基于LS-DYNA液壓挖掘機鏟斗強度仿真研究

（遼寧工程技術大學機械工程學院，遼寧 阜新 123000）

目前對于液壓挖掘機鏟斗的研究，主要目的是確定在作業中作用在工作裝置的外力。利用數理解析方式或利用實驗室實驗，對鏟斗進行受力分析和計算[1~2]，為鏟斗的研究奠定基礎，但大多是靜態載荷或難以實驗復雜多變的實際工況。這就給鏟斗及其工作機構的正確設計以及液壓挖掘機參數的合理選擇，提出了難題。因此，提出和建立鏟斗挖掘土壤時本構模型的受力研究方法，分析鏟斗挖掘土壤時的受力情況與應力分布，為改進鏟斗的設計、提高其使用壽命和工作可靠性，具有重要的意義。

本文將利用柔性體材料模型建立液壓挖掘機鏟斗的實體模型，利用顯示動力學理論，建立土壤挖掘工況模型。利用非線性顯示動力學理論在LS-DYNA中對鏟斗挖掘土壤的過程進行仿真[3]，得到鏟斗工作過程中的最大應力值及其鏟斗應力分布狀況，并對仿真結果進行分析，為研究鏟斗挖掘土壤的工況、強度提供一種新的手段和方法。

1 鏟斗挖掘土壤模型的建立

1.1 鏟斗模型

該液壓挖掘機鏟斗兩側板采用的材料是20CrMnMo，其他部分所采用的是16Mn。根據以往經驗得知，危險位置不在側壁，同時20CrMnMo材料的各項性能指標均優于16Mn，因此本論文在分析時，整體均采用16Mn材料，這樣不但不影響分析結果，還簡化了求解過程，加快了計算機求解速度。

材料彈性模量為210 GPa；

泊松比為0.3；

密度為7 850 kg/m3。

在LS-DYNA中對鏟斗進行建模，采用3D Solid 164單元類型和柔性體材料模型（MAT_PLASTIC_KINEMATIC）建立鏟斗的有限元模型。

1.2 土壤本構模型

土壤模型是根據LS-DYNA中利用接觸碰撞中的分配參數法、巖土力學和顯示動力學等理論，建立土壤截割工況模型。因此采用Drucker-Prager彈塑性模型，來模擬土壤的材料[4]，模型屈服函數為

式中，

β為摩擦角；

d為粘聚力；

q為mises等效應力；

k 為材料參數，0.778燮k燮1.0；

r為第三偏應力不變量；

σc為單軸受壓屈服應力。

取土壤的基本力學參數為：

土壤密度1.84 kg/m3；

塑性系數16.9；

凝聚力18 kPa；

內摩擦角0.389 1 rad；

單軸抗壓強度20 MPa；

彈性模量69 MPa；

泊松比0.30。

2 鏟斗挖掘土壤時的鏟斗強度分析

為搞清鏟斗挖掘土壤時鏟斗的應力情況，應模擬鏟斗挖掘土壤的實際運動情況，分析出實際運動中的鏟斗挖掘時受力情況，求出最大值。

利用LS-DYNA軟件中的侵蝕接觸方法，對所建立的鏟斗和土壤的有限元模型進行仿真，得到破壞土壤的挖掘過程中鏟斗最大值和應力及位移云圖及分別如圖1、圖2所示。

圖1 鏟斗強度分析應力云圖

圖2 鏟斗強度分析位移云

仿真結果表明，在鏟斗破壞土壤的挖掘土壤的過程中，其鏟斗應力的最大為234.8 MPa；鏟斗的最大位移為3.607 mm。鏟斗應力較大區域分布在鏟齒及其附近，鏟斗的側壁應用的材料為20CrMnMo，其他部分所采用的是16Mn。

因鏟齒在實際工況中，所受應力具有隨機性，故鏟齒的應力波動很大，易使鏟齒齒尖周圍處所受集中力，這也是鏟齒折損的一個重要原因。由以上可知，16Mn最大工作應力遠遠小于材料的屈服應力（345 MPa），在鏟斗挖掘過程中，因強度破壞的可能性很小，但由于鏟齒齒尖處長時間受較大應力，磨損嚴重使齒尖變鈍，易疲勞失效。

所得結果與參考文獻[1]中的結論基本一致。由此可見，該方法實用可行，結果可信。

3 結束語

建立了柔性體的鏟斗和土壤的有限元模型，提出一種新的分析鏟斗強度方法。仿真結果表明：在實際工況中鏟斗的應力最大值為234.8 MPa，最大應變位移為3.607 mm，滿足鏟斗材料強度要求，而該鏟斗的損壞，是由疲勞破壞引起的，因此應盡量降低鏟斗工作過程的沖擊、振動，以提高其可靠性和使用壽命。

該研究及其所得結論，為了解鏟斗的強度、探究鏟斗損壞原因、改進其設計、根據土壤性質正確選擇和合理使用鏟斗、提高其挖掘能力提供了依據和方法。

[1]鄧子龍，高財祿，李海濱．挖掘機鏟斗強度分析[J]．遼寧石油化工大學學報，2007，27(4)：45-50.

[2]曾慶強，秦四成，趙騰云，等．裝載機鏟斗鏟掘過程受力分析[J]．工程機械，2011，（42）：18-21.

[3]時黨勇，李裕春，張勝民．基于ANSYS/LS-DYNA 8.1進行顯示動力學分析[M]．北京：清華大學出版社，2005．

[4]屠厚澤，高 森．土壤破碎學[M]．北京：地質出版社，1990.