基于ANSYS的滑移裝載機動臂有限元分析與優化

錢珍寶　 汪琰　周良稷　花豪　劉勇濤

摘? ?要：研究了滑移裝載機在典型工況下動臂靜力的有限元分析與優化方法，使用ANSYS有限元分析軟件對其進行靜力分析，通過有限元模型的建立、網格劃分、邊界條件及載荷的處理得出動臂的應力及應變云圖，針對局部應力較大的區域進行分析和優化，使得動臂結構應力的安全系數均大于1.5，得出合理的動臂結構，可供后續滑移裝載機動臂的設計及優化提供新的方法。

關鍵詞：滑移裝載機? 動臂? ANSYS? 優化

中圖分類號：TH243? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）02（a）-0116-02

動臂是滑移裝載機的關鍵部件之一，也是主要的受力部件，在設計之初一般存在局部應力較大，如何快速地識別應力較大區域并對其進行優化，是產品快速開發占領市場的關鍵性因素。本文應用ANSYS有限元分析元件，在柳工某滑移裝載機設計過程中快速確定動臂的應力較大區域，并進行了優化，滿足了設計要求，該分析方法對于滑移裝載機動臂的設計具有一定的參考價值。

1? 有限元模型的建立

伴隨著科學技術快速進步，三維CAD技術在機械設計中的運用越來越普遍[1]。本文利用三維PRO/E軟件提供的拉伸、旋轉、陣列、鏡像等建模功能建立動臂的三維實體模型。模型中省略焊縫，按相同板材連續處理[2]。為了使有限元分析結果可靠，盡量按實際模型的形狀和尺寸建模，同時為了便于網絡劃分和減少局部的網格數量，對動臂的模型進行了簡化處理，去掉了不受力的部分，去掉了螺紋孔及不影響計算結果的倒角等因素[3]。

本文中動臂采用高強度鋼板焊接而成，材料為Q345（16Mn），其屈服極限σs=345MPa，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3。

2? 網格的劃分

該焊接件是由6～12mm鋼板組成的，采用薄板單元對動臂模型進行有限元模型的劃分，網格劃分結果：單元數129321，節點數229121。

3? 邊界條件及載荷的處理

整車平置地面、鏟斗處于水平放平狀態時，規定各構件的坐標系：

X（水平方向載荷）：車輛前進方向為“+”

Y（豎直方向載荷）：垂直水平地面向上為“+”

Z（垂直方向載荷）：垂直紙面向上為“+”

經分析滑移裝載機動臂結構特點，利用材料力學中關于力和力矩平衡原理，可計算出鏟斗平置地面轉斗作業時，動臂正載、偏載各鉸點的作用力，用來加載模型。

4? ANSYS有限元求解分析

按照上述3步驟，對有限元模型施加載荷及約束，計算結果 （應力云圖）如圖1所示。

由計算結果可知，動臂在正載掘起力的作用下時，其最大應力為310.1MPa，最大變形量為26.2mm，安全系數為n=1.11（345/310.1）;當動臂在偏載掘起力的作用下時，其最大應力為321.9MPa，最大變形量為29mm，安全系數為1.07，雖然最大應力均沒有超過材料的屈服極限強度，但安全系數均小于1.5，局部區域應力集中現象嚴重，存在失效風險。

5? 動臂結構優化及分析

5.1 動臂危險點識別

如圖2所示，動臂的前部和下部存在危險點1和危險點2，兩處區域應力較大，且應力集中現象嚴重，需要進行重點關注和優化改進。

5.2 動臂結構優化

針對上述危險點，我們本著減小應力集中，增大平滑過渡區域的原則，對動臂結構進行了優化。如危險點1處我們加大動臂外側板過渡角度，并在折彎處增加貼板;如圖3（a）、（b）危險點1優化前后示意圖，危險點2處通過增大耳板與動臂側板過渡圓弧處搭接長度，如圖3（c）、（d）危險點2優化前后示意圖。

5.3 優化后有限元分析

按照本文所述的1～4步驟進行實施，動臂結構優化后，偏載危險點1處最大應力為204.68MPa，安全系數為1.69>1.5，危險點2處最大應力為191.06MPa，安全系數為1.81> 1.5。安全系數相比優化前得到有效的提升，動臂失效風險降低。

使用ANSYS有限元分析軟件在典型工況下，對動臂有限元模型的建立、網格劃分、邊界條件及載荷的處理，得出動臂的應力及應變云圖，針對局部應力較大的區域進行優化，使得動臂結構應力的安全系數均大于1.5，得出合理的動臂結構。

6? 結語

通過對模型的有限元分析及試驗機實際試驗結果可以驗證，本文所采用的有限元模型是可靠、合理的，并說明利用ANSYS有限元分析軟件對滑移裝載機關鍵部件：動臂進行典型工況靜力學模擬分析，是一種行之有效的方法，它可以在設計初期找出模型中的危險點，通過對其進行優化改進，從而加速研發進程和降低關鍵零部件失效風險，為今后滑移裝載機的動臂設計提供了指導方法，由此說明了ANSYS在工程機械設計中的重要性[4]。

參考文獻

[1] 田煒.三維CAD技術在機械設計中的應用[J].工業技術創新，2016（3）：577-580.

[2] 林明智，邢樹鑫.液壓挖掘機動臂有限元分析[J].工程機械，2010（1）：19-20.

[3] 崔國華，張艷偉.張英爽.土方機械工作裝置整理結構的強度分析方法[J].農業工程學報，2008，24（1）：157-161.

[4] 丁新兵.基于ANSYS的傳動軸有限元分析[J].機械工程與自動化，2017（2）：65.