了保證測(cè)量過(guò)程的合理性和測(cè)量設(shè)備的有效性，先做簡(jiǎn)單的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。首先在一個(gè)矩形試塊上貼片、做靜力測(cè)試，然后建立對(duì)應(yīng)的有限元模型進(jìn)行分析，當(dāng)測(cè)試和有限元計(jì)算結(jié)果完全吻合后再實(shí)施本次測(cè)試工作。

圖1 挖掘機(jī)應(yīng)力測(cè)量裝置

1.2 測(cè)試點(diǎn)布置

應(yīng)力測(cè)試觀測(cè)點(diǎn)的布置要考慮挖掘機(jī)實(shí)際應(yīng)用的損傷點(diǎn)，盡量將應(yīng)變片布置在用戶關(guān)心的位置，比如動(dòng)臂和斗桿上靠近鉸鏈的位置容易損壞，而斗桿底面靠近筋板的位置容易開裂。但是由于挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)很大部分是板材焊接件，而焊接位置材料的屬性較焊接前會(huì)發(fā)生很大的變化，目前有限元分析軟件對(duì)此類問(wèn)題的數(shù)值求解精確性很差，所以貼片一定要避開板材焊接處。此外貼片應(yīng)考慮將測(cè)試點(diǎn)布置于靜強(qiáng)度分析應(yīng)力較大的位置，且盡量靠近板材的中心線，因?yàn)樵撎幍膽?yīng)力變化比較均勻，能夠有效降低應(yīng)力突變引起的測(cè)量誤差［4］。綜合考慮作業(yè)工況、理論計(jì)算、受力分析及實(shí)際貼片條件，對(duì)工作裝置靜力測(cè)試點(diǎn)做出如下布置：在挖掘機(jī)動(dòng)臂和斗桿上各設(shè)置3個(gè)測(cè)試點(diǎn)，即在動(dòng)臂上邊、下邊、側(cè)面布置測(cè)試點(diǎn)1、2、3，在斗桿上邊、下邊、側(cè)面布置測(cè)試點(diǎn)4、5、6，各測(cè)試點(diǎn)位置如圖2所示。此外，由于本實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)試系統(tǒng)要同時(shí)進(jìn)行挖掘機(jī)載荷譜的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)周期相對(duì)較長(zhǎng)，要隨時(shí)關(guān)注由于應(yīng)變片膠水老化、貼合面開裂等問(wèn)題引起的測(cè)試誤差，一旦誤差超過(guò)允許值需要重新打磨貼片。

圖2 挖掘機(jī)測(cè)試點(diǎn)布置

2 有限元建模與分析

2.1 三維幾何模型建立

工作裝置主要由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗組件以及驅(qū)動(dòng)油缸等構(gòu)件組成，其中動(dòng)臂和斗桿是最關(guān)鍵的承力部件，是有限元分析的重點(diǎn)，但是動(dòng)臂和斗桿屬于焊接件，存在多處焊縫，因此要對(duì)其三維模型進(jìn)行修復(fù)，消除小的間隙、尖角以及實(shí)體穿透等。動(dòng)臂和斗桿三維模型及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 動(dòng)臂斗桿三維模型

2.2 有限元模型及材料屬性

為保證有限元分析結(jié)果的正確性，有限元網(wǎng)格質(zhì)量要滿足一定的要求，本次分析采用專業(yè)的有限元網(wǎng)格生成軟件HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用ANSYS提供的實(shí)體單元Solid185對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分形成以六面體網(wǎng)格為主的有限元模型。ANSYS中網(wǎng)格質(zhì)量主要利用skewness（偏斜率）來(lái)度量，動(dòng)臂和斗桿網(wǎng)格的偏斜率數(shù)值如圖4所示。

由圖4可知：動(dòng)臂的偏斜率最大為0.78，平均值為7.35×10－2；斗桿的偏斜率最大為0.95，平均值為6.18×10－2。根據(jù)skewness網(wǎng)格質(zhì)量度量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，0.95以下的為可接受，0.8以下的是較好的，0.5以下是優(yōu)秀的，總體來(lái)說(shuō)網(wǎng)格質(zhì)量滿足要求。動(dòng)臂和斗桿材料參數(shù)如表1所示。

圖4 動(dòng)臂和斗桿網(wǎng)格質(zhì)量

表1 動(dòng)臂和斗桿材料參數(shù)

2.3 有限元模型約束及載荷

通常情況下，做靜力分析要在有限元模型中對(duì)結(jié)構(gòu)添加與實(shí)際工況相一致的約束，如果結(jié)構(gòu)約束非常復(fù)雜，模型中施加的約束不合理或者偏離實(shí)際的話，會(huì)導(dǎo)致有限元分析結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。為了規(guī)避約束方式引入的分析偏差，采用ANSYS慣性釋放功能。慣性釋放是ANSYS中的一個(gè)高級(jí)應(yīng)用，允許對(duì)完全無(wú)約束的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，實(shí)質(zhì)上就是用結(jié)構(gòu)的慣性力來(lái)平衡外力。盡管結(jié)構(gòu)沒(méi)有約束，分析時(shí)仍假設(shè)其處于一種“靜態(tài)”的平衡狀態(tài)。采用慣性釋放功能進(jìn)行靜力分析時(shí)，只需要對(duì)一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行6個(gè)自由度的約束（虛支座），針對(duì)虛支座，程序首先計(jì)算在外力作用下每個(gè)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)方向上的加速度，然后將加速度轉(zhuǎn)化為慣性力反向施加到每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，由此構(gòu)造一個(gè)平衡的力系（支座反力等于零），求解得到的位移描述所有節(jié)點(diǎn)相對(duì)于該支座的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

為了得到動(dòng)臂和斗桿各鉸接點(diǎn)的載荷，在多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS中施加與試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)大小及方向均一致的載荷［5］，即按照?qǐng)D1（a）在鏟斗齒間施加6×104N的力。經(jīng)ADAMS計(jì)算得到的各鉸接點(diǎn)的載荷如圖5所示。

圖5 動(dòng)臂和斗桿各鉸接點(diǎn)載荷

采用ANSYS慣性釋放功能計(jì)算得到動(dòng)臂和斗桿的拉應(yīng)力云圖，如圖6所示。由圖6可知：在當(dāng)前工況下，動(dòng)臂和斗桿整體應(yīng)力分布比較均勻，動(dòng)臂應(yīng)力沿縱向由中間向兩端逐漸較小，斗桿應(yīng)力較大區(qū)域出現(xiàn)在與動(dòng)臂的鉸接點(diǎn)兩側(cè)；動(dòng)臂的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在動(dòng)臂上蓋板的耳板處，該處是動(dòng)臂的危險(xiǎn)截面，而斗桿的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在與動(dòng)臂油缸的鉸接處，此處也是實(shí)際應(yīng)用中的易損點(diǎn)。

圖6 動(dòng)臂和斗桿應(yīng)力云圖

6個(gè)測(cè)試點(diǎn)的有限元應(yīng)力計(jì)算值如圖7所示，各測(cè)試點(diǎn)應(yīng)力有限元仿真值與測(cè)試值對(duì)比如表2所示。

圖7 各測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)力值

由表2可知：各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力有限元仿真值與測(cè)試值最大誤差為測(cè)試點(diǎn)1處，差值為6.9%；最小誤差為測(cè)試點(diǎn)2處，差值為1.1%。這說(shuō)明有限元靜應(yīng)力分析與實(shí)測(cè)值不可避免地存在誤差，誤差來(lái)源于仿真模型與實(shí)際裝置的差異、貼片測(cè)量誤差、載荷計(jì)算誤差等因素。但是仿真與測(cè)試的誤差整體在7%以內(nèi)，誤差比較小，故可以認(rèn)為有限元模型能夠正確反映實(shí)際工況中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況。

表2 各測(cè)試點(diǎn)應(yīng)力有限元仿真值與測(cè)試值對(duì)比

3 結(jié)論

以某具體型號(hào)挖掘機(jī)為研究主體，采用貼電阻應(yīng)變片的方法對(duì)動(dòng)臂和斗桿關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試，并將有限元模型仿真計(jì)算結(jié)果與測(cè)試值做比對(duì)。分析結(jié)果表明：采用ANSYS慣性釋放功能可以很好地解決約束不當(dāng)造成的應(yīng)力集中和計(jì)算誤差的問(wèn)題；有限元應(yīng)力計(jì)算結(jié)果和測(cè)試結(jié)果吻合較好，可以作為挖掘機(jī)工作裝置改進(jìn)和優(yōu)化的參考依據(jù)。進(jìn)一步工作是增加應(yīng)力測(cè)試的貼片范圍和貼片數(shù)量，通過(guò)應(yīng)力分布實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步校準(zhǔn)挖掘機(jī)有限元仿真模型，提高仿真計(jì)算的精度。