基于ADAMS和ANSYS的挖掘機(jī)應(yīng)力仿真分析與測(cè)試

王海玲

(天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350)

0 引言

液壓挖掘機(jī)是基建工程中的重要設(shè)備，由于挖掘作業(yè)過程中載荷復(fù)雜多變，且存在大量振動(dòng)和沖擊，挖掘機(jī)關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞分析成為設(shè)計(jì)者和用戶最關(guān)心的問題[1]。大量學(xué)者基于有限元軟件對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行了強(qiáng)度分析，但多數(shù)都是采用解析法對(duì)挖掘機(jī)在特定姿態(tài)下各鉸點(diǎn)受力進(jìn)行求解，以此作為邊界條件分析結(jié)構(gòu)在該特殊工作點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)，而對(duì)整個(gè)挖掘作業(yè)過程動(dòng)態(tài)應(yīng)力變化情況相關(guān)的研究內(nèi)容較少，究其原因是挖掘作業(yè)過程中挖掘力無法直接測(cè)量，而相關(guān)的理論計(jì)算又難以得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，所以動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析有限元模型缺少可靠的載荷歷程作為加載的邊界條件[2，3]。本文基于ADAMS和ANSYS建立包含動(dòng)臂柔性體的挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)模型，將測(cè)試得到的挖掘作業(yè)中油缸的位移壓力曲線作為模型輸入條件，仿真再現(xiàn)挖掘作業(yè)軌跡和挖掘力，同時(shí)計(jì)算動(dòng)臂觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化歷程，最后將仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，以驗(yàn)證仿真模型的有效性，為進(jìn)一步研究挖掘機(jī)動(dòng)態(tài)性能提供參考依據(jù)。

1 基于ADAMS的挖掘機(jī)仿真模型

1.1 挖掘機(jī)動(dòng)臂剛?cè)狁詈夏Ｐ徒?/h3>

ADAMS是機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件，AutoFlex模塊是ADAMS軟件中對(duì)剛?cè)釓?fù)合機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真計(jì)算的有效工具。首先采用Pro/E建立挖掘機(jī)三維實(shí)體模型，將此模型導(dǎo)入ADAMS軟件，并根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際裝配關(guān)系添加約束。然后在ANSYS中創(chuàng)建動(dòng)臂結(jié)構(gòu)的模態(tài)中性文件，該文件包含了動(dòng)臂柔性體的質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、頻率及振型等信息，最后將ANSYS生成的模態(tài)中性文件導(dǎo)入到ADAMS中替換掉原動(dòng)臂的剛體結(jié)構(gòu)即可建立挖掘機(jī)的剛?cè)狁詈夏Ｐ蚚4，5]，如圖1所示。

圖1 挖掘機(jī)ADAMS剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

1.2 整機(jī)挖掘力仿真計(jì)算

挖掘機(jī)工作過程中鏟斗處的挖掘阻力無法直接測(cè)量，但是根據(jù)力學(xué)平衡原理可知：對(duì)于動(dòng)臂或斗桿在忽略慣性力的條件下，挖掘力、油缸的驅(qū)動(dòng)力以及構(gòu)件重力三者之間存在數(shù)學(xué)平衡方程。在實(shí)際研究中，挖掘力通常可以分解為切向挖掘力Fx1(沿斗齒尖運(yùn)動(dòng)軌跡的切線方向)和法向挖掘力Fx2(沿斗齒尖運(yùn)動(dòng)軌跡的法線方向)，根據(jù)力學(xué)平衡方程可以分別求解Fx1、Fx2[6-8]:

(1)

(2)

其中：Foi為各驅(qū)動(dòng)油缸壓力;Gi為挖掘機(jī)各零部件重力;LoiB、LxiB、LGiB分別為Foi、Fxi、Gi對(duì)B點(diǎn)(斗桿與動(dòng)臂的鉸點(diǎn))的力臂;LoiE、LxiE、LGiE分別為Foi、Fxi、Gi對(duì)E點(diǎn)(動(dòng)臂與底盤的鉸點(diǎn))的力臂。

由式(1)、式(2)可知，挖掘力大小與油缸壓力、構(gòu)件重力和該時(shí)刻姿態(tài)有關(guān)。在ADAMS中在鏟斗齒尖位置添加整機(jī)挖掘力Fx1、Fx2，采用STEP函數(shù)設(shè)定挖土階段的力由式(1)、式(2)計(jì)算、空載階段的力為0。利用ADAMS中的測(cè)量工具建立測(cè)量公式中各個(gè)力臂的測(cè)量函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)仿真過程中力臂參數(shù)的自動(dòng)計(jì)算，再將實(shí)驗(yàn)得到的挖掘機(jī)油缸位移和壓力數(shù)據(jù)以樣條曲線的形式加載到仿真模型中，就能在實(shí)現(xiàn)仿真挖掘作業(yè)軌跡的同時(shí)自動(dòng)計(jì)算加載到鏟斗齒尖上的整機(jī)挖掘力，進(jìn)而得到整個(gè)挖掘作業(yè)過程中動(dòng)臂的應(yīng)力狀況。

2 應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)

2.1 測(cè)試點(diǎn)布置

當(dāng)在挖掘機(jī)鏟斗齒尖施加一個(gè)面向鏟斗轉(zhuǎn)軸方向的力時(shí)，動(dòng)臂油缸連接鉸鏈處會(huì)受到較大的力，附近動(dòng)臂的上蓋板和下蓋板分別受壓、受拉，側(cè)面的蓋板受力變化會(huì)比較均勻。但是由于挖掘機(jī)動(dòng)臂、斗桿為板材焊接件，焊縫處材料屬性較焊接前發(fā)生很大變化，而目前的有限元軟件對(duì)此類仿真分析的數(shù)值準(zhǔn)確性還較差，為了測(cè)試與仿真結(jié)果數(shù)據(jù)比對(duì)的有效性,測(cè)試點(diǎn)的選取應(yīng)盡量避開焊縫處。綜上，測(cè)試點(diǎn)的選擇應(yīng)遵循以下幾點(diǎn):①測(cè)試點(diǎn)應(yīng)該布置于靜強(qiáng)度分析中應(yīng)力較大的位置；②測(cè)試點(diǎn)應(yīng)盡量靠近所在板件的中心線；③測(cè)試點(diǎn)應(yīng)避開焊縫處。

在動(dòng)臂上邊、下邊、側(cè)面布置測(cè)試點(diǎn)1、2、3，在斗桿上邊、下邊、側(cè)面布置測(cè)試點(diǎn)4、5、6，如圖2所示。

圖2 挖掘機(jī)測(cè)試點(diǎn)布置

2.2 測(cè)試實(shí)驗(yàn)實(shí)施

通過數(shù)據(jù)采集器收集各位置的應(yīng)變，再根據(jù)應(yīng)變式傳感器原理換算為應(yīng)力。應(yīng)變片貼片過程必須嚴(yán)格遵照《電阻應(yīng)變片測(cè)量技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行操作，對(duì)構(gòu)件表面打磨、貼片與固化、導(dǎo)線焊接固定等每個(gè)具體操作步驟都要經(jīng)過檢查驗(yàn)證，確認(rèn)準(zhǔn)確無誤后再進(jìn)行下一步操作。對(duì)于實(shí)驗(yàn)周期比較長的測(cè)試工作，要隨時(shí)關(guān)注由于應(yīng)變片膠水老化、貼合面開裂等問題引起的測(cè)試誤差，一旦誤差超過允許值需要重新打磨貼片。此外為了保證本次挖掘機(jī)應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要先開展一個(gè)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：首先在簡(jiǎn)單的矩形試塊上貼片、施加載荷做靜力測(cè)試，建立對(duì)應(yīng)的有限元模型對(duì)矩形塊進(jìn)行應(yīng)力分析，當(dāng)矩形塊應(yīng)力測(cè)試和有限元應(yīng)力計(jì)算一致時(shí)說明貼片工藝滿足測(cè)試準(zhǔn)確性要求，然后再進(jìn)行挖掘機(jī)應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

3 仿真及測(cè)試實(shí)驗(yàn)分析

3.1 仿真及測(cè)試工況設(shè)計(jì)

挖掘作業(yè)過程中鏟斗的挖掘力無法直接測(cè)量，因而仿真模型計(jì)算的挖掘力沒有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)來保證模型的正確性，所以首先設(shè)計(jì)一個(gè)模擬挖掘力的實(shí)驗(yàn)來校準(zhǔn)仿真模型，然后再進(jìn)行實(shí)際的挖土作業(yè)實(shí)驗(yàn)。模擬挖掘力的實(shí)驗(yàn)和仿真方法為：在鏟斗末端加入2.26 t重的砝碼(豎直向下)，讓挖掘機(jī)進(jìn)行一個(gè)工作循環(huán)的挖掘動(dòng)作，采集油缸位移和壓力、觀測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)應(yīng)力數(shù)據(jù)，然后在仿真模型中將采集到的油缸位移、壓力數(shù)據(jù)作為仿真模型的輸入條件自動(dòng)計(jì)算挖掘力，并與實(shí)際加載的2.26 t的砝碼力作比對(duì)，最后將仿真得到的觀測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)應(yīng)力與實(shí)測(cè)應(yīng)力作比對(duì)。

3.2 鏟斗加載砝碼力仿真及實(shí)驗(yàn)

在鏟斗加載2.26 t砝碼力實(shí)驗(yàn)中，采集到的各驅(qū)動(dòng)油缸位移和壓力曲線如圖3所示。

圖3 加載2.26 t砝碼力各油缸位移和壓力曲線

將圖3(b)中的油缸壓力以樣條曲線加載到仿真模型鏟斗挖掘力計(jì)算函數(shù)中，將圖3(a)中的油缸位移曲線加載到仿真模型油缸的位移驅(qū)動(dòng)中作為仿真輸入條件，仿真設(shè)定時(shí)間與實(shí)驗(yàn)保持一致。仿真得到的挖掘力曲線與實(shí)際挖掘力對(duì)比如圖4所示，測(cè)試點(diǎn)3的應(yīng)力曲線仿真值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比如圖5所示(篇幅所限僅列出關(guān)心的測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù))。

圖4 加載2.26 t砝碼力挖掘力仿真與實(shí)際值

由圖5可知：測(cè)試點(diǎn)3的應(yīng)力仿真與測(cè)試曲線中心線基本一致，特別是7.5 s至8 s內(nèi)曲線基本重合，說明挖掘機(jī)ADAMS虛擬樣機(jī)模型和挖掘力反解公式建模基本正確；但是應(yīng)力測(cè)試曲線相對(duì)仿真曲線整體上下波動(dòng)比較嚴(yán)重，特別是0 s至7.5 s內(nèi)應(yīng)力跳動(dòng)幅度達(dá)到2 MPa。通過觀察分析挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)及作業(yè)過程可知，挖掘機(jī)屬于低精度重型設(shè)備，在啟動(dòng)停止及挖掘作業(yè)中，液壓系統(tǒng)存在大量的沖擊，而挖掘機(jī)又是長懸臂結(jié)構(gòu)，鉸接處配合精度也不是很高，所以挖掘作業(yè)中能夠看到工作裝置存在明顯的沖擊和振動(dòng)，在這些沖擊下結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力就會(huì)呈現(xiàn)出明顯的波動(dòng)。但是對(duì)于仿真模型來說，由于輸入條件是挖掘機(jī)油缸的位移和壓力測(cè)試值，而測(cè)試的時(shí)候挖掘機(jī)的沖擊載荷經(jīng)過液壓系統(tǒng)的吸振作用之后反映到驅(qū)動(dòng)油缸上的壓力沖擊已經(jīng)大大減小，并且挖掘機(jī)仿真求解公式原理采用的是靜力分析，本身就忽略掉了慣性力和沖擊載荷，所以解算得到的挖掘機(jī)曲線也比較平緩。雖然應(yīng)力仿真與測(cè)試曲線上下波動(dòng)存在一定的誤差，但是曲線的中心值基本一致，可以作為計(jì)算有限元分析邊界條件的方法。

圖5 加載2.26 t砝碼力測(cè)試點(diǎn)3應(yīng)力仿真與測(cè)試值

3.3 實(shí)際挖土作業(yè)仿真及實(shí)驗(yàn)

讓挖掘機(jī)在某土壤工況下進(jìn)行實(shí)際挖掘作業(yè)，采集到挖掘作業(yè)工作期間各油缸位移、壓力曲線如圖6所示。將圖6中的仿真數(shù)據(jù)加載到ADAMS仿真模型中計(jì)算動(dòng)臂在實(shí)際挖掘作業(yè)條件下的應(yīng)力變化情況，得到觀測(cè)點(diǎn)2的應(yīng)力仿真值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果，如圖7所示。

圖6 挖土作業(yè)各油缸位移和壓力曲線

由圖7可知：挖掘作業(yè)下觀測(cè)點(diǎn)2應(yīng)力仿真與測(cè)試值在挖掘作業(yè)階段吻合得比較好，特別是4.5 s～5.8 s內(nèi)曲線趨勢(shì)和大小幾乎完全一致；在2 s～4.5 s內(nèi)應(yīng)力曲線仿真和實(shí)驗(yàn)存在一定的誤差，在2.5 s處誤差最大，但兩條曲線整體變化趨勢(shì)仍然一致，所以在挖掘作業(yè)中2 s～6 s的實(shí)際挖土階段仿真模型能正確地反映工作裝置結(jié)構(gòu)件在該工況下的應(yīng)力大小及變化歷程，可以為結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分析提供載荷依據(jù)。

圖7 挖土作業(yè)下觀測(cè)點(diǎn)2應(yīng)力仿真與測(cè)試值

4 結(jié)論

本文對(duì)挖掘機(jī)動(dòng)臂基于ADAMS進(jìn)行了剛?cè)狁詈辖＃抡嬗?jì)算了挖掘機(jī)加載砝碼模擬挖掘作業(yè)和實(shí)際挖掘作業(yè)下兩種工況的觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化歷程，并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了仿真模型在實(shí)際挖掘鏟土階段能夠仿真出工作裝置結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力變化狀態(tài)，為挖掘機(jī)的有限元分析和疲勞分析提供了參考依據(jù)。但是在2.5 s左右處的誤差較大，進(jìn)一步工作要校準(zhǔn)挖掘機(jī)ADAMS虛擬樣機(jī)模型(包括鏟斗內(nèi)土的模型和構(gòu)件的重力等)，盡量減小與挖掘機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)的差異，同時(shí)實(shí)驗(yàn)中要布置更多的測(cè)試點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)進(jìn)一步校準(zhǔn)仿真模型來提高仿真計(jì)算的準(zhǔn)確度。