畢業(yè)設(shè)計--27m³礦用挖掘機斗桿結(jié)構(gòu)有限元分析

1、<p>　　本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）</p><p>　　中文題目：27m³礦用挖掘機斗桿結(jié)構(gòu)有限元分析 </p><p>　　英文題目：The Finite Element Analysis of the Dipper</p><p>　　Handle of the 27 m3 Mining Shovel</p><p

2、><b>　　摘 要</b></p><p>　　挖掘機結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，往往是多發(fā)動機同時驅(qū)動，其工作環(huán)境惡劣，外載荷隨機性變化，因此在設(shè)計大型礦用挖掘機時，為了使其能夠作業(yè)安全，工作順暢，除必要的理論分析和靜強度計算外，還必須要進(jìn)行動力學(xué)分析和有限元分析，以保證在設(shè)計之初機械的動強度及可靠性。</p><p>　　介紹了國內(nèi)外挖掘機的發(fā)展?fàn)顩r，以及本課題研究的意

3、義及內(nèi)容。本文是對挖掘機進(jìn)行靜力學(xué)及有限元分析，適應(yīng)我國礦用挖掘機發(fā)展的需要，充分利用前人的研究成果和已有的實驗數(shù)據(jù)，在P&H-2300的基礎(chǔ)上對斗容為27 的大型礦用挖掘機的斗桿進(jìn)行分析。對機械式單斗挖掘機的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，并斗桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，根據(jù)經(jīng)驗公式確定了斗桿的結(jié)構(gòu)尺寸。簡單介紹斗桿模型的建立過程以及所用軟件的發(fā)展過程及應(yīng)用特點，然后將UG中建立的斗桿的模型導(dǎo)入ANSYS中。文章結(jié)尾介紹了有限元分析軟件在靜力分析的應(yīng)

4、用，針對挖掘機斗桿在不同工況下的受力，應(yīng)用靜力分析模塊對斗桿的簡化模型受力情況進(jìn)行了分析，得到其應(yīng)力變化情況，并得到最大單元的位置。我們以后要做的工作是建立起有限元的有效性評估機制，結(jié)合實體模型仿真實驗數(shù)據(jù)，分析誤差產(chǎn)生的原因，研究出一個更有效更快捷的分析體制。</p><p>　　關(guān)鍵詞：斗桿 有限元分析 UG ANSYS</p><p><b>　　ABSTRACT&l

5、t;/b></p><p>　　The construct of excavator is very complex and the multiple movers often work simultaneously. At the same time its working environment is very bad and the eternal load varies randomly. As a

6、 result, when designing the new product of excavator, in order to ensure the performance safety, the designer not only has the basic theory analysis on static load computing, but also do necessary work about the kinetics

7、 of mechanism to qualify the dynamic reliability in the period of designing. </p><p>　　The first novel is devoted to write the development of domestic and theforeign excavators, As well as the study of the

8、subject content and significance.To meet ou- rs development requires, this paper make dynamics simulation and finite element a- nalysis of mining excavator equipment which capacity is 27 m3. It introduced the s- tructure

9、 of the mechanical shovels, and analyzed the structure of its working equeq- uipment. According to the empirical formula to determine of the equipment structu- r</p><p>　　Key word: working equipment UG AN

10、SYS FEM</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p><b>　　1.1概述1</b></p><p>　　1.2機械式挖掘機國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r1</p><p>　　1.3市

11、場前景分析3</p><p>　　1.4本論文研究的必要性及意義4</p><p>　　1.5本論文研究的內(nèi)容4</p><p>　　第2章 斗桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計6</p><p>　　2.1礦用挖掘機工作裝置簡介6</p><p>　　2.2斗桿的結(jié)構(gòu)分析7</p><p>　　2.3斗

12、桿的設(shè)計計算8</p><p>　　2.4斗桿應(yīng)力的計算9</p><p>　　第3章 斗桿模型的建立11</p><p>　　3.1UG概述11</p><p>　　3.1.1應(yīng)用軟件UG簡介11</p><p>　　3.1.2 UG軟件的特點12</p><p>　　3.2參考模

13、型的創(chuàng)建13</p><p>　　3.3斗桿模型的導(dǎo)入過程14</p><p>　　第4章 斗桿的有限元仿真分析16</p><p>　　4.1 有限元方法概述16</p><p>　　4.2 有限元方法的歷史17</p><p>　　4.3 有限元方法的基本思想19</p><p>

14、;　　4.4 有限元法的分析步驟19</p><p>　　4.5 應(yīng)用軟件 ANSYS的介紹20</p><p>　　4.5.1 ANSYS軟件簡介20</p><p>　　4.5.2 ANSYS的主要特點21</p><p>　　4.6 有限元模型的建立22</p><p>　　4.7 單元類型的選擇23

15、</p><p>　　4.8 網(wǎng)格劃分簡介23</p><p>　　4.8.1選擇網(wǎng)格劃分方式23</p><p>　　4.8.2指定單元劃分形狀24</p><p>　　4.9 邊界條件24</p><p>　　4.10 工況的確定及載荷計算25</p><p>　　4.10.1工況

16、125</p><p>　　4.10.2工況226</p><p>　　4.11 斗桿強度剛度分析28</p><p>　　4.11.1 工況128</p><p>　　4.11.2 工況230</p><p><b>　　第5章 結(jié)論32</b></p><p&g

17、t;<b>　　5.1結(jié)論32</b></p><p><b>　　5.2展望32</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)33</b></p><p><b>　　致 謝35</b></p><p><b>　　緒論</b&g

18、t;</p><p><b>　　概述</b></p><p>　　目前，大型礦用機械式電鏟挖掘機在國內(nèi)、國際的礦山開采及工程施工行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，其性能的優(yōu)劣對生產(chǎn)率的有很大的影響。在國際市場競爭日趨激烈的今天，如何提高產(chǎn)品的質(zhì)量是提高其市場競爭力的關(guān)鍵。</p><p>　　大型礦用機械式電鏟挖掘機結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，絕大多數(shù)是多發(fā)動機同時驅(qū)

19、動，其工作環(huán)境十分惡劣，外載荷隨機性變化，因此在設(shè)計新產(chǎn)品時，為了使其能夠作業(yè)安全，工作順暢，除必要的理論分析和靜強度計算外，還必須要進(jìn)行動力學(xué)、動力學(xué)及有限元分析，以保證機械設(shè)計的可靠性和性能的優(yōu)化。</p><p>　　1.2機械式挖掘機國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　1954年我國第一臺斗容量為1的機械傳動式正鏟挖掘機試制成功, 開始了我國挖掘機的生產(chǎn)。1977年研制出WK--l

20、0（斗容量為8-12),WD-2000（斗容量為10-15)，才使大型礦用挖掘機生產(chǎn)有了新的突破。隨著采礦工業(yè)的發(fā)展，我國從美國P&H公司引進(jìn)技術(shù)，生產(chǎn)了斗容量為16和23的P&H-2300XP和P&H-2800XP兩種大型挖掘機，并投入礦山使用。這兩種挖掘機的試制成功，標(biāo)志著我國的機械式電鏟挖掘機制造技術(shù)又前進(jìn)了一步。雖然我國機械式電鏟挖掘機制造近年來有很大的發(fā)展，但其產(chǎn)品質(zhì)量與發(fā)達(dá)國家相比還是相當(dāng)落后的，這不

21、僅反映在工藝水平上，還反映在設(shè)計水平上。在大型礦用挖掘機方面的主要差距體現(xiàn)為鏟斗容量仍然較小、可靠性較差及工作循環(huán)時間長等等 。</p><p>　　近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對能源和資源產(chǎn)品的開采使用將以規(guī)模化、高效化和清潔化為主要方向。根據(jù)國家規(guī)劃，未來5-10年，國家將以建設(shè)千萬噸級以上的特大型露天煤礦和現(xiàn)代化大型礦井為主，建設(shè)大型礦業(yè)基地將成為煤炭行業(yè)發(fā)展的重要方向。冶金工業(yè)也面臨礦山大型化和設(shè)備大

22、型化的發(fā)展趨勢，對大型礦用挖掘機的需求也十分強勁。</p><p>　　長期以來，我國露天礦山所使用的20至50立方米大型礦用挖掘機，一直全部為進(jìn)口或與外國公司合作生產(chǎn)的產(chǎn)品，其核心制造技術(shù)被國外公司所壟斷。2006年以來公司成功的研制了具有完全知識產(chǎn)權(quán)的20、27的挖掘機，打破了國外公司在大型礦用機械的產(chǎn)品和技術(shù)壟斷，也使公司成為世界上少數(shù)幾個自主生產(chǎn)大型礦用機械的企業(yè)之一。</p><p&

23、gt;　　此次技術(shù)改造將在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行自主研制、開發(fā)，適合年產(chǎn)2000萬噸級及以上大型露天礦的礦用挖掘機，新增年產(chǎn)量為28臺。從需求方面看，預(yù)計國內(nèi)新增需求量將在50臺以上。我們認(rèn)為，在礦山機械大型化和進(jìn)口替代的大背景下，公司的新項目在未來銷售方面不會有明顯的壓力。</p><p>　　近年來，隨著高新技術(shù)不斷地在礦山設(shè)備中的應(yīng)用，以及為適應(yīng)日益增大的礦用汽車的鏟裝需要，礦用挖掘機正朝著大型化和智能化方向發(fā)展，

24、由于挖掘機在露天采礦和土建工程中的廣泛應(yīng)用，許多工業(yè)發(fā)達(dá)的國家都比較重視挖掘機生產(chǎn)。目前國外制造大型挖掘機的國家主要有美國、日本和西德，法國、英國、意大利、捷克、瑞典等國家也有一定的生產(chǎn)規(guī)模?，F(xiàn)將幾個主要發(fā)達(dá)國家的挖掘機生產(chǎn)概況分別闡述如下。</p><p>　　單斗挖掘機發(fā)展較早的國家是美國。1933年美國機械工程師取得了單斗挖掘機的發(fā)明權(quán)，1936 年制造出世界上第一臺機械傳動挖掘機，其挖掘機生產(chǎn)技術(shù)一直處于

25、領(lǐng)先地位，尤其是大容量的礦用挖掘機幾乎壟斷了資本主義市場，并在機械性能、結(jié)構(gòu)、電器傳動技術(shù)和運行可靠性方面遙遙領(lǐng)先。美國是出口挖掘機主要國家之一，每年出口量一般占1/4以上。美國生產(chǎn)的挖掘機關(guān)鍵零部件壽命較長并且設(shè)備重量較輕。</p><p>　　美國生產(chǎn)挖掘機的公司主要有Bucyrus&Eris公司（簡稱B&E公司）、Harnischfigier公司（簡稱P&H公司）、馬里恩公司等三十多

26、家。其中：B&E公司的主要產(chǎn)品有395-B、295-B、295-B1、290-B等型；P&H公司的主要產(chǎn)品有P&H-2300、P&H-2800 、P&H-1900AL、P&H-2100BL 等型；馬里恩公司的主要產(chǎn)品有204-M、201-M、191-M等型。挖掘機生產(chǎn)的專業(yè)化和充足的備件是美國</p><p>　　挖掘機工業(yè)的特點，鏟斗、斗齒、履帶板、離合器、制動器

27、、司機室等都有專業(yè)生產(chǎn)廠。</p><p><b>　　1.3市場前景分析</b></p><p>　　近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對能源和資源產(chǎn)品的開采使用將以規(guī)?；?、高效化和清潔化為主要方向。根據(jù)國家規(guī)劃，未來5-10年，國家將以建設(shè)千萬噸級以上的特大型露天煤礦和現(xiàn)代化大型礦井為主。我國將建設(shè)13個大型煤炭生產(chǎn)基地，5-7個億噸級特大企業(yè)集團(tuán)和一批5000萬噸

28、以上的大型煤炭企業(yè)，建設(shè)大型礦業(yè)基地將成為煤炭行業(yè)發(fā)展的重要方向。冶金工業(yè)也面臨礦山大型化和設(shè)備大型化的發(fā)展趨勢，對大型礦用挖掘機的需求也十分強勁。同時從全球范圍看，國際礦產(chǎn)品供應(yīng)緊張，也使國際市場上對大型礦用機械的需求保持上升的態(tài)勢。</p><p>　　不過長期以來，我國露天礦山所使用的20至50大型礦用挖掘機，一直全部為進(jìn)口或與外國公司合作生產(chǎn)的產(chǎn)品，其核心制造技術(shù)被國外公司所壟斷。太重是我國最早生產(chǎn)制造大

29、型礦用挖掘設(shè)備的企業(yè)，大型挖掘機的發(fā)展經(jīng)歷了原始創(chuàng)新、合作制造和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新三個階段，一直在國內(nèi)的前列。2006年以來太重成功的研制了具有完全知識產(chǎn)權(quán)的20、27的挖掘機，并在神華準(zhǔn)格爾能源有限公司投入使用，打破了國外公司在大型礦用機械的產(chǎn)品和技術(shù)壟斷，也使公司成為世界上少數(shù)幾個自主生產(chǎn)大型礦用機械的企業(yè)之一。與國外產(chǎn)品相比，太重產(chǎn)品具有30%以上的價格優(yōu)勢。</p><p>　　目前，太重已把重點放在開發(fā)

30、研制35挖掘機上，50挖掘機的開發(fā)生產(chǎn)也列入發(fā)展規(guī)劃。此次技術(shù)改造將在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行自主研制、開發(fā)，適合年產(chǎn)2000萬噸級及以上大型露天礦的礦用挖掘機，標(biāo)準(zhǔn)斗容量為20、27、35、55的超大型機械式礦用挖掘機，新增年產(chǎn)量為28臺。</p><p>　　從需求方面看國內(nèi)即將開發(fā)的年生產(chǎn)能力達(dá)1500萬噸的大型露天煤礦至少有10座，需要27以上的大型挖掘機至少40臺以上；同時，露天采礦業(yè)</p>&l

31、t;p>　　對27挖掘機需求也在15臺以上，市場很大。</p><p>　　因此我們認(rèn)為，在礦山機械大型化和進(jìn)口替代的大背景下，公司的新項目在未來銷售方面不會有明顯的壓力。</p><p>　　1.4本論文研究的必要性及意義 </p><p>　　近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國的挖掘機行業(yè)也取得了很大的成就，但無論其技術(shù)水平還是其產(chǎn)品質(zhì)量，與世界先進(jìn)水平

32、相比還有一定距離[8]。而造成這種現(xiàn)狀的一個重要原因就是設(shè)計方法的落后。眾所周知，產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量對產(chǎn)品的使用質(zhì)量的影響至關(guān)重要，而動力學(xué)研究的目的就是設(shè)法提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，以求在根本上保證產(chǎn)品的動強度和可靠性。</p><p>　　目前，我國的大型機械式挖掘機在設(shè)計水平上、設(shè)計手段及產(chǎn)品質(zhì)量上與國外同類產(chǎn)品相比尚有較大差距。國外已經(jīng)將人——機——環(huán)境作為一個系統(tǒng)統(tǒng)一考慮，提倡振動低、噪音低的綠色設(shè)計，將現(xiàn)代設(shè)計

33、方法普遍的應(yīng)用于挖掘機設(shè)計，使產(chǎn)品設(shè)計現(xiàn)代化及性能可靠。而我國仍然采用傳統(tǒng)的仿形設(shè)計，近年來才將現(xiàn)代設(shè)計方法逐步應(yīng)用到挖掘機的設(shè)計上。</p><p>　　本文是對挖掘機進(jìn)行動力學(xué)及有限元仿真分析，適應(yīng)我國礦用挖掘機發(fā)展的需要，充分利用前人的研究成果和已有的實驗數(shù)據(jù)，在P&H-2300的基礎(chǔ)上對斗容為27 的大型礦用機械式電鏟挖掘機斗桿進(jìn)行分析。在正確地分析載荷和合理地建立模型的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行動態(tài)分析，

34、從而提高設(shè)計質(zhì)量，減少試驗環(huán)節(jié)，加快設(shè)計周期，這對我國挖掘機行業(yè)的機械設(shè)計具有一定的理論和實際參考價值。</p><p>　　1.5本論文研究的內(nèi)容</p><p>　　本課題的目標(biāo)是對斗容為27的礦用機械式挖掘機斗桿的動力學(xué)及有限元仿真分析。主要內(nèi)容如下：</p><p>　　（1）分析大型礦用機械式挖掘機斗桿的設(shè)計要求和設(shè)計方法，在UG中建立挖掘機斗桿模型，并導(dǎo)

35、入ANSYS中進(jìn)行有限元分析；</p><p>　?。?）探討基于特征的參數(shù)化建模技術(shù)，構(gòu)建挖掘機斗桿特征參數(shù)化模型；</p><p>　?。?）建立挖掘機斗桿有限元分析模型，分別對兩種典型工況下斗桿的靜力進(jìn)行分析。</p><p><b>　　斗桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計 </b></p><p>　　礦用挖掘機工作裝置簡介<

36、/p><p>　　機械式單斗挖掘機是挖掘機的一種，用一個鏟斗以間歇重復(fù)的工作循環(huán)進(jìn)行工作，即由挖掘、滿斗回轉(zhuǎn)至卸載點、卸載、空斗回轉(zhuǎn)至挖掘地點等四個工序構(gòu)成一個工作循環(huán)。在作業(yè)過程中挖掘機位置是不變的，直至將一次停機范圍內(nèi)的土壤挖完，挖掘機才移動到新的作業(yè)地點。</p><p>　　為完成上述動作，單斗挖掘機應(yīng)具有以下部分：</p><p>　　工作裝置 包括挖掘土壤

37、的鏟斗、斗桿，提升機構(gòu)、推壓機構(gòu)、動臂、斗底開啟機構(gòu)等。</p><p>　　回轉(zhuǎn)支撐裝置 回轉(zhuǎn)機構(gòu)、回轉(zhuǎn)平臺、回轉(zhuǎn)支撐機構(gòu)等。</p><p>　　行走裝置 履帶行走機構(gòu)、底架、履帶架等。</p><p>　　動力裝置和附屬設(shè)備 電動機—發(fā)電機機組、操縱裝置、潤滑裝置等。</p><p>　　圖2-1 大型礦用挖掘機外形</p&

38、gt;<p>　　單斗挖掘機如圖2-1所示，主要由單鏟工作裝置、回轉(zhuǎn)裝置及行走裝置三大部分組成。單鏟工作裝置主要由動臂1、斗桿2、鏟斗3、推壓裝置4和提升鋼絲繩5組成。動臂下端鉸接于平臺上，上端用支架6上的變幅鋼絲繩保持其位置固定，調(diào)節(jié)變幅鋼絲繩的長度，可以調(diào)整動臂的傾角。鏟斗提升是靠提</p><p>　　升電機拉動提升鋼絲繩，下降則靠鏟斗自重。為確保挖掘，推壓齒輪能夠推出斗桿，斗桿隨鏟斗的提升下

39、放可繞推壓軸轉(zhuǎn)動。</p><p>　　礦用正鏟挖掘機在露天采礦中大多是用來鏟裝爆破后的松散礦石，故其挖掘過程實質(zhì)上也就是鏟裝過程。當(dāng)挖掘機鏟裝松散礦石時，其循環(huán)過程主要是：通過行走機構(gòu)使挖掘機靠近作業(yè)場所；放松提升鋼絲繩下放鏟斗，在提升機構(gòu)和推壓機構(gòu)配合下鏟裝礦石；裝滿后將鏟斗提升到一定位置，利用回轉(zhuǎn)機構(gòu)將鏟斗轉(zhuǎn)到卸載地點，開啟斗底，物料借助自重卸載，然后空斗回轉(zhuǎn)，從而完成一個工作循環(huán)。機器的移動并不是每一個工

40、作循環(huán)都需要進(jìn)行的，只有在需要鏟裝的礦石不在機構(gòu)作業(yè)范圍內(nèi)時才移動。其工作的主要特點是：</p><p>　　1.挖掘時動臂傾斜角度不變； </p><p>　　2.鏟斗和斗桿在提升機構(gòu)和推壓機構(gòu)的配合下形成復(fù)雜的運動軌跡，以此滿足挖掘工作的需要；</p><p>　　3.正鏟挖掘只能在停機平面以上的工作面進(jìn)行挖掘或鏟裝，因有足夠大的提升力和推壓力，故可以用于裝硬度

41、大的巖石和挖掘各級土壤。 </p><p>　　2.2斗桿的結(jié)構(gòu)分析</p><p>　　在進(jìn)行單斗挖掘機設(shè)計時，已初步確定鏟斗容積、外形尺寸和工作尺寸等參數(shù)，對于鏟斗作撓性聯(lián)系的挖掘機來說，如拉鏟、抓斗等，其工作裝置的尺寸即可相應(yīng)地予以確定，但對于鏟斗作剛性聯(lián)系的正鏟挖掘機的工作裝置的設(shè)計，因為其工作裝置在滿足同樣工作尺寸的條件下，可以有不同的結(jié)構(gòu)方案。因此，在設(shè)計中要想得到較好

42、的結(jié)構(gòu)方案，必須對工作裝置的結(jié)構(gòu)做深入的分析、比較，才能取得一個良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計。</p><p>　　本次設(shè)計中的斗桿裝置采用雙梁外斗桿結(jié)構(gòu)。材質(zhì)選擇20號鋼，由于20號鋼是優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，而Q235是普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，同等條件下20鋼防腐蝕性能更強，因為其雜質(zhì)含量少，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕的幾率低，所以總體說來20號鋼的綜合性能比Q235鋼的好。</p><p>　　該斗桿是由箱形截面的雙梁構(gòu)成。

43、在靠近鏟斗的一端，兩側(cè)梁用中間橫梁連接起來。該橫梁用一個鋼板焊接成的，它把兩側(cè)斗桿連接起來。橫梁與每一側(cè)斗桿都用三個螺釘連接，其中兩個螺釘做成偏心的，可用來調(diào)節(jié)兩個側(cè)梁是否處于一個水平面內(nèi)。雙梁斗桿可以承受的載荷較大，并能承受由于挖掘時的偏心作用而產(chǎn)生的扭力，以及回轉(zhuǎn)時鏟斗和斗桿自重造成的慣性力矩。</p><p>　　2.3斗桿的設(shè)計計算</p><p>　　正鏟工作裝置的斗桿的標(biāo)準(zhǔn)長度

44、可按下式近似求得：</p><p>　　（2-1） </p><p>　　式中 ——標(biāo)準(zhǔn)的斗桿長度，[]為；</p><p>　　——挖掘機的工作重力，[]為；</p><p>　　——經(jīng)驗系數(shù)，取0.82。</p><p>　　普通結(jié)構(gòu)的帶有懸梁的標(biāo)準(zhǔn)正鏟鏟斗斗重(單位為)和鏟斗容積(單位為

45、)的關(guān)系可按下式求得：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中——經(jīng)驗系數(shù)，查表取15。</p><p>　　由式（2-2）得： </p><p>　　正鏟工作裝置的斗桿的質(zhì)量可按下式計算：</p><p><b>　　（2-3）</b>

46、</p><p>　　式中——標(biāo)準(zhǔn)長度的斗桿的質(zhì)量；</p><p>　　——帶有懸梁的標(biāo)準(zhǔn)鏟斗的質(zhì)量；</p><p><b>　　——經(jīng)驗系數(shù)。</b></p><p>　　由式（2-3）得：取，則；</p><p><b>　　取, 則。</b></p>

47、<p><b>　　工作裝置總重</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　式中——工作裝置總重。</p><p><b>　　由式（2-4）得：</b></p><p>　　大型礦用挖掘機工作裝置的質(zhì)量大約占整個挖掘機工作質(zhì)量的17

48、%，則</p><p>　　將上述結(jié)果代入式（2-1）： </p><p>　　取，則斗桿長度為11.02。</p><p>　　斗桿鉸接端端面高度：</p><p><b>　　斗桿小梁寬度：</b></p><p>　　斗桿小梁高寬比為1.7，則斗桿小梁高度為0.93。</p>

49、<p>　　2.4斗桿應(yīng)力的計算</p><p>　　桿單元的應(yīng)力分為兩項：正應(yīng)力和剪應(yīng)力，它們均由各應(yīng)力迭加而成,其中正應(yīng)力</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　式中—約束扭轉(zhuǎn)正應(yīng)力, ,其中,B為雙力矩(N?m2), 為廣義扇性面積(m2), 為廣義扇性慣矩(m6)；</p><

50、p>　　—彎曲正應(yīng)力， （2-6）；</p><p>　　—彎曲正應(yīng)力， （2-7）；</p><p>　　—拉伸正應(yīng)力， （2-8）</p><p>　　剪應(yīng)力

51、 （2-9）</p><p>　　式中—約束扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，； （2-10）</p><p>　　—自由扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，； （2-11）</p><p>　　，—剪力引起的剪應(yīng)力，</p><p>　　， （2-

52、12）</p><p>　　應(yīng)力計算時考慮以下兩個條件：</p><p>　　在內(nèi)力最大的截面上或內(nèi)力組合最大的截面上計算。</p><p>　　在截面上應(yīng)力最大點處迭加各應(yīng)力分量。</p><p>　　求得了單元的內(nèi)力后,根據(jù)單元的截面幾何特征便可作應(yīng)力計算。因為正應(yīng)力最大處，約束扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力為零，且約束扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力影響較小，所以在此不考慮約束

53、扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，本文主要分析斗桿因為正力發(fā)生的應(yīng)變。</p><p><b>　　斗桿模型的建立</b></p><p><b>　　UG概述</b></p><p>　　3.1.1應(yīng)用軟件UG簡介</p><p>　　UG是Unigraphics Solutions公司(簡稱UGS)為廣大客戶提供的一

54、種基于WINDOWS平臺的設(shè)計軟件，主要為汽車與交通、 航空航天、日用消費品、通用機械以及電子工業(yè)等領(lǐng)域通過其虛擬產(chǎn)品開發(fā)(VPD)的理念提供多級化的、集成的、企業(yè)級的包括軟件產(chǎn)品與服務(wù)在內(nèi)的完整的MCAD解決方案。其主要的CAD產(chǎn)品是UG。</p><p>　　UG公司的產(chǎn)品主要有為機械制造企業(yè)提供包括從設(shè)計、分析到制造應(yīng)用的Unigraphics軟件、基于Windows的設(shè)計與制圖產(chǎn)品Solid Edge、集

55、團(tuán)級產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)iMAN、產(chǎn)品可視化技術(shù)ProductVision以及被業(yè)界廣泛使用的高精度邊界表示的實體建模核心Parasolid在內(nèi)的全線產(chǎn)品。</p><p>　　UG在航空航天、汽車、通用機械、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療器械以及其它高科技應(yīng)用領(lǐng)域的機械設(shè)計和模具加工自動化的市場上得到了廣泛的應(yīng)用。多年來，UGS一直在支持美國通用汽車公司實施目前全球最大的虛擬產(chǎn)品開發(fā)項目，同時Unigraphics也是日本著名汽車

56、零部件的制造商DENSO公司的計算機應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，并在全球汽車行業(yè)得到了很大的應(yīng)用，如Navistar、底特律柴油機廠、Winnebago和Robert Bosch AG 等。另外， UGS公司在航空領(lǐng)域也有很好的的表現(xiàn)：在美國的航空業(yè)，安裝了超過10,000套UG軟件；在俄羅斯航空業(yè)，UG軟件具有90%以上的市場；在北美汽輪機的市場，UG軟件占80%。UGS在噴氣發(fā)動機行業(yè)也占有領(lǐng)先地位，擁有如Pratt & Whitney和GE

57、 噴氣發(fā)動機公司這樣的知名客戶。航空業(yè)的其它客戶還有：B/E航空公司、波音公司、 以色列飛機公司、英國航空公司、Northrop Grumman、伊爾飛機和Antonov。 UGS公司的產(chǎn)品同時還遍布通用機械、醫(yī)療器械、電子、高技術(shù)以及日用消費品等行業(yè)，如：3M、</p><p>　　Will-Pemco、Biomet、Zimmer、飛利浦公司、吉列公司、Timex、 Eureka 和Arctic Ca

58、t等。</p><p>　　UG具有豐富的曲面建模工具。包括直紋面、掃描面、通過一組曲線的自由曲面、通過兩組類正交曲線的自由曲面、曲線廣義掃掠、標(biāo)準(zhǔn)二次曲線方法放樣、等半徑和變半徑倒圓、廣義二次曲線倒圓、兩張及多張曲面間的光順橋接、動態(tài)拉動調(diào)整曲面、等距或不等距偏置、曲面裁減、編輯、點云生成、曲面編輯。</p><p>　　UG進(jìn)入中國已經(jīng)有九個年頭了，其在中國的業(yè)務(wù)有了很大的發(fā)展，中國已

59、成為遠(yuǎn)東區(qū)業(yè)務(wù)增長最快的國家。幾年來，UG在中國的用戶已超過800家，裝機量達(dá)到3500多臺套。 </p><p>　　3.1.2 UG軟件的特點</p><p><b>　　1、建模的靈活性 </b></p><p>　　復(fù)合建模：無需草圖,需要時可進(jìn)行全參數(shù)設(shè)計,無需定義和參數(shù)化新曲線——可直接利用實體邊緣。</p><

60、p>　　幾何特征：具有凸墊、鍵槽、凸臺、斜角、挖殼等特征、用戶自定義特征 、引用模式 。</p><p>　　光順倒圓:業(yè)界最好的倒圓技術(shù)，可自適應(yīng)于切口、陡峭邊緣及兩非鄰接面等幾何構(gòu)形，變半徑倒圓的最小半徑值可退化至極限零。</p><p>　　2、協(xié)同化裝配建模 </p><p>　　可提供自頂向下、自底向上兩種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)定義方式并可在上下文中設(shè)計

61、／編輯，高級的裝配導(dǎo)航工具，可圖示裝配樹結(jié)構(gòu)，可方便快速的確定部件位置，對裝配件的簡化表達(dá)，隱藏或關(guān)掉特定組件。局部著色，強大的零件間的相關(guān)性 ，配對條件，零件間的表達(dá)式（關(guān)系），協(xié)同化團(tuán)隊工作，可方便的替換產(chǎn)品中任一零部件，刷新部件以取得最新的工作版本，團(tuán)隊成員可并行設(shè)計產(chǎn)品中各子裝配或零件。</p><p>　　3、直觀的二維繪圖 </p><p>　　對制圖員來講，簡單并富于邏輯性，

62、剖視圖自動相關(guān)于模型和剖切線位置，正交視圖的計算和定位可簡便的由一次鼠標(biāo)操作完成，自動隱藏線消除，自動尺寸排列——不需要了解設(shè)計意圖，自動工程圖草圖尺寸標(biāo)注。 </p><p><b>　　參考模型的創(chuàng)建</b></p><p>　　礦用挖掘機的斗桿為雙梁箱形斷面焊接結(jié)構(gòu)，在靠近鏟斗的一端，兩根斗桿之間用一根橫梁連接起來，構(gòu)成一個整體，如圖3-1，3-2，3-3所示。

63、</p><p>　　圖3-1 斗桿參考模型</p><p>　　圖3-2 斗桿參考模型</p><p>　　圖3-3 斗桿參考模型</p><p>　　3.3斗桿模型的導(dǎo)入過程</p><p>　　進(jìn)入ANSYS用戶界面，如圖3-4，3-5所示點擊應(yīng)用菜單file-import-ug，出現(xiàn)對話框ANSYS Conne

64、ction for ug,選擇*prt文件所在路徑，進(jìn)行導(dǎo)入。</p><p>　　圖3-4 導(dǎo)入路徑過程圖</p><p>　　圖3-5導(dǎo)入路徑過程圖</p><p>　　經(jīng)過數(shù)據(jù)的傳遞，得到*db模型如下圖3-6所示:</p><p>　　圖3-6 導(dǎo)入ANSYS的斗桿模型</p><p>　　斗桿的有限元仿真分析

65、</p><p>　　4.1 有限元方法概述</p><p>　　有限元方法(Finite Element Method)是一種借助計算機進(jìn)行工程分析的離散化數(shù)值方法。它首先應(yīng)用于航空工程，由于其方法的有效性，迅速被推廣應(yīng)用于機械、建筑和造船等工程部門。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍更加廣闊，幾乎可以推廣應(yīng)用于所有求解連續(xù)介質(zhì)和場的力學(xué)及數(shù)學(xué)物理方程問題。</p><

66、;p>　　有限元方法求解力學(xué)問題的基本思想是:將一個連續(xù)的求解域離散化，即分割成彼此用節(jié)點(離散點)互相聯(lián)系的有限個單元，一個連續(xù)彈性體被看作是有限個單元體的組合。根據(jù)一定精度要求，用有限個參數(shù)來描述各單元體的力學(xué)特性，而整個連續(xù)體的力學(xué)特性就是構(gòu)成它的全部單元體的力學(xué)特性的總和。基于這一原理及各種物理量的平衡關(guān)系，建立起彈性體的剛度方程(即一個線性代數(shù)方程組)，求解該剛度方程，即可得出欲求的參量。</p><

67、p>　　有限元方法按照所選用的基本未知量和分析方法的不同，可分為兩種基本方法，一種是以應(yīng)力分析計算為例，以節(jié)點位移為基本未知量，在選擇適當(dāng)?shù)奈灰坪瘮?shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行單元的力學(xué)特征分析，在節(jié)點處建立平衡方程(即單元的剛度方程)，合并組成整體剛度方程，求解出節(jié)點位移，可再由節(jié)點位移求解應(yīng)力，這種方法稱為位移法；另一種是以節(jié)點力為基本未知量，在節(jié)點上建立位移連續(xù)方程，解出節(jié)點力后，再計算節(jié)點位移和應(yīng)力，這種方法稱為力法。一般來說，用力法求

68、得的應(yīng)力較位移法求得的精度高，但位移法比較簡單，計算規(guī)律性強，且便于編寫計算機通用程序，因此，在用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時，大多采用位移法，機械產(chǎn)品的零部件，特別是基礎(chǔ)大件，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點及受力狀態(tài)一般情況屬于空間問題求解。對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如不作任何簡化，將導(dǎo)致計算工作復(fù)雜化，花費大量人力和財力，有時甚至難以實現(xiàn)。因此，在保證計算精度的前提下，應(yīng)盡可能地進(jìn)行簡化。有限元法不僅對計算對象有較強的模型化能力，而且求解問題的范圍十分廣泛。包括位

69、移計算、應(yīng)力計算、</p><p>　　溫度場計算、穩(wěn)定性計算、自振特性和動力響應(yīng)計算、接觸問題計算、斷裂計算以及撞擊、損傷、疲勞等問題:計算對象包括結(jié)構(gòu)、流體、巖土;材料包括彈性、塑性、粘彈性、熱塑性以及復(fù)合材料、聚合材料等新型材料。除了固體和流體力學(xué)問題外，有限元法還應(yīng)用于金屬和塑料成型、電磁場分析、無損探傷、優(yōu)化設(shè)計等許多專門領(lǐng)域。</p><p>　　有限元方法又稱有限元素法（Th

70、e Finite Element Method,簡寫為FEM），是求解邊值或初值問題，建立在特定場函數(shù)離散化基礎(chǔ)上的一種數(shù)值方法，是 20世紀(jì)中期興起的應(yīng)用數(shù)學(xué)、力學(xué)及計算機科學(xué)相互滲透、綜合利用的交叉學(xué)科。</p><p>　　有限元方法的實質(zhì)是用有限個單元體的組合代替連續(xù)體，化無限自由度問題為有限自由度問題；是用有限子域的組合代替一個連續(xù)域，化連續(xù)場函數(shù)的微分方程求解問題為有限個參數(shù)的代數(shù)方程組求解問題。對于

71、大多數(shù)形狀和邊界條件復(fù)雜的工程問題，要想獲得問題的解析解答是不可能的，只能尋求各種近似的數(shù)值方法，而有限元方法是一種行之有效的數(shù)值分析方法。</p><p>　　4.2 有限元方法的歷史</p><p>　　有限元法始于本世紀(jì)四十年代初期，當(dāng)時數(shù)學(xué)家R.Courant用三角形單元計算棱桿的扭轉(zhuǎn)問題，M.J. Turner將這一方法運用到工程設(shè)計中并加以推廣，在五十年代中期，他們用平面分析法

72、求解了復(fù)雜的飛機結(jié)構(gòu)問題。他們得到的有限元分析方程屬于以節(jié)點位移為未知量的矩陣位移方法。M.J.Turner的顧問R.Courant把這種新的工程計算方法拓廣到土木工程上，并在一篇題為“平面分析的有限單元法”論文中首先使用“有限元法”（Finite Element Method）這個名稱。初期的有限元都是以單一的位移場作為未知量，它在單元間邊界上滿足協(xié)調(diào)條件，故稱之為位移元或協(xié)調(diào)元。位移元有列式簡單、計算量小、易于在計算機上實施的優(yōu)點。

73、當(dāng)然也有其缺陷，對于平板彎曲問題與薄殼問題，在引用變分法時，位移元要求撓度及其導(dǎo)數(shù)都連續(xù)，這樣很難建立單元內(nèi)插值形函</p><p>　　函數(shù)。另外，位移元對于奇異性問題效率較低，對不可壓縮材料存在“自鎖”現(xiàn)象。</p><p>　　六十年代中期，美國麻省理工學(xué)院卞學(xué)磺教授提出了一種新的有限元模型。最初，這種模型基于最小余能列式，在單元內(nèi)部假設(shè)應(yīng)力，同時獨立的在單元邊界上假設(shè)位移。由于不需

74、要單元內(nèi)部位移，所以前面提到的問題都不存在了。1976年，卞學(xué)磺教授將這一模型取名為“雜交應(yīng)力模型”。1968年，卞學(xué)磺和董平提出在單元鄰界上為了保持單元間面力平衡，約束條件要由一個新的獨立變量即單元鄰界上的協(xié)調(diào)位移作為拉氏乘子引入，于是得到修正的余能原理。由此以后，借助于單元邊界上的拉氏乘子建立起來的有限元都稱之為“雜交元”。雜交元避免了“自鎖”問題，對非線性問題如彈塑性問題或蠕變問題，雜交應(yīng)力元的精度相對位移元來說，也有需要改進(jìn)的地

75、方。例如，假設(shè)應(yīng)力時，往往有許多可能，而應(yīng)力與位移搭配不當(dāng)，就會出現(xiàn)多余機動模式。</p><p>　　七十年代初，E.L.Wilson等人提出了非協(xié)調(diào)單元，即在單元位移插值中附加內(nèi)部節(jié)點的位移項，使插值函數(shù)中的二次項趨于完備，從而改進(jìn)了位移等參 元的計算精度。但它對任意形狀的單元不能通過補片試驗。R.L.Taylor給出了 通過補片試驗的補救方法，即用等參座標(biāo)元點處的雅可比值來代替雅可比矩 陣。&l

76、t;/p><p>　　八十年代初，唐立民，陳萬吉等人提出了擬協(xié)調(diào)元，它通過對幾何方程的加權(quán)積分進(jìn)行離散來得到假設(shè)的應(yīng)力參數(shù)與節(jié)點位移的關(guān)系。這里應(yīng)力與應(yīng)變有相同的插值函數(shù)。從變分法來看，擬協(xié)調(diào)元是基于Hu-Washizu廣義變分原理，以位移場、應(yīng)力場、應(yīng)變場為變量的多變量有限元。</p><p>　　到現(xiàn)在，基于有限元技術(shù)的大型通用程序已發(fā)展得非常完善，廣泛的應(yīng)用于各個工程領(lǐng)域。</p&

77、gt;<p>　　4.3 有限元方法的基本思想</p><p>　　假想把彈性連續(xù)體分割成數(shù)目有限的單元，并認(rèn)為相鄰單元之間僅在節(jié)點</p><p>　　處相連。根據(jù)物體的幾何特征、載荷特征、邊界約束特征等，單元有各種類型。切點一般都在單元邊界上。切點的位移分量作為結(jié)構(gòu)的基本未知量，這樣組成的有限元單元集合體，并引進(jìn)等效節(jié)點力及節(jié)點的約束條件，由于節(jié)點數(shù)目有限，就成為具有有限

78、自由度的有限元計算模型。它代替了原來具有無限自由度的連續(xù)體，也就是有限元離散化。</p><p>　　在此基礎(chǔ)上，對每一單元根據(jù)分塊近似的思想，假設(shè)一個簡單的函數(shù)來近似模擬其位移分量的分布規(guī)律，即選擇位移模式，再通過虛功原理(或變分原理或其它方法)求得每個單元的平衡方程，這就建立了單元節(jié)點與節(jié)點應(yīng)力之間的關(guān)系。</p><p>　　最后，把所有單元的這種特性關(guān)系，按照保證節(jié)點位移連續(xù)和節(jié)點

79、應(yīng)力平衡的方式集合起來，就可以得到整個物體的平衡方程組。引入邊界約束條件后，解此方程組，就求得節(jié)點位移，并可計算出各單元應(yīng)力。</p><p>　　從上述論述可見，有限元法的實質(zhì)是把具有無限多個自由度的彈性連續(xù)體，理想化為只有有限個自由度的單元集合體，使問題化為適合于數(shù)值解法的結(jié)構(gòu)型問題。因此，只要研究并確定有限個小單元的力學(xué)特性，就可以根據(jù)結(jié)構(gòu)分析的方法求解，使問題得到簡化。</p><p&

80、gt;　　4.4 有限元分析方法的概括</p><p><b>　　1、物體的離散化</b></p><p>　　就是將擬分析的物體假想地分成有限個分區(qū)、分塊或分塊的集合體表示原來的物體，籍此建立起單元力學(xué)分量與未知分量的關(guān)系式。</p><p>　　2、挑選形函數(shù)或插值函數(shù)</p><p>　　物體或結(jié)構(gòu)離散化后，用被

81、稱為位移模式或位移函數(shù)的近似函數(shù)對單元內(nèi)</p><p>　　的一些力學(xué)量進(jìn)行描述，單元的位移模式需滿足一定的條件。</p><p><b>　　3、確定單元的性質(zhì)</b></p><p>　　所謂確定單元的性質(zhì)就是對單元的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行描述。一般用單元的剛度</p><p>　　矩陣 （或柔度矩陣）來描述單元的性質(zhì)，確立

82、單元節(jié)點力與位移的關(guān)系。</p><p>　　4、組成物體的總性質(zhì)方程組</p><p>　　組成物體的總性質(zhì)方程組就是由單元剛度矩陣集成表示整個物體性質(zhì)的總剛度矩陣（或總?cè)岫染仃嚕?，從而建立起整個物體已知量—總節(jié)點載荷與整個物體的未知量—總節(jié)點位移或應(yīng)力的關(guān)系。</p><p><b>　　5、解方程組</b></p><

83、p>　　上述所形成的總性質(zhì)方程組往往數(shù)目龐大，可能是幾十個、幾百個、甚至于成百上千萬個，對于這些方程組需要運用一定的計算數(shù)學(xué)方法解出其未知數(shù)。</p><p><b>　　6、進(jìn)一步計算</b></p><p>　　在求得整個結(jié)構(gòu)物的未知量后，可進(jìn)一步求得單元的未知量。在有限元法的物理—數(shù)學(xué)描述中，一般有兩種求解微分方程的方法：力法和位移法。由于位移法可以滿足動

84、力學(xué)的協(xié)調(diào)性，并且通過借助于與時間有關(guān)的位移矢量，可用于動態(tài)和非線性問題，同時通過與位置有關(guān)的附加函數(shù)可保證滿足幾何的邊界條件，所以有限元法一般都采用位移法求解。</p><p>　　由上面的過程還可以看出，用有限元法解決問題工作量很大，不借助于電子計算機的幫助，有限元法的廣泛應(yīng)用是相當(dāng)困難的。</p><p>　　4.5 應(yīng)用軟件 ANSYS的介紹</p><p>

85、;　　4.5.1 ANSYS軟件簡介</p><p>　　ANSYS系統(tǒng)是由美國ANSYS公司研制開發(fā)的一個大型通用分析軟件，它融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體，在核工業(yè)、鐵道、石油化工二航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　自1970年美國匹茲堡大學(xué)里學(xué)教授John S

86、wanson博士開發(fā)出ANSYS以來，在30多年發(fā)展過程中，ANSYS不斷改進(jìn)提高，功能不斷增強。ANSYS軟件是第一個通過ISO 9001 質(zhì)量認(rèn)證的大型分析設(shè)計類軟件，是美國機械工</p><p>　　程師協(xié)會（ASME）、美國核安全局（NQA）及近二十種專業(yè)技術(shù)協(xié)會認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件。</p><p>　　4.5.2 ANSYS的主要特點</p><p>　　

87、1、能實現(xiàn)單場及多場耦合分析功能。</p><p>　　用戶不但可用其進(jìn)行諸如結(jié)構(gòu)、熱、流體、電、磁等的單獨研究，還可以通過多場耦合處理工具，實現(xiàn)復(fù)雜的多物理場耦合分析。例如：熱——結(jié)構(gòu)耦合，磁——結(jié)構(gòu)耦合以及電——磁——流體——熱耦合等。</p><p>　　2、能夠?qū)崿F(xiàn)前后處理、求解及多場分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的一體化。</p><p>　　在分析過程中，ANSYS將所

88、有的數(shù)據(jù)保存在同一數(shù)據(jù)庫中，它用不同的擴展名區(qū)別不同的文件。這樣不但方便了用戶操作，還使用戶可在前后處理的任意時刻訪問任意數(shù)據(jù)，同時為多場數(shù)據(jù)提供了良好的管理。</p><p>　　3、具有多物理場優(yōu)化功能。</p><p>　　ANSYS引入變分技術(shù)，使得優(yōu)化過程不再進(jìn)行多次疊代，一次性計算就可以得到優(yōu)化設(shè)計，并可以進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化和離散優(yōu)化。</p><p>　　

89、4、顯式、隱式算法的互補，擴大了ANSYS的非線性求解范疇，從一般的非線性問題直至爆炸力學(xué)問題均可以在ANSYS中得到解決，顯式、隱式交替計算，可很好的解決動力學(xué)中沖擊與靜態(tài)問題并存的過程。</p><p>　　5、多種求解器分別適用于不同問題及不同的硬件配置。</p><p>　　6、支持從微機、工作站到巨型機的所有硬件平臺，以及所有平臺之間的并行計算。</p><p

90、>　　7、支持異種、異構(gòu)平臺的網(wǎng)絡(luò)浮動，在異種、異構(gòu)平臺上用戶界面統(tǒng)一、數(shù)據(jù)文件全部兼容。</p><p>　　8、多種自動網(wǎng)格劃分技術(shù)。</p><p>　　ANSYS提供了四種網(wǎng)格劃分技術(shù)：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。此外，ANSYS還可以實現(xiàn)自由網(wǎng)格到映像網(wǎng)格的過渡，也可以根</p><p>　　據(jù)結(jié)構(gòu)位移調(diào)整流體網(wǎng)格等。</p>

91、;<p>　　9、豐富的CAD接口。</p><p>　　ANSYS可與大多數(shù)的CAD軟件集成并有接口，利用ANSYS提供的數(shù)據(jù)接口，可精確地將在CAD系統(tǒng)下生成的幾何數(shù)據(jù)傳入ANSYS中，并對其分網(wǎng)求解。這樣就不必因為在分析系統(tǒng)中重新建模而浪費時間。</p><p>　　10、多層次多框架的產(chǎn)品系列。</p><p>　　產(chǎn)品系列由一整套可擴展的、靈

92、活集成的各模塊組成，因而能滿足各行各業(yè)的工程需要。也因此，用戶只需要購買自己需要的模塊即可，從而節(jié)約費用。</p><p>　　11、良好的用戶開發(fā)環(huán)境。</p><p>　　ANSYS具有宏(Macro )、參數(shù)設(shè)計語言(APDL)、用戶可編程特性三個層次的用戶開發(fā)功能，可以綜合應(yīng)用菜單、對話框、工具條、命令行輸入、圖形化輸出等多種方式，從而使應(yīng)用更加方便。</p><

93、;p>　　12、方便的二次開發(fā)功能。</p><p>　　應(yīng)用宏、參數(shù)化設(shè)計語言、用戶可編程特性、用戶自定義界面語言、外部命令等功能，可以開發(fā)出適合自己特點的應(yīng)用程序。</p><p>　　4.6 有限元模型的建立</p><p>　　ANSYS的有限元分析功能雖然強大，但它的實體造型功能相對薄弱，用它創(chuàng)建具有復(fù)雜特征的零件是相當(dāng)繁瑣和困難的。由于工作裝置結(jié)構(gòu)

94、較為復(fù)雜，可以先在UG中創(chuàng)建實體模型，再將*.prt模型傳給ANSYS以進(jìn)行有限元分析。</p><p>　　為了保證計算精度，網(wǎng)格要盡量劃分的細(xì)一些。同時還要考慮到計算時間。所以在不影響計算結(jié)果的情況下，將網(wǎng)格劃分的要粗一些。該模型劃分網(wǎng)格時使用的是六面體網(wǎng)格，并且處于必要性同時也是為了控制網(wǎng)格的數(shù)量，不同的部分網(wǎng)格的大小也不一樣，受力大的部分網(wǎng)格要劃得密一些。</p><p>　　4.

95、7 單元類型的選擇</p><p>　　由于工作裝置的實際結(jié)構(gòu)主要是由薄鋼板焊接成的，且?guī)缀文Ｐ秃軓?fù)雜，故劃分有限元模型的單元類型選擇三維實體單元Solid45。</p><p>　　Solid45單元類型一般用于規(guī)則實體結(jié)構(gòu)模型，單元通過8個節(jié)點來定義，每個節(jié)點有、、三個方向的移動自由度。該單元有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力剛化、大變形和大應(yīng)變的性能。因此Solid45單元可以滿足此計算的要求

96、。</p><p>　　圖4-1 SOLID45幾何描述</p><p>　　4.8 網(wǎng)格劃分簡介</p><p>　　4.8.1選擇網(wǎng)格劃分方式</p><p>　　ANSYS提供兩種網(wǎng)格劃分方式：自由網(wǎng)格和映射網(wǎng)格。所謂“自由”，體現(xiàn)在沒有特定的準(zhǔn)則，對單元形狀無限制，生成的單元不規(guī)則，基本適用于所有的模型。映射網(wǎng)格則要求滿足一定的規(guī)則，

97、且映射面網(wǎng)格包含四邊形和三角形單元，而映射體網(wǎng)格只包含六面體單元。映射網(wǎng)格生成的單元形狀比較規(guī)則，映射網(wǎng)格只適用于形狀規(guī)則的體和面。</p><p>　　自由網(wǎng)格生成的內(nèi)部節(jié)點位置比較隨意，用戶無法控制。若想要控制內(nèi)部</p><p>　　節(jié)點的位置，用戶應(yīng)考慮選擇映射網(wǎng)格。</p><p>　　4.8.2指定單元劃分形狀</p><p>　

98、　在劃分生成的二維單元及三位單元時，可以定義單元形狀。二維單元可以定義為四邊形或三角形，三維單元可以定義為六面體或四面體。</p><p>　　圖4-2斗桿有限元模型</p><p><b>　　4.9 邊界條件</b></p><p>　　斗桿在正常挖掘時，其上端部受到推壓裝置的限制，在挖掘時受到推壓力及支反力的作用，下端部與鏟斗鉸接，鏟斗受

99、到提升機構(gòu)的提升力及礦石的重力作用。在實際處理時，把斗桿固接于鏟斗上，即認(rèn)為斗桿為懸臂結(jié)構(gòu)。在約束斗桿時，由于提升力和礦石重力的作用作用點在鏟斗上，所以約束住斗桿與推壓裝置相連接的一端，這樣就可以直接將力施加于各受力節(jié)點上。</p><p>　　4.10 工況的確定及載荷計算</p><p><b>　　4.10.1工況1</b></p><p&g

100、t;　　1、該工況下，工作裝置位置描述</p><p>　　斗桿處于理論水平位置并且全部伸出，斗齒尖處于推壓軸高度，挖掘處于</p><p>　　推壓軸高度的礦石，鏟斗裝滿礦石，鏟斗遇到了堅硬的礦石，提升滑輪組作用力達(dá)到了最大值。具體工作位置如圖4-3所示。</p><p>　　2、該工況下載荷確定</p><p>　　該工況下工作裝置受力如

101、圖4-3所示。計算時以受力位置為計算位置，表4-1為工作裝置受力值。</p><p>　　——提升力；——卷筒周邊鋼繩拉力；——最大推壓反力；——變幅鋼繩拉力；、——動臂支座反力沿、軸向分力；——側(cè)向挖掘阻力；——動臂重力；——鏟斗重力；——鏟斗內(nèi)礦石重力；——斗桿重力。</p><p>　　圖4-3工況1工作裝置受力圖</p><p>　　表4-1工作裝置受力值&

102、lt;/p><p>　　3.該工況下斗桿受力分析 </p><p>　　鏟斗受力有礦石對斗齒的反作用力、，它們作用在斗邊的斗齒上；挖掘時遇到了堅硬的礦石，產(chǎn)生橫向力；鏟斗自重，斗桿自重和這些重量造成推壓軸處置反力。斗桿上具體加載方式如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4 斗桿受力加載模型</p><p><b>　　4.10.2

103、工況2</b></p><p>　　1、該工況下，工作裝置位置描述</p><p>　　特殊挖掘工況，動臂處于最小傾角，斗桿全伸出，其方向垂直于動臂的中</p><p>　　心線，此時鏟斗進(jìn)行挖掘，斗內(nèi)裝滿礦石。具體工作位置如圖4-7所示。</p><p>　　2、該工況下載荷確定</p><p>　　該工

104、況下工作裝置受力如圖4-5所示。計算時以受力位置為計算位置，表4-2為該工況工作裝置受力值。</p><p>　　表4-2工作裝置在工況2時受力值 —提升力；—與相對應(yīng)的卷筒周邊鋼繩拉力；—推壓反力；—變幅鋼繩拉力；、—動臂支座反力沿、軸向分力；—作用在斗子側(cè)邊齒上的側(cè)向挖掘阻力；—動臂重力；—鏟斗重力；—鏟斗內(nèi)礦石重力；—斗桿重力 圖4-5工作裝置在

105、工況2的受力圖</p><p>　　3.該工況下斗桿受力分析</p><p>　　鏟斗受力有礦石對斗齒的反作用力、，它們作用在斗邊的斗齒上；挖掘時礦石對其產(chǎn)生橫向力；鏟斗自重，斗桿自重和這些重量造成推壓軸處置反力、。斗桿具體加載方式如圖4-6所示。</p><p>　　圖4-6斗桿受力加載模型</p><p>　　4.11 斗桿強度剛度分析&

106、lt;/p><p>　　根據(jù)前面確定的載荷及約束情況，通過計算可以得到上述兩個工況的計算結(jié)果。</p><p>　　4.11.1 工況1</p><p><b>　　1．斗桿應(yīng)力分布</b></p><p>　　該工況下，斗桿的應(yīng)力分布如圖4-7所示。</p><p>　　圖4-7斗桿應(yīng)力分布云圖&l

107、t;/p><p>　　由斗桿應(yīng)力分布云圖4-7可以看出斗桿與鏟斗固結(jié)處應(yīng)力較大為。由于挖掘時遇到堅硬的礦石，提升力達(dá)到最大值，挖掘力達(dá)到最大值，推壓裝置的推壓力達(dá)到最大值，鏟斗滿載，斗桿處于理論水平位置，所以這些力對該處產(chǎn)生的力矩達(dá)到最大值，同時斗桿自重造成的彎矩最大。根據(jù)實際經(jīng)驗，在此工況，斗桿與鏟斗固結(jié)處為危險截面，從分析結(jié)果來看與實際情況基本相符。</p><p>　　從斗桿應(yīng)力分布云圖

108、上還可以看出斗桿與推壓軸接觸處應(yīng)力最大，達(dá)到。計算時約束住斗桿與推壓軸接觸處，此時斗桿可以看作是懸臂梁，懸臂梁固定端受到的應(yīng)力都較大，所以此處為危險截面。</p><p>　　4.11.2 工況2</p><p><b>　　1.斗桿應(yīng)力分布</b></p><p>　　該工況下，斗桿的應(yīng)力分布如圖4-8所示。</p><p

109、>　　圖4-8 斗桿應(yīng)力分布云圖</p><p>　　從圖4-8斗桿應(yīng)力分布云圖中可以看到，斗桿與推壓裝置接觸處有最大應(yīng)力，應(yīng)力值為。此時斗桿仍被看作是懸臂梁，梁固定端受力較大，視為危險截面。</p><p>　　從圖4-8斗桿應(yīng)力分布云圖中還可以得到，斗桿與鏟斗固結(jié)處仍有較大應(yīng)力，應(yīng)力值為。提升力、挖掘力、推壓力、斗桿自重、鏟斗及礦石重力，這些力對該處產(chǎn)生的力矩。</p>

110、;<p><b>　　結(jié)論</b></p><p><b>　　5.1結(jié)論</b></p><p>　　本文在有限元基本理論的指導(dǎo)下，運用挖掘機部分裝置的現(xiàn)代設(shè)計方法，實現(xiàn)了一種基于UG和ANSYS軟件對于挖掘機斗桿裝置進(jìn)行自動化分析的策略。</p><p>　　在計算斗桿尺寸參數(shù)，分析斗桿結(jié)構(gòu)及約束的基礎(chǔ)上

111、，應(yīng)用UG軟件建立了挖掘機斗桿的特征模型</p><p>　　基于在動力學(xué)理論獲得挖掘機斗桿的受力數(shù)據(jù)，應(yīng)用ANSYS軟件對斗桿進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力的有限元分析。</p><p><b>　　5.2展望</b></p><p>　　當(dāng)前，我國挖掘機行業(yè)正處在一個歷史性發(fā)展關(guān)鍵時期。2000年我國挖掘機產(chǎn)量為8111臺，2001年猛增到12569臺，挖

112、掘機的銷量也從2000年的7926臺躍升到2001年的12397臺。2001年與2000年比較，全國挖掘機的產(chǎn)、銷量分別增長55%和56%。2002年是我國工程機械行業(yè)歷史上增長速度最快、經(jīng)濟(jì)形勢最好的一年，堪稱“井噴之年”。挖掘機產(chǎn)品全年銷量1.9萬臺，同比增長58%，挖掘機在整個工程機械行業(yè)中是產(chǎn)、銷量增長最快的機種之一。2004年國內(nèi)生產(chǎn)銷售挖掘機33000臺，比2003年回落1000余臺，其中出口較往年有大幅增長，達(dá)到2000多