挖掘機(jī)動(dòng)臂的案例
基于SolidThinking Inspire的挖掘機(jī)動(dòng)臂連接器拓?fù)鋬?yōu)化
基于SolidThinking Inspire的挖掘機(jī)動(dòng)臂連接器拓?fù)鋬?yōu)化.docx
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基于solidThinking Inspire的挖掘機(jī)
動(dòng)臂連接器拓?fù)鋬?yōu)化
史曉寧
摘 要：建立某款挖掘機(jī)動(dòng)臂連接器有限元分析模型，運(yùn)用SolidThinking Inspire對(duì)其進(jìn)行求解分析，獲得應(yīng)力云圖并找出危險(xiǎn)區(qū)域；對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，達(dá)到減重目標(biāo),對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞: solidThinking 挖掘機(jī) 拓?fù)鋬?yōu)化
1、概述
solidThinking是面向設(shè)計(jì)人員的優(yōu)化仿真平臺(tái)。其拓?fù)鋬?yōu)化工具Inspire操作便捷，流程清晰，界面簡(jiǎn)潔，易學(xué)易用，能夠幫助設(shè)計(jì)人員快速獲得滿(mǎn)足性能且輕量化的結(jié)構(gòu)，非常適合產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化提升。
某款小型挖掘機(jī)裝配有動(dòng)臂連接器。連接器是一種針對(duì)專(zhuān)門(mén)機(jī)型的工作需求而設(shè)計(jì)制造工程機(jī)械連接裝置，一般采用鑄造工藝制造。起到連接挖掘機(jī)動(dòng)臂、車(chē)架，傳遞負(fù)載及自由度的作用。因此必須保證動(dòng)臂連接器在嚴(yán)苛工況下剛度、強(qiáng)度等可靠性要求。
當(dāng)前，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)大量應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程中，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段的強(qiáng)度及輕量化需求。本文以動(dòng)臂連接器為分析對(duì)象，運(yùn)用solidThinking Inspire工具，以Density密度法為理論依據(jù)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化[1]，并對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，結(jié)果表明優(yōu)化結(jié)構(gòu)較原結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平一致且質(zhì)量大幅減輕。
2、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析
2.1建立模型
加載模型
圖示為連接器毛坯外形，優(yōu)化前首先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，根據(jù)結(jié)果定義優(yōu)化設(shè)計(jì)要素。
展開(kāi) 挖掘機(jī)動(dòng)臂保持閥原理及技術(shù)特點(diǎn)
-END-
MSC特檢行業(yè)應(yīng)用案例（下篇）
主要分析鏟車(chē)大臂和鏟斗強(qiáng)度。
卡特彼勒工程機(jī)械分析
拖拉機(jī)前軸支撐件優(yōu)化設(shè)計(jì)，Eicher 24馬力拖拉機(jī)前軸支撐件優(yōu)化目標(biāo)：
-減重
-簡(jiǎn)化制造
-降低失效
天津建筑機(jī)械廠液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)分析
針對(duì)液壓挖掘機(jī)在使用過(guò)程中給出現(xiàn)的動(dòng)臂斷裂問(wèn)題，利用MSC PAtran和Nastran進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化改進(jìn)方案，降低斷裂區(qū)域的應(yīng)力水平，使挖掘機(jī)動(dòng)臂滿(mǎn)足安全要求。
有限元模型圖
原始方案動(dòng)臂整體及局部應(yīng)力云圖
改進(jìn)后整體和局部應(yīng)力云圖
太原重型機(jī)械集團(tuán)大型礦用挖掘機(jī)鏟斗結(jié)構(gòu)特性分析
作為挖掘機(jī)上部工作裝置的主要部件之一，鏟斗直接切削、裝運(yùn)和卸除物料，在挖掘過(guò)程中不僅直接受到?jīng)_擊和振動(dòng)的作用，而且受到劇烈的磨損。鏟斗強(qiáng)度、剛度、耐磨性能及力學(xué)特性如何直接影響到挖掘機(jī)的工作可靠性和使用壽命。本文選擇幾種典型工況，應(yīng)用MSC·MARC有限元分析程序?qū)δ炒笮偷V用挖掘機(jī)鏟斗進(jìn)行了有限元靜力計(jì)算分析，對(duì)鏟斗的力學(xué)特性有了一定的了解。期望能更好地了解礦用挖掘機(jī)鏟斗的結(jié)構(gòu)特性，優(yōu)化鏟斗結(jié)構(gòu)，為同類(lèi)型鏟斗設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
鏟斗幾何模型圖
鏟斗有限元模型圖
開(kāi)始挖掘時(shí)鏟斗應(yīng)力和位移云圖
斗桿全部深處時(shí)鏟斗的應(yīng)力和變形云圖
華強(qiáng)科技文化集團(tuán)
分析需求
1、移動(dòng)舞臺(tái)提升至最高位置，移動(dòng)舞臺(tái)橫軸中心離地面25米處。
1）臺(tái)面水平，框架結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性。（重力+臺(tái)面外載）
2）臺(tái)面翻轉(zhuǎn)至垂直，框架結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性。（重力+臺(tái)面外載）
3）臺(tái)面水平，側(cè)向載荷。框架結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性。
2、移動(dòng)舞臺(tái)提升至中間位置，移動(dòng)舞臺(tái)橫軸中心離地面13米處。
-分析內(nèi)容和工況同內(nèi)容1。
3、移動(dòng)舞臺(tái)強(qiáng)度和剛度分析
1）臺(tái)面水平，重力+外載。
展開(kāi) 挖掘機(jī)機(jī)臂的疲勞壽命計(jì)算
來(lái)源：正脈科工
1.問(wèn)題的描述
如圖1給出了挖掘機(jī)機(jī)臂的三維模型，該模型由機(jī)臂和支撐銷(xiāo)軸組成。
圖1 挖掘機(jī)機(jī)臂的三維模型
2.模型的材料
機(jī)臂的材料為結(jié)構(gòu)鋼，銷(xiāo)軸和機(jī)臂孔之間的摩擦系數(shù)為0.3。
3.邊界條件（工況）
如圖2所示給出了挖掘機(jī)機(jī)臂的載荷示意圖，F(xiàn)1=6E5N，erfa=15度，F(xiàn)2=5E5N，beita=10度，完全固定約束銷(xiāo)軸的外側(cè)面。
圖2 挖掘機(jī)機(jī)臂的載荷工況
4.計(jì)算結(jié)果
圖3 挖掘機(jī)機(jī)臂的總體變形云圖
圖4 挖掘機(jī)機(jī)臂的等效應(yīng)力云圖
圖5 挖掘機(jī)機(jī)臂的安全系數(shù)云圖
圖6 挖掘機(jī)機(jī)臂的接觸壓力云圖
圖7 挖掘機(jī)機(jī)臂的壽命云圖
圖8 1E4次循環(huán)后的損傷云圖
展開(kāi) 
挖掘機(jī)多體動(dòng)力學(xué)仿真
圖16 斗桿質(zhì)心速度曲線(xiàn)
07
總結(jié)
本案例為工程機(jī)械領(lǐng)域機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，模擬挖掘機(jī)挖掘、卸載及復(fù)位整個(gè)循環(huán)過(guò)程的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，為挖掘機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及液壓缸參數(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，驗(yàn)證了INTESIM-FMBD軟件處理復(fù)雜工程機(jī)械多體動(dòng)力學(xué)仿真能力。后續(xù)，我們將在挖掘機(jī)全剛體模型的基礎(chǔ)上，對(duì)挖掘機(jī)動(dòng)臂進(jìn)行柔性化，進(jìn)行基于INTESIM-FMBD軟件的剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)仿真，分析挖掘機(jī)動(dòng)臂動(dòng)態(tài)應(yīng)力變化。另外，通過(guò)我方軟件提供的控制模型接口，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)下的動(dòng)力學(xué)與控制聯(lián)合仿真。
文章來(lái)源：英特仿真INTESIM
展開(kāi) 案例19 挖掘機(jī)臂裝配體的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析
本案例使用挖掘機(jī)臂裝配體來(lái)演示多體系統(tǒng)的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。
主要應(yīng)用了下列技術(shù)和能力：
• 在建模中定義連接副，剛體部分和柔性體部分
• 減輕由于不合適的連接定義造成的過(guò)約束
• 使用模態(tài)綜合法（Component mode synthesis，CMS）表示柔性體
本例也對(duì)于下列兩種情況使用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析：
1. 某些部分是柔性的，剩余部分是剛性體
2. 柔性體使用CMS超單元建模
簡(jiǎn)介
多體系統(tǒng)是零件的裝配體，其中某些零件或所有零件彼此互相移動(dòng)。這些裝配體可能簡(jiǎn)單或者復(fù)雜，也可能都是剛體，或者一部分剛體一部分柔性體。這些零件由一組連接副定義的運(yùn)動(dòng)容許約束建模，從而互相約束。
常見(jiàn)的多體系統(tǒng)例子包括：陸地運(yùn)輸系統(tǒng)、航空系統(tǒng)、航海系統(tǒng)和機(jī)器人系統(tǒng)。
多體系統(tǒng)的組件可能存在有限應(yīng)變的影響和大位移和/或大轉(zhuǎn)動(dòng)。
一個(gè)多體系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析需要理解各部分之間的互相影響，評(píng)估部件內(nèi)部的應(yīng)力和變形場(chǎng)，和計(jì)算關(guān)鍵部件的疲勞壽命。
問(wèn)題描述
挖掘機(jī)臂裝配體如下圖所示，翻斗上附加了500kg的質(zhì)量來(lái)模擬翻斗承擔(dān)的載荷。
挖掘機(jī)裝配體的各種部件通過(guò)節(jié)點(diǎn)互相連接，兩個(gè)活塞缸裝置的啟動(dòng)導(dǎo)致車(chē)架、臂和連桿移動(dòng)，從而也使翻斗移動(dòng)。整個(gè)系統(tǒng)基本上有兩個(gè)自由度。
車(chē)架、臂、連桿和翻斗的移動(dòng)依賴(lài)于兩個(gè)自由度，本問(wèn)題中，挖掘機(jī)臂的移動(dòng)被限制為面內(nèi)移動(dòng)。
多體系統(tǒng)的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析包含下列內(nèi)容：
1. 第一個(gè)分析假設(shè)連接桿為柔性的，其他所有部分為剛體，柔性部分使用三維有限元建模。
2. 第二個(gè)分析是第一個(gè)分析的變化，柔性連接桿現(xiàn)在建模為CMS超單元。
展開(kāi) Ansys ACT案例----挖掘機(jī)斗桿、動(dòng)臂、鏟斗工作分析案例
向?qū)Э捎糜趩?dòng)和控制不同的目標(biāo)應(yīng)用程序 向?qū)Э赡芤曰旌舷驅(qū)Вㄔ诖诉^(guò)程中使用不同的應(yīng)用程序）或簡(jiǎn)單向?qū)Вㄒ粋€(gè)唯一的目標(biāo)應(yīng)用程序）的形式出現(xiàn) 如果可能，向?qū)Э捎糜赪orkBnech平臺(tái)和獨(dú)立應(yīng)用程序 僅Workbench應(yīng)用環(huán)境下：
DesignModeler
Mechanical Workbench和獨(dú)立應(yīng)用程序：
SpaceClaim
Fluent、Fluent Meshing
Electronics Desktop
Part2挖掘機(jī)斗桿、動(dòng)臂、鏟斗工作分析案例
1創(chuàng)建項(xiàng)目
在Project界面創(chuàng)建仿真分析流程，設(shè)置流程名稱(chēng)、分析材料。
首先通過(guò)XML文件定義界面,定義界面所使用的語(yǔ)法并不復(fù)雜，都是常用的幾種，在以前寫(xiě)的文章Ansys向?qū)Ш?jiǎn)介中都有詳細(xì)介紹，此處不再多贅述。
展開(kāi) 基于Inspire的液壓挖掘機(jī)中部平臺(tái)主梁拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)
圖 2 回轉(zhuǎn)平臺(tái)模型
圖 3 左右主梁模型
2.2回轉(zhuǎn)平臺(tái)工作載荷的確定
回轉(zhuǎn)平臺(tái)除承受工作裝置、駕駛室、動(dòng)力裝置、液壓裝置、配重及覆蓋件等的質(zhì)量外，還承受工作裝置工作時(shí)產(chǎn)生的挖掘力，主梁所受載荷為動(dòng)臂油缸鉸點(diǎn)作用力， 動(dòng)臂鉸點(diǎn)作用力的大小和方向根據(jù)工況而定。 回轉(zhuǎn)平臺(tái)上安裝部件的質(zhì)量見(jiàn)表1。
表 1 回轉(zhuǎn)平臺(tái)上安裝部件的質(zhì)量
工況和位置選擇的原則是，使主梁可能產(chǎn)生最大彎矩時(shí)的工作位置。 根據(jù)實(shí)際工作載荷情況，主要有下面 3 種工況（見(jiàn)圖 4）：
圖 4 挖掘機(jī)典型工況
工況 A： 動(dòng)臂位于動(dòng)臂液壓缸對(duì)鉸點(diǎn)最大力臂處，斗桿液壓缸力臂最大，鏟斗液壓缸挖掘，動(dòng)臂液壓 缸、斗桿液壓缸同時(shí)剛好過(guò)載；動(dòng)臂和斗桿液壓缸作用力臂最大，該工況下的載荷為重力和切向力。
工況 B：穩(wěn)定計(jì)算位置之一，為可能使挖掘機(jī)向前傾翻、穩(wěn)定系數(shù)最小時(shí)的位置。 一般可取動(dòng)臂水平（前、后鉸點(diǎn)連線(xiàn)）斗桿垂直，鏟斗挖掘且切向挖掘力垂直。
工況 C：最大挖掘深度時(shí)，鏟斗液壓缸發(fā)揮最大挖掘力，動(dòng)臂和斗桿液壓缸作用力臂最大，鏟斗挖掘、動(dòng)臂、斗桿油缸同時(shí)閉鎖。 該工況下的載荷為重力和切向力。
分析以上 3 種典型工況的工作狀態(tài)及平臺(tái)受力特點(diǎn)，工況 C 受力最大。 故選用 C 工況對(duì)中部平臺(tái)的主梁進(jìn)行有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
展開(kāi) CAE仿真技術(shù)在大型裝備制造行業(yè)的應(yīng)用
下面是對(duì)某挖掘機(jī)動(dòng)臂進(jìn)行減重優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果：
問(wèn)題提出：對(duì)于挖掘機(jī)，動(dòng)臂的機(jī)械性能關(guān)系到整機(jī)的工作能力，在保證動(dòng)臂的機(jī)械性能的前提下，減少動(dòng)臂的重量有助于降低生產(chǎn)成本，優(yōu)化設(shè)計(jì)。
優(yōu)化目標(biāo) ：動(dòng)臂重量
設(shè)計(jì)變量 ：動(dòng)臂結(jié)構(gòu)幾何尺寸（共計(jì)70）
性能約束：結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（應(yīng)力）、結(jié)構(gòu)剛度、幾何相關(guān)性
優(yōu)化結(jié)果：
動(dòng)臂減重約40Kg，減重效果約為3%。
5、大型裝備的運(yùn)動(dòng)及控制分析
大型裝備是由大量的零部件裝配而成。大型裝備的正常工作需要設(shè)計(jì)到各個(gè)零部件之間的配合以及各種傳動(dòng)及控制。
礦用刮板輸送機(jī)鏈輪系統(tǒng)剛/柔力學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)
首先進(jìn)行了鏈輪在三種工況下的剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，獲得鏈輪扭矩、輪齒嚙合力和鏈環(huán)連接力，并對(duì)比計(jì)算了不同間隙配合下鏈輪的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性
其次對(duì)鏈輪進(jìn)行多柔體瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，獲得輪齒動(dòng)態(tài)受力特性及應(yīng)力應(yīng)變情況，柔體分析的鏈窩應(yīng)力與剛體分析的輪齒接觸力分布是一致的
最后進(jìn)行了鏈輪鏈條接觸非線(xiàn)性分析，對(duì)鏈輪5個(gè)尺寸參數(shù)在最大嚙合力狀態(tài)下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化方案的最大應(yīng)力降低4%，塑性應(yīng)變降低41%
6、制造工藝
制造工藝過(guò)程仿真：利用ANSYS的高度非線(xiàn)性瞬態(tài)動(dòng)力分析模塊可以仿真諸如鑄造、鍛造、擠壓、輥壓、切削等多種多樣的成型過(guò)程。該模塊所具有的顯式動(dòng)力分析技術(shù)、ALE流固耦合分析技術(shù)、結(jié)構(gòu)溫度耦合分析技術(shù)使得其在這些成型過(guò)程方面具有很高的計(jì)算效率和計(jì)算精度，從而很好地指導(dǎo)這些成型過(guò)程的工藝設(shè)計(jì)、優(yōu)化工藝參數(shù)。
展開(kāi) 工程機(jī)械典型結(jié)構(gòu)件模型分網(wǎng)
結(jié)構(gòu)件往往都是板與塊焊接，
怎么把焊接件分成殼單元與實(shí)體單元混合體，
但找遍各種資料中就是沒(méi)有這樣典型模型的分網(wǎng)實(shí)例，
現(xiàn)做了這么樣一個(gè)模型boom（類(lèi)似挖掘機(jī)、裝載機(jī)動(dòng)臂)，
有prt,stp,igs,neu四種格式,
請(qǐng)各路專(zhuān)業(yè)高手制作一個(gè)分網(wǎng)教程，
這對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。
謝謝！
boom.rar
模型由PROE4.0制作
