工程機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真應(yīng)用

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【摘要】工程機(jī)械使用中會(huì)因?yàn)閼?yīng)力集中、工況復(fù)雜等發(fā)生結(jié)構(gòu)件斷裂等故障。如何在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行有效規(guī)避，是工程機(jī)械行業(yè)設(shè)計(jì)的一大難題。經(jīng)對(duì)比研究，利用Virtual.Lab軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)應(yīng)力分析，可以很好解決此類(lèi)問(wèn)題。以挖掘機(jī)為例，在軟件系統(tǒng)中我們模擬挖掘機(jī)整車(chē)運(yùn)行系統(tǒng)，生成剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型，采用模態(tài)綜合法將挖機(jī)各主結(jié)構(gòu)件作為柔性體置于整車(chē)模型中，計(jì)算各結(jié)構(gòu)件的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，同時(shí)配合實(shí)際的對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該多體動(dòng)力學(xué)模型能較好地反映挖掘機(jī)實(shí)際應(yīng)力測(cè)試工況的動(dòng)力學(xué)特性。經(jīng)多次測(cè)試，可以利用動(dòng)態(tài)仿真方法在挖機(jī)故障分析中進(jìn)行應(yīng)用，此方法代替了整機(jī)實(shí)際的應(yīng)力測(cè)試，具有較高的工程應(yīng)用和推廣價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】工程機(jī)械；動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真；應(yīng)用

前言

在工程機(jī)械施工中，挖掘機(jī)因其施工條件惡劣，施工環(huán)境復(fù)雜，施工強(qiáng)度大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件容易開(kāi)裂，最終導(dǎo)致挖掘機(jī)無(wú)法正常施工，影響工作效率，甚至引發(fā)安全事故。同時(shí)因?yàn)橥诰驒C(jī)結(jié)構(gòu)件開(kāi)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(jià)值。經(jīng)過(guò)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)故障挖掘機(jī)分析發(fā)現(xiàn)，挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件開(kāi)裂故障多數(shù)由挖掘機(jī)的疲勞使用引起，應(yīng)力集中最終導(dǎo)致故障發(fā)生。挖掘機(jī)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試可以很好發(fā)現(xiàn)這些故障點(diǎn)，從而在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)予以改進(jìn)。但實(shí)際動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)主要面臨試驗(yàn)成本高、試驗(yàn)周期長(zhǎng)等問(wèn)題。所以挖掘機(jī)動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真正好規(guī)避了此類(lèi)問(wèn)題，成為一個(gè)最適宜使用的替代解決方案。結(jié)構(gòu)件動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真計(jì)算目前已成為機(jī)械仿真技術(shù)研究熱點(diǎn)，在技術(shù)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(yīng)力疊加法、混合方法等[1~4]。在對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)件動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真計(jì)算測(cè)試過(guò)程中，各主結(jié)構(gòu)件的實(shí)際載荷受測(cè)試動(dòng)作、實(shí)際結(jié)構(gòu)、聯(lián)合動(dòng)作等諸多因素影響，難以提取實(shí)際載荷對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行單獨(dú)的分析，所以考慮把多個(gè)結(jié)構(gòu)件作為一個(gè)柔性體進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，將此柔性體置于挖掘機(jī)整車(chē)剛?cè)狁詈隙囿w模型中，采用模態(tài)綜合法計(jì)算各結(jié)構(gòu)件的動(dòng)應(yīng)力，對(duì)整車(chē)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)分析。實(shí)驗(yàn)表明，此方法能夠準(zhǔn)確地模擬挖掘機(jī)各結(jié)構(gòu)件的真實(shí)受力狀況并顯示出來(lái)。仿真測(cè)試不僅可以模擬各結(jié)構(gòu)件在挖掘機(jī)實(shí)際應(yīng)力測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生的瞬時(shí)應(yīng)力分布云圖，而且可以得到模型中任意結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵部位對(duì)應(yīng)的動(dòng)應(yīng)力-時(shí)間分析圖，經(jīng)對(duì)比，其效果和挖掘機(jī)測(cè)試過(guò)程中實(shí)際數(shù)據(jù)基本保持一致。

1挖掘機(jī)力學(xué)模型

經(jīng)過(guò)對(duì)其簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，在圖中建立所示的模擬坐標(biāo)系XOY，使其置于工作裝置的垂直對(duì)稱平面內(nèi)，O點(diǎn)與挖掘機(jī)大臂動(dòng)力軸心鉸點(diǎn)A重合，X軸與停機(jī)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(cè)試中可以忽略各搖桿和連桿等自重的影響，考慮挖掘機(jī)作業(yè)過(guò)程中工作裝置受到的主動(dòng)力有油缸壓力和自身重力，被動(dòng)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(diǎn)簡(jiǎn)化，得到作用于J點(diǎn)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(duì)G、B、A三個(gè)鉸點(diǎn)列力矩平衡方程如下：以鏟斗為研究對(duì)象，對(duì)G點(diǎn)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(duì)象，對(duì)B點(diǎn)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(duì)象，對(duì)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(jī)整車(chē)多體動(dòng)力學(xué)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(diào)整挖掘姿態(tài)和回轉(zhuǎn)角度，快速建立挖掘機(jī)多體動(dòng)力學(xué)整機(jī)模型；同時(shí)該軟件具有很強(qiáng)的有限元分析功能，尤其是對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛?cè)狁詈戏抡嫘阅?，方便提取?dòng)態(tài)應(yīng)力；還具有強(qiáng)大的履帶建模功能，快速建立挖掘機(jī)履帶模型。在Pro/E軟件中進(jìn)行三維建模后，需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，刪除螺栓、輸油管、銷(xiāo)軸、線束、管夾等對(duì)分析影響不大的小零件，輸出STP格式文件作為與多體動(dòng)力學(xué)軟件的接口。在多體動(dòng)力學(xué)軟件中對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行裝配，主要包括鏟斗、斗桿、動(dòng)臂、平臺(tái)、下車(chē)、搖桿、連桿、四輪一帶、油缸桿、油缸筒等，作為獨(dú)立部件；另外平臺(tái)上發(fā)動(dòng)機(jī)、泵、閥、散熱器等附件簡(jiǎn)化為質(zhì)量點(diǎn)代替。根據(jù)挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，規(guī)劃各部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系并施加約束。設(shè)置旋轉(zhuǎn)副代替銷(xiāo)軸與軸套的運(yùn)動(dòng)、移動(dòng)副代替油缸運(yùn)動(dòng)，將回轉(zhuǎn)支撐與平臺(tái)、下車(chē)連接的螺栓采用彈簧模擬，下車(chē)履帶板之間設(shè)置彈簧連接，履帶板與各個(gè)輪子之間定義接觸，將地面模型設(shè)置固定約束，將鏟斗、履帶與地面之間設(shè)置接觸。將挖掘機(jī)主結(jié)構(gòu)件（動(dòng)臂、斗桿、平臺(tái)、下車(chē)）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(wàn)以內(nèi)，柔性體替換對(duì)應(yīng)的剛體模型，柔性體裝配流程所示。將柔性體與其他構(gòu)件連接時(shí)須在柔性體上建立外部連接點(diǎn)，采用剛性連接單元Reb2，柔性體連接點(diǎn)坐標(biāo)值與對(duì)應(yīng)的多體動(dòng)力學(xué)模型坐標(biāo)需一致。

3多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算

求解器設(shè)置中分析類(lèi)型設(shè)為DYNAMIC，全局坐標(biāo)系Y軸負(fù)向?yàn)橹亓?chǎng)方向，采樣步長(zhǎng)0.01s，最大積分步長(zhǎng)0.001s，積分?jǐn)?shù)值方法采用BDF算法，量綱為毫米、噸、牛頓。通過(guò)對(duì)挖掘機(jī)三組油缸推力（由測(cè)得的油缸壓力推算）、油缸位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以此作為多體仿真分析的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，可得到各個(gè)時(shí)刻下各主結(jié)構(gòu)件（動(dòng)臂、斗桿、平臺(tái)、下車(chē)）的應(yīng)力分布情況，輸出結(jié)構(gòu)件應(yīng)力云圖、關(guān)鍵部位的應(yīng)力-時(shí)間歷程曲線。選取某款挖機(jī)進(jìn)行仿真分析并測(cè)試標(biāo)定。圖2為標(biāo)定后工作裝置測(cè)點(diǎn)的仿真與試驗(yàn)得到應(yīng)力變化曲線，可以看出兩條應(yīng)力曲線形狀相似，變化趨勢(shì)一致，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較好地吻合，表明建立的挖機(jī)整車(chē)剛?cè)狁詈夏Ｐ湍茌^好地反映實(shí)際應(yīng)力測(cè)試工況的動(dòng)力學(xué)特性。

4仿真分析應(yīng)用案例

在對(duì)挖掘機(jī)發(fā)生的動(dòng)臂開(kāi)裂實(shí)際故障對(duì)比研究中，裂紋產(chǎn)生在焊接部位處，隨后對(duì)故障部位的結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)調(diào)整。為比較結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的效果，原本需要進(jìn)行兩次應(yīng)力測(cè)試，此次采用挖機(jī)多體動(dòng)力學(xué)仿真分析來(lái)替代實(shí)際的應(yīng)力測(cè)試。根據(jù)仿真分析結(jié)果，得到動(dòng)臂故障部位的應(yīng)力-時(shí)間歷程曲線，如圖3左圖所示，該故障部位在作業(yè)時(shí)以拉應(yīng)力為主，最大拉應(yīng)力206MPa，應(yīng)力范圍為243MPa。右圖為改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-時(shí)間歷程曲線，最大拉應(yīng)力140MPa，應(yīng)力范圍為175MPa，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值下降32%，應(yīng)力幅值下降28%。動(dòng)臂故障部位結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，目前已不再發(fā)生類(lèi)似的開(kāi)裂故障。

5結(jié)論

（1）采用剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)的方法建立工程機(jī)械的整車(chē)模型，將各主結(jié)構(gòu)件作為柔性體置于整車(chē)模型中，采用模態(tài)綜合法計(jì)算各結(jié)構(gòu)件的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，隨后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真分析結(jié)果能夠與試驗(yàn)結(jié)果較好地吻合，表明該多體模型能較好地反映機(jī)器實(shí)際應(yīng)力測(cè)試工況的動(dòng)力學(xué)特性。（2）機(jī)械動(dòng)態(tài)應(yīng)力多體仿真方法在結(jié)構(gòu)件開(kāi)裂故障中進(jìn)行了應(yīng)用，代替實(shí)際應(yīng)力測(cè)試，故障部位應(yīng)力仿真結(jié)果由243MPa降為175MPa，減少28%，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后無(wú)故障發(fā)生，因此工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真與應(yīng)用可以實(shí)際有效應(yīng)用到多種工程機(jī)械中。

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作者:葛子紅 單位:安徽省科技館