工程機械結構動態(tài)應力仿真應用

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【摘要】工程機械使用中會因為應力集中、工況復雜等發(fā)生結構件斷裂等故障。如何在設計階段進行有效規(guī)避，是工程機械行業(yè)設計的一大難題。經(jīng)對比研究，利用Virtual.Lab軟件進行計算機應力分析，可以很好解決此類問題。以挖掘機為例，在軟件系統(tǒng)中我們模擬挖掘機整車運行系統(tǒng)，生成剛柔耦合多體動力學模型，采用模態(tài)綜合法將挖機各主結構件作為柔性體置于整車模型中，計算各結構件的動態(tài)應力，同時配合實際的對比試驗驗證，結果表明該多體動力學模型能較好地反映挖掘機實際應力測試工況的動力學特性。經(jīng)多次測試，可以利用動態(tài)仿真方法在挖機故障分析中進行應用，此方法代替了整機實際的應力測試，具有較高的工程應用和推廣價值。

【關鍵詞】工程機械；動態(tài)應力仿真；應用

前言

在工程機械施工中，挖掘機因其施工條件惡劣，施工環(huán)境復雜，施工強度大，導致結構件容易開裂，最終導致挖掘機無法正常施工，影響工作效率，甚至引發(fā)安全事故。同時因為挖掘機結構件開裂故障將直接影響生產(chǎn)公司產(chǎn)品在行業(yè)內(nèi)的口碑，最終影響公司的品牌價值。經(jīng)過對施工現(xiàn)場故障挖掘機分析發(fā)現(xiàn)，挖掘機結構件開裂故障多數(shù)由挖掘機的疲勞使用引起，應力集中最終導致故障發(fā)生。挖掘機的動態(tài)應力測試可以很好發(fā)現(xiàn)這些故障點，從而在設計環(huán)節(jié)予以改進。但實際動態(tài)應力測試試驗主要面臨試驗成本高、試驗周期長等問題。所以挖掘機動態(tài)應力仿真正好規(guī)避了此類問題，成為一個最適宜使用的替代解決方案。結構件動態(tài)應力仿真計算目前已成為機械仿真技術研究熱點，在技術上先后提出了多剛體系統(tǒng)仿真、擬靜態(tài)有限元分析法、模態(tài)應力疊加法、混合方法等[1~4]。在對挖掘機進行結構件動態(tài)應力仿真計算測試過程中，各主結構件的實際載荷受測試動作、實際結構、聯(lián)合動作等諸多因素影響，難以提取實際載荷對結構件進行單獨的分析，所以考慮把多個結構件作為一個柔性體進行仿真設計，將此柔性體置于挖掘機整車剛柔耦合多體模型中，采用模態(tài)綜合法計算各結構件的動應力，對整車結構件進行多體動力學分析。實驗表明，此方法能夠準確地模擬挖掘機各結構件的真實受力狀況并顯示出來。仿真測試不僅可以模擬各結構件在挖掘機實際應力測試過程中產(chǎn)生的瞬時應力分布云圖，而且可以得到模型中任意結構件的關鍵部位對應的動應力-時間分析圖，經(jīng)對比，其效果和挖掘機測試過程中實際數(shù)據(jù)基本保持一致。

1挖掘機力學模型

經(jīng)過對其簡化設計，在圖中建立所示的模擬坐標系XOY，使其置于工作裝置的垂直對稱平面內(nèi)，O點與挖掘機大臂動力軸心鉸點A重合，X軸與停機面平行指向工作裝置鏟斗方向，Y軸與X軸垂直并垂直向上。在仿真測試中可以忽略各搖桿和連桿等自重的影響，考慮挖掘機作業(yè)過程中工作裝置受到的主動力有油缸壓力和自身重力，被動力有挖掘阻力。將地面作用于鏟斗的挖掘阻力向切削刃板J點簡化，得到作用于J點的挖掘阻力FJ和MJ阻力矩，將挖掘阻力FJ分別向X、Y方向分解為FJX和FJY。為求解挖掘阻力FJ和MJ阻力矩，分別對G、B、A三個鉸點列力矩平衡方程如下：以鏟斗為研究對象，對G點列力矩平衡方程：F3TE3+G3XG3-XG"#=-FJXYJ-YG"$+FJYXJ-XG%$+MJ（1）以鏟斗和斗桿為研究對象，對B點列力矩平衡方程：F2TE2+G3XG3-XB"$+G2XG2-XB"$=-FJXYJ-YB"$+JJYXJ-XB"$+MJ（2）以工作裝置整體為研究對象，對A列力矩平衡方程：-F1TE1+G3XG3-XA!"+G2XG2-XA!"+G1XG1-XA!"=-FJXYJ-YA!"+FJYXJ-XA!"+MJ（3）聯(lián)立方程（1）、（2）、（3），即可求解得到挖掘阻力FJ在X、Y方向的分力FJX、FJY和阻力矩MJ。

2挖掘機整車多體動力學建模

多體仿真前處理、求解、后處理均采用Virtual.Lab軟件，該軟件的幾何建模環(huán)境及界面與CAD軟件一致，便于修改與裝配模型、調整挖掘姿態(tài)和回轉角度，快速建立挖掘機多體動力學整機模型；同時該軟件具有很強的有限元分析功能，尤其是對機械結構的剛柔耦合仿真性能，方便提取動態(tài)應力；還具有強大的履帶建模功能，快速建立挖掘機履帶模型。在Pro/E軟件中進行三維建模后，需要對模型進行簡化處理，刪除螺栓、輸油管、銷軸、線束、管夾等對分析影響不大的小零件，輸出STP格式文件作為與多體動力學軟件的接口。在多體動力學軟件中對挖掘機進行裝配，主要包括鏟斗、斗桿、動臂、平臺、下車、搖桿、連桿、四輪一帶、油缸桿、油缸筒等，作為獨立部件；另外平臺上發(fā)動機、泵、閥、散熱器等附件簡化為質量點代替。根據(jù)挖掘機作業(yè)時的運動特點，規(guī)劃各部件之間的運動關系并施加約束。設置旋轉副代替銷軸與軸套的運動、移動副代替油缸運動，將回轉支撐與平臺、下車連接的螺栓采用彈簧模擬，下車履帶板之間設置彈簧連接，履帶板與各個輪子之間定義接觸，將地面模型設置固定約束，將鏟斗、履帶與地面之間設置接觸。將挖掘機主結構件（動臂、斗桿、平臺、下車）離散成有限元網(wǎng)格，注意網(wǎng)格疏密，單元數(shù)盡量控制在100萬以內(nèi)，柔性體替換對應的剛體模型，柔性體裝配流程所示。將柔性體與其他構件連接時須在柔性體上建立外部連接點，采用剛性連接單元Reb2，柔性體連接點坐標值與對應的多體動力學模型坐標需一致。

3多體動力學計算

求解器設置中分析類型設為DYNAMIC，全局坐標系Y軸負向為重力場方向，采樣步長0.01s，最大積分步長0.001s，積分數(shù)值方法采用BDF算法，量綱為毫米、噸、牛頓。通過對挖掘機三組油缸推力（由測得的油缸壓力推算）、油缸位移數(shù)據(jù)進行分析，以此作為多體仿真分析的驅動進行計算，可得到各個時刻下各主結構件（動臂、斗桿、平臺、下車）的應力分布情況，輸出結構件應力云圖、關鍵部位的應力-時間歷程曲線。選取某款挖機進行仿真分析并測試標定。圖2為標定后工作裝置測點的仿真與試驗得到應力變化曲線，可以看出兩條應力曲線形狀相似，變化趨勢一致，仿真結果與試驗結果較好地吻合，表明建立的挖機整車剛柔耦合模型能較好地反映實際應力測試工況的動力學特性。

4仿真分析應用案例

在對挖掘機發(fā)生的動臂開裂實際故障對比研究中，裂紋產(chǎn)生在焊接部位處，隨后對故障部位的結構重新設計調整。為比較結構改進前后的效果，原本需要進行兩次應力測試，此次采用挖機多體動力學仿真分析來替代實際的應力測試。根據(jù)仿真分析結果，得到動臂故障部位的應力-時間歷程曲線，如圖3左圖所示，該故障部位在作業(yè)時以拉應力為主，最大拉應力206MPa，應力范圍為243MPa。右圖為改進后結構的應力-時間歷程曲線，最大拉應力140MPa，應力范圍為175MPa，改進后結構的最大應力值下降32%，應力幅值下降28%。動臂故障部位結構改進后，目前已不再發(fā)生類似的開裂故障。

5結論

（1）采用剛柔耦合多體動力學的方法建立工程機械的整車模型，將各主結構件作為柔性體置于整車模型中，采用模態(tài)綜合法計算各結構件的動態(tài)應力，隨后進行試驗驗證，仿真分析結果能夠與試驗結果較好地吻合，表明該多體模型能較好地反映機器實際應力測試工況的動力學特性。（2）機械動態(tài)應力多體仿真方法在結構件開裂故障中進行了應用，代替實際應力測試，故障部位應力仿真結果由243MPa降為175MPa，減少28%，結構改進后無故障發(fā)生，因此工程機械結構件動態(tài)應力仿真與應用可以實際有效應用到多種工程機械中。

參考文獻

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作者:葛子紅 單位:安徽省科技館