抓斗斗體強度分析流程自動化系統(tǒng)開發(fā)*

趙 霞,劉學文

(上海工程技術(shù)大學 機械與汽車工程學院,上海 201620)

0 引 言

抓斗是一種在裝卸貨物中用于抓取貨物的裝置,在港口、礦山和廢料場等場合中有著極為廣泛的應用[1,2]。斗體作為抓斗的重要組成部分,在抓斗的設(shè)計過程中,對斗體的設(shè)計占據(jù)了很大比重[3,4]。

斗體結(jié)構(gòu)特性的優(yōu)劣對抓斗的抓取性能有較大影響[5-8]。由于抓斗的斗體工作環(huán)境較為惡劣,其受力情況十分復雜。目前,采用通用的有限元軟件對斗體進行強度分析時,存在著分析過程操作繁瑣、且重復性較高的問題[9-12]。

在有限元分析流程自動化系統(tǒng)的研究中,韓志仁[13]基于ANSYS Workbench二次開發(fā)功能,建立了專用于橡皮囊成形過程分析的自動化模塊。田磊[14]針對汽車底盤件結(jié)構(gòu)的耐久分析,建立了有限元分析的全流程自動化系統(tǒng)。沈輝[15]開發(fā)了針對汽車保險杠抗壓分析的流程自動化系統(tǒng)。蘇占龍[16]設(shè)計了一套針對汽車覆蓋件抗凹分析的流程自動化前處理系統(tǒng)。武照云[17]開發(fā)了針對汽車驅(qū)動橋橋殼靜態(tài)分析和模態(tài)分析的流程自動化系統(tǒng)。

目前的有限元分析流程自動化系統(tǒng)大多是針對汽車行業(yè)的,較少涉及起重機械領(lǐng)域,專門針對斗體仿真分析的則更少。因此,開發(fā)一套適用于斗體強度分析的流程自動化系統(tǒng)尤為必要。

筆者對抓斗的斗體強度分析進行研究,運用C#面向?qū)ο蠓椒ê虷ypermesh二次開發(fā)功能,搭建斗體強度分析流程自動化系統(tǒng);并在4種不同挖掘深度下,采用常規(guī)分析方法和系統(tǒng)分析方法對結(jié)果進行誤差分析,以驗證系統(tǒng)的可操作性和正確性。

1 斗體強度分析常規(guī)方法

1.1 有限元模型的建立

首先,筆者將抓斗的斗體三維模型導入Hypermesh,對每一個組件進行網(wǎng)格劃分(網(wǎng)格尺寸大小設(shè)置為25 mm);其次,對組件材料屬性進行設(shè)定,斗體的材料參數(shù)如表1所示。

表1 斗體的材料參數(shù)

此處令顎鏟刃口插入物料內(nèi)的垂直距離為挖掘深度h,筆者選取h為0.7 m、0.8 m、0.9 m和1.0 m 4種不同的工況分別進行分析,并根據(jù)挖掘深度設(shè)置斗體的載荷工況。

在抓斗的挖掘過程中,其斗體的受力情況如圖1所示。

圖1 斗體受力分析F1—水平刃口的切入阻力;F2—側(cè)向刃口的切入阻力;F3—抓斗底板的摩擦力;F4—抓斗側(cè)板的摩擦力

根據(jù)國外學者TaybepB A推導的切入阻力計算公式[18],當挖掘深度h=0.7時,斗體的受力分別為:

(1)水平刃口的切入阻力F1。F1表達式為:

(1)

式中:F1—水平刃口的切入阻力,N;B—顎板寬度,B=2.306 m;δ—顎板厚度,δ=0.176 m;f0—物料內(nèi)摩擦系數(shù),f0=0.6;γm—物料容重,γm=1.55 t/m3;h—挖掘深度,h=0.7 m;a—物料平均粒度,a=0.024 m。

根據(jù)式(1)的計算結(jié)果,可得F1=5 585 N。

(2)側(cè)向刃口的切入阻力F2。F2表達式為:

(2)

式中:F2—側(cè)向刃口的切入阻力,N;g—重力加速度,g=10 m/s2;β—傾斜切割刃與水平線夾角,β=60°。

根據(jù)式(2)的計算結(jié)果,可得F2=1 459 N。

(3)抓斗底板的摩擦力F3。F3表達式為:

(3)

式中:F3—抓斗底板的摩擦力,N;φ0—物料的內(nèi)摩擦角,φ0=31°;φ—物料對顎板的外摩擦角,φ=39°。

根據(jù)式(3)的計算結(jié)果,可得F3=526 N。

(4)抓斗側(cè)板的摩擦力F4。F4表達式為:

(4)

式中:F4—抓斗側(cè)板的摩擦力,N;ρs—物料的堆積密度,ρs=1.7 t/m3;γ—物料的靜堆積角,γ=65°。

根據(jù)式(4)的計算結(jié)果,可得F4=49 020 N。

在其他挖掘深度h下,即h為0.8 m、0.9 m和1.0 m的工況下,抓斗斗體的受力情況計算方法與h=0.7 m時相同,此處不再贅述。

不同挖掘深度下的斗體受力情況如表2所示。

表2 不同挖掘深度下的斗體受力情況

為了便于求解,筆者假設(shè)斗體中心鉸點處不存在空間平動,即在此處施加固定約束,并建立斗體的有限元模型,其網(wǎng)格數(shù)為1.95×105個。

斗體的有限元模型如圖2所示。

圖2 斗體有限元模型

1.2 仿真結(jié)果分析

當挖掘深度h分別為0.7 m、0.8 m、0.9 m和1.0 m時,不同深度下斗體的應力云圖如圖3所示。

圖3 不同深度下斗體的應力云圖

由圖3可知:當挖掘深度h分別為0.7 m、0.8 m、0.9 m和1.0 m時,斗體的最大等效應力分別為11.56 MPa、14.79 MPa、18.42 MPa和22.44 MPa,且都出現(xiàn)在其中心鉸點附近。

在實際生產(chǎn)中,抓斗強度的失效大多發(fā)生在斗體的中心鉸點處。由此可見,此處的仿真結(jié)果和實際情況相符合,驗證了上述有限元模型的正確性。

2 系統(tǒng)開發(fā)框架

有限元分析流程的自動化是指在流程自動化程序的引導下,完成有限元分析的整個過程。接下來,筆者對該分析流程自動化系統(tǒng)進行開發(fā)。

系統(tǒng)開發(fā)框架如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)開發(fā)框架

由圖4可知,斗體強度有限元分析系統(tǒng)主要包括3個模塊:模型庫調(diào)用模塊、強度分析模塊、后處理模塊。

該系統(tǒng)運行的主要步驟如下:

(1)系統(tǒng)啟動后,首先進入模型庫調(diào)用模塊,輸入斗瓣數(shù)量、斗容以及起重量等抓斗參數(shù),系統(tǒng)對模型庫內(nèi)斗體進行查詢,選取到符合條件的三維模型后進入強度分析模塊;

(2)在強度分析界面填寫少量關(guān)鍵信息,系統(tǒng)自動生成相應的Tcl腳本文件,并與Hypermesh進行通訊,生成可供求解的fem文件;

(3)在后臺調(diào)用Optistruct求解fem文件,求解結(jié)束則進入到后處理模塊,調(diào)用HyperView查看應力結(jié)果并自動導出報告。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 模型庫調(diào)用模塊

根據(jù)斗瓣數(shù)量的不同,抓斗可以分為雙瓣抓斗和多瓣抓斗兩類,斗體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 斗體結(jié)構(gòu)

斗體模型庫以SQLSever作為支撐,在SQLSever中根據(jù)斗瓣數(shù)量、斗容和起重量3個參數(shù)建立斗體模型數(shù)據(jù)庫。由于斗體中斗瓣的結(jié)構(gòu)和受力情況相似,采用單個斗瓣模型即可組合形成斗體的三維模型,模型庫中的模型皆為單個斗瓣。

建立模型庫后,筆者利用C#編寫與模型庫相連接的GUI界面。斗體模型庫調(diào)用界面如圖6所示。

圖6 斗體模型庫調(diào)用界面

由圖6可知,功能區(qū)主要分3塊:

(1)模型庫顯示區(qū),主要將模型庫中存在的模型以數(shù)據(jù)庫的形式在界面顯示;

(2)模型庫查詢區(qū),在該區(qū)域輸入斗瓣數(shù)量、斗容以及起重量參數(shù)查詢符合條件的斗體;

(3)模型顯示區(qū),查詢到斗體后在該區(qū)域內(nèi)顯示模型。

根據(jù)需求調(diào)用斗體模型并獲取模型的存儲路徑,筆者將存儲路徑傳遞到強度分析模塊中,為下一步強度分析做準備。

3.1.2 強度分析模塊

強度分析模塊主要包括前處理和求解器求解兩部分,運用Tcl語言搭建斗體強度分析模塊的腳本文件數(shù)據(jù)庫,腳本文件中的關(guān)鍵信息由在強度分析界面的輸入?yún)?shù)決定。輸入?yún)?shù)與模塊對應的腳本文件組合,形成完整的強度分析腳本。

以材料和屬性賦予模塊為例,其代碼如下:

#創(chuàng)建材料

*createentity mats cardimage=MAT1 includeid=0 name=mateName

*setvalue mats id=1 STATUS=1 1=E

*setvalue mats id=1 STATUS=1 3=u

#創(chuàng)建屬性并賦予材料

*createentity props cardimage=PSOLID includeid=0 name=mateName

*setvalue props id=1 materialid={mats 1}

#為組件賦予屬性

*createmark components 1 “all”

*propertyupdate components 1 "mateName"

由于有限元模型中單元類型為實體單元,在材料屬性賦予模塊中,屬性卡片默認為實體。由代碼可知,材料賦予模塊總共有mateName、E和u3個變量,分別表示材料名稱、彈性模量和泊松比。在GUI界面依次輸入STEEL、21 000和0.3,即表示mateName=STEEL、E=21 000和u=0.3。參數(shù)傳遞到腳本文件中,自動賦予材料和屬性。

強度分析界面如圖7所示。

圖7 強度分析界面

在強度分析界面中,每個步驟分別對應一個腳本,通過點擊按鈕將腳本寫入到最終運行的腳本中。當點擊“定義載荷和工況”按鈕時,打開Hypermesh運行Tcl腳本,同時導出fem文件到指定文件夾;

點擊“求解”按鈕時,后臺調(diào)用Optistruct進行求解,生成h3d文件,然后進入后處理模塊。

3.1.3 后處理模塊

后處理模塊主要包含以下兩個功能區(qū):(1)結(jié)果顯示區(qū)(可顯示求解得到的應力結(jié)果);(2)操作區(qū)(點擊按鈕可導出分析報告和顯示應力結(jié)果)。

后處理界面如圖8所示。

圖8 后處理界面

后處理模塊部分腳本文件如下:

set t [clock clicks ]

hwi OpenStack

這部分代碼可將應力云圖結(jié)果導出到PPT文件中,其中變量Exportpath表示PPT文件的路徑,只需在C#界面定義需要導出的PPT文件位置,點擊“導出分析報告”按鈕,即可自動導出結(jié)果報告。

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.2.1 雙瓣抓斗斗體

在模型庫調(diào)用界面中,筆者輸入斗瓣數(shù)量為2、斗容為56 m3、起重量為100 t,然后點擊“查詢”按鈕,即可查詢到符合條件的模型,并顯示在界面上。

雙瓣抓斗斗體模型調(diào)用如圖9所示。

圖9 雙瓣抓斗斗體模型調(diào)用

然后筆者點擊“進入分析”按鈕,即可打開強度分析界面。雙瓣抓斗斗體強度分析如圖10所示。

由圖10可知:導入模型后先對組件進行重命名,然后進入劃分網(wǎng)格步驟,在界面設(shè)定網(wǎng)格尺寸;網(wǎng)格劃分完成后,進入賦予材料和屬性步驟,設(shè)定材料名稱、彈性模量和泊松比并賦予組件材料后進入設(shè)置接觸部分;點擊“設(shè)置接觸”按鈕實現(xiàn)對模型的接觸設(shè)置,然后進入定義載荷和工況步驟。

當挖掘深度為0.9 m時,設(shè)定F1、F2、F3和F4的大小,點擊“定義載荷和工況”按鈕,系統(tǒng)自動為斗體相應位置設(shè)置載荷并建立載荷步。完成以上步驟后,系統(tǒng)自動調(diào)用Hypermesh生成有限元模型并導出文件,然后調(diào)用Optistruct對有限元模型進行求解,生成h3d結(jié)果文件。

求解器完成求解后,結(jié)果文件將存儲到指定的路徑中,用戶在后處理界面點擊“導出分析報告”按鈕,調(diào)用Hyperview讀取求解得到的h3d結(jié)果文件;將應力云圖結(jié)果導出到PPT報告中,也可直接在該界面查看應力結(jié)果。

雙瓣抓斗斗體應力云圖如圖11所示。

圖11 雙瓣抓斗斗體應力云圖

由圖11可知,斗體最大等效應力出現(xiàn)在中心鉸點附近,為18.43 MPa。

3.2.2 多瓣抓斗斗體

多瓣抓斗斗體的分析流程與雙瓣抓斗斗體類似,其區(qū)別只在于輸入的參數(shù)不同。多瓣抓斗斗體分析流程如圖12所示。

分析結(jié)束后,進入后處理界面,可以得到多瓣抓斗斗體應力云圖,如圖13所示。

圖13 多瓣抓斗斗體應力云圖

由圖13可知,斗體最大等效應力為107 MPa,出現(xiàn)在中心鉸點附近。

4 與常規(guī)方法對比分析

為了分析應力結(jié)果的誤差,對h分別為0.7 m、0.8 m、0.9 m和1.0 m時的不同工況,筆者分別采用常規(guī)方法和系統(tǒng)分析方法進行對比分析。

其中,采用常規(guī)方法分析獲得的結(jié)果如圖14所示。

圖14 常規(guī)方法分析結(jié)果

采用系統(tǒng)分析方法獲得的結(jié)果如圖15所示。

圖15 系統(tǒng)分析方法結(jié)果

由圖14和圖15可知,兩種分析方法最大等效應力出現(xiàn)位置相同,皆位于斗體的中心鉸點附近;該結(jié)果驗證了系統(tǒng)分析的正確性。

采用兩種方法得到的最大等效應力對比如表3所示。

表3 兩種方法最大等效應力對比

由表3可知:采用兩種方法得到的應力結(jié)果相差0.01 MPa,且隨著挖掘深度的增加,斗體最大等效應力也逐漸增大,這與斗體的實際工作狀況相符;利用系統(tǒng)方法與常規(guī)方法進行分析后所得結(jié)果的誤差約為1%,且最大等效應力皆位于中心鉸點附近,以上應力結(jié)果的誤差可以忽略。

由此可見,該結(jié)果驗證了系統(tǒng)分析的正確性。

5 結(jié)束語

本文以Tcl語言為基礎(chǔ),運用C#語言與Hypermesh API相結(jié)合的方法,開發(fā)了針對抓斗斗體強度分析的流程自動化系統(tǒng),實現(xiàn)了對斗體前處理、求解以及后處理的流程自動化;采用常規(guī)分析方法和系統(tǒng)分析方法,分別對4種不同挖掘深度下的斗體強度進行了誤差分析。

研究結(jié)論如下:

(1)采用該流程自動化系統(tǒng),可實現(xiàn)對雙瓣斗體和多瓣斗體的強度進行分析,驗證了系統(tǒng)的可操作性;

(2)利用常規(guī)分析方法和系統(tǒng)分析方法進行誤差分析,兩種方法最大應力值相差0.01 MPa,應力值誤差約為1%,驗證了系統(tǒng)分析的正確性;

(3)該系統(tǒng)提高了斗體分析的效率,降低了分析的難度,同時減少了分析的出錯概率,縮短了抓斗設(shè)計的周期。

在后續(xù)的研究中,筆者將展開對抓斗結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設(shè)計。