基于Creo2.0裝載機鏟斗工況的有限元分析及其結構改進

陳顯均

(1.四川大學化工學院，四川 成都 610065；2.四川化工職業技術學院，四川 瀘州 646000)

1 鏟斗工況分析

1.1 典型工況

裝載機在鏟掘作業過程中，有三種不同受力情況。

（1）鏟斗水平插入料堆，油缸閉鎖，可認為只有水平插入阻力作用在斗刃上。

（2）鏟斗水平插入料堆，轉斗油缸或舉升油缸鏟取物料時，可認為只有垂直崛起阻力作用在斗齒上。

（3）鏟斗邊插入邊收斗或邊插入邊舉臂進行鏟掘時，此時有插入阻力與垂直掘起阻力同時作用。

1.2 載荷作用情況

裝載機工作裝置的作業阻力主要指鏟斗插入、鏟取、舉起時克服的阻力、摩擦力與重力。為了簡化分析問題，現在假設它們作用于鏟斗齒尖的刃口上，并集中形成水平插入阻力和垂直掘起阻力。

由于鏟斗切削刃上的受載在實際作業中是不可能達到完全均勻的，為了簡化問題，可以采用兩種較為極端的情況來討論：第一種情況是對稱載荷，在該種情況下，載荷是沿著切削力均勻分布的，計算過程中可看做一個斗刃上的集中載荷作用；第二種情況是偏心載荷，此時載荷偏于鏟斗一側，此時可將其簡化為鏟斗側邊第一個斗齒的集中載荷。將對稱載荷與受力工況結合起來，如圖1所示為鏟斗的各種受力工況。

圖1 外載荷作用情況

2 鏟斗的有限元分析

2.1 定義材料屬性

該款9噸裝載機鏟斗材料為Q345A，安全系數取n=1.2，許用應力[σ]可根據屈服強度與安全系數求得。其詳細參數如下表1所示。

表1 Q345A的材料屬性

2.2 網格劃分

如圖2所示，網格劃分是有限元建模的必要與重要的一部分，其網格質量好壞決定著計算精度。在對計算結果要求不是很高時，Creo2.0可以對鏟斗進行網格智能自動劃分，不需要人為設置即可滿足。單元格類型選用四面體單元。

圖2 鏟斗網格模型

2.3 定義載荷及邊界條件

網格化分完成之后即可進行定義載荷及邊界條件。鏟斗G點和F點的載荷類型為承載載荷。在定義載荷時還要注意以下三點要求。

（1）鏟斗在各鉸接點處的受力為承載載荷，且施加載荷時，應對載荷按照水平和垂直方向進行受力分解。

（2）鏟斗在F點處的受力面有4處，因此在定義兩個承載面受力時，每個面的承載載荷大小為總載荷的1/4。

（3）鏟斗在B點處的受力面有4處，因此在定義4個面的承載載荷時，每個面的承載載荷大小為總載荷的1/4。

定義好各鉸接點處的受力載荷以后，還需要對各鉸接點處進行邊界位移約束。由受力分析可知，各鉸接點處只可以轉動，不可以左右移動，即為銷約束。

2.4 鏟斗有限元分析結果

鏟斗有限元結果如圖3、4、5和6所示。

圖3 鏟斗受力云圖

圖4 鏟斗受力矢量云圖

圖5 鏟斗位移云圖

2.5 有限元結果分析

由圖3、4分析可知，鏟斗受力最大應力值為553.5MPa，最大應力矢量值為524MPa，兩者均大于許用應力值287.5MPa，而且范圍較大。應力最大值處位于動臂支撐與斗壁板焊接位置處，所以鏟斗結構應進行二次優化。

由圖5、6分析可知，鏟斗的最大位移發生在鏟斗最前端，最大位移為2.5e-2mm，其變形量很小，基本可忽略。

3 鏟斗結構優化

3.1 結構改進

由有限元分析結果可知，鏟斗在受力時支撐板和斗壁板焊接位置處的受力較大，數值遠大于許用應力值287.5MPa，所以鏟斗結構應進一步優化。本文優化方法為在斗壁板的內側，支撐板與斗壁板焊接位置處增加一加強板，加強板結構如下圖7所示。

圖7 加強板

3.2 仿真模擬

圖8 鏟斗受力云圖

圖9 鏟斗位移矢量云圖

3.3 結果分析

由圖8鏟斗受力云圖可知，優化后的鏟斗應力值均處于287.5MPa以下，所以云圖顯示最大值大于許用應力值，原因是由于焊接應力造成的，不影響鏟斗結構的設計。

從圖9鏟斗位移云圖可知，優化后的鏟斗受力后，其最大位移變形量為2.29e-02，所以從位移云圖上來說，結構也更可靠一些。

4 結語

通過利用Creo2.0軟件，對裝載機鏟斗進行了有限元分析和改進，驗證了Creo2.0的實用性，對新技術推廣，縮短產品開發周期，提高產品競爭力有積極作用。