畢業(yè)論文--wz-25裝載機(jī)工作裝置的可靠性分析研究

1、<p><b>　　1.緒論</b></p><p>　　1.1 裝載機(jī)的發(fā)展綜述</p><p>　　1.1.1 裝載機(jī)的簡(jiǎn)史</p><p>　　無(wú)論是古埃及的金字塔還是中國(guó)的萬(wàn)里長(zhǎng)城，都是以犧牲了數(shù)百萬(wàn)的勞工生命為代價(jià)。到了近代，各種工程機(jī)械的出現(xiàn)使“孟姜女哭長(zhǎng)城”永遠(yuǎn)成為了歷史，不僅顯著提高了工程建設(shè)的效率，同時(shí)也大大減小了工

2、人的勞動(dòng)強(qiáng)度。而由于裝載機(jī)具有作業(yè)速度快，機(jī)動(dòng)性好，操作輕便等優(yōu)點(diǎn)，因而發(fā)展很快，成為工程機(jī)械中發(fā)展最快、產(chǎn)銷量及市場(chǎng)需求最大的機(jī)種之一。 </p><p>　　我國(guó)裝載機(jī)始于1960年末，發(fā)展至今它經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段，即60年代仿制摸索階段；70年代自力更生研制階段；80年代至90年代技術(shù)引進(jìn)、合資合作發(fā)展階段。全國(guó)裝載機(jī)產(chǎn)品從1976年的446臺(tái)發(fā)展到1996年的18310臺(tái)，二十年內(nèi)增長(zhǎng)41.1倍。在全國(guó)機(jī)

3、械產(chǎn)品中，成為重要代表產(chǎn)品，令世人矚目。</p><p>　　60年代末期，天津市交通局還制成Z425型鉸接式高壓胎，液力傳動(dòng)裝載機(jī)，這也是國(guó)內(nèi)首次研制的鉸接式裝載機(jī)。</p><p>　　70年代中期，我國(guó)工程機(jī)械裝載機(jī)行業(yè)吸取國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，研制出鉸接式裝載機(jī)ZL50(柳州工程機(jī)械廠生產(chǎn))，采用鉸接式車架，低壓寬基工程胎，液力機(jī)械傳動(dòng)，鉗盤(pán)式制動(dòng)，四輪轉(zhuǎn)向，輪邊減速驅(qū)動(dòng)轎。且有懸掛裝置，

4、具有良好的越野性。油壓由16MPa提到20MPa，動(dòng)力換檔變速箱，大大提高我國(guó)輪式裝載機(jī)水平。</p><p>　　80年代我國(guó)裝載機(jī)行業(yè)迎來(lái)了飛躍發(fā)展時(shí)期。通過(guò)自行研制與引進(jìn)國(guó)外技術(shù)相結(jié)合，研制了填補(bǔ)系列ZL10、15，以及小型ZL04、07、08和ZL16、60、70、80、100輪式裝載機(jī)，同時(shí)推土機(jī)行業(yè)的廠家填補(bǔ)了我國(guó)履帶裝載機(jī)的空白。如：ZY65型(黃河工程機(jī)械廠)6t裝載量；ZY140型(宣化工程機(jī)械

5、廠)4t裝載量，履帶裝載機(jī)ZY40(天建)、802Z(洛拖)等。</p><p>　　90年代以來(lái)，我國(guó)裝載機(jī)行業(yè)雖然得到飛速發(fā)展，隨著改革的深入、擴(kuò)大對(duì)外開(kāi)放招商引資的加快，我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)隨著合資熱、合作熱的升溫，裝載機(jī)行業(yè)發(fā)展迅速，出現(xiàn)了數(shù)家中外合資企業(yè)。同時(shí)國(guó)內(nèi)企業(yè)也迅速發(fā)展，主要有柳工、廈工、成工等多家大型企業(yè)。</p><p>　　展望未來(lái)，我國(guó)輪式裝載機(jī)今后發(fā)展的大趨勢(shì)是：穩(wěn)

6、定中噸位機(jī)提高操縱性，減輕司機(jī)操作強(qiáng)度，從而提高生產(chǎn)率，小型裝載機(jī)向靜液壓傳動(dòng)方向發(fā)展，提高人體、機(jī)器、環(huán)境系統(tǒng)和總體效能，大型裝載機(jī)借鑒與國(guó)外技術(shù)合作生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)。</p><p>　　1.1.2 工作裝置簡(jiǎn)介及研究現(xiàn)狀</p><p>　　裝載機(jī)由動(dòng)力裝置、車架、行走裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和工作裝置等組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單圖如圖1-1所示。工作裝置作為裝載機(jī)的重要組成部分

7、，主要實(shí)現(xiàn)裝載機(jī)的鏟掘和裝卸物料作業(yè)。如圖1-2所示，裝載機(jī)工作裝置由鏟斗、動(dòng)臂、連桿、搖臂和橫梁、支撐等組成，整個(gè)工作裝置鉸接在車架上。鏟斗通過(guò)連桿和搖臂與轉(zhuǎn)斗油缸鉸接，用以裝卸物料。動(dòng)臂與車架、動(dòng)臂油缸鉸接，用以升降鏟斗。鏟斗的翻轉(zhuǎn)和動(dòng)臂的升降采用液壓操縱。</p><p>　　圖 1-1 輪式裝載機(jī)</p><p>　　圖 1-2 裝載機(jī)工作裝置</p><p&g

8、t;　　工作裝置的結(jié)構(gòu)型式，主要有七種類型，即按連桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)不同，分為三桿式、四桿式、五桿式、六桿式和八桿式等；按輸入和輸出桿的轉(zhuǎn)向是否相同又分為正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)等。</p><p>　　在這幾種結(jié)構(gòu)型式中，反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)由于連桿布置上的原因，在鏟掘位置時(shí)，傳動(dòng)角大（連桿與從動(dòng)桿間的夾角），轉(zhuǎn)斗油缸又是大腔作用，能產(chǎn)生較大的鏟起力。因此得到廣泛應(yīng)用，特別是適合于堅(jiān)實(shí)物料（礦石、原石）的采掘和搬運(yùn)。我國(guó)WZ系

9、列裝載機(jī)大都采用反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)型式。</p><p>　　另外，工作裝置的各個(gè)部件性能也都有一定的要求，下面分別作出介紹。</p><p>　　首先是鏟斗，土方工程用裝載機(jī)鏟斗結(jié)構(gòu)，其斗體常用低碳、耐磨、高強(qiáng)度鋼板焊接制成，切削刃采用耐磨的中錳合金鋼材料，側(cè)切削刃和加強(qiáng)角板都用高強(qiáng)度耐磨鋼材料制成。鏟斗切削刃的形狀分為四種。齒形的選擇應(yīng)考慮插入阻力、耐磨性和易于更換等因素。齒形分尖齒和鈍齒

10、，輪胎式裝載機(jī)多采用尖形齒，而履帶式裝開(kāi)機(jī)多采用鈍形齒。斗齒數(shù)目視斗寬而定，斗齒距一般為150-300mm。斗齒結(jié)構(gòu)分整體式和分體式兩種，中小型裝載機(jī)多采用整體式，而大型裝載機(jī)由于作業(yè)條件差、斗齒磨損嚴(yán)重，常采用分體式。分體式斗齒分為基本齒2和齒尖1兩部分，磨損后只需要更換齒尖。</p><p>　　動(dòng)臂與車架、動(dòng)臂油缸鉸接，用以升降鏟斗。其材料多是16Mn鋼，中間橫梁為薄壁圓鋼，動(dòng)臂板的厚度小于中心輪廓最小尺寸

11、的1/5，搖臂通過(guò)中間支撐連在橫梁上，一端與油缸相連，另外一端與拉桿相連，用于拉動(dòng)鏟斗。</p><p>　　目前，有不少人對(duì)工作裝置進(jìn)行研究。例：在李海峰，楊海波，李夢(mèng)賢，宿潔華的《裝載機(jī)工作裝置的有限元分析》中，針對(duì)SDZ20型輪式裝載機(jī)的工作裝置,建立了與實(shí)際情況吻合的三維有限元模型,在典型載荷工況下,進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析,得到了整個(gè)工作裝置的應(yīng)力變形分布。通過(guò)有限元分析可以讓設(shè)計(jì)人員對(duì)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在每種工況所

12、確定的載荷的作用下其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及屈曲穩(wěn)定性情況有一個(gè)全面而準(zhǔn)確的了解。根據(jù)計(jì)算所得到的結(jié)構(gòu)上各處位移和應(yīng)力的分布結(jié)果結(jié)合相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，判斷所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可靠性和經(jīng)濟(jì)性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)或優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而避免某些結(jié)構(gòu)或零部件由于過(guò)大的應(yīng)力或壓曲失穩(wěn)而損壞、并控制機(jī)械結(jié)構(gòu)整體及其零部件的剛性性能。</p><p><b>　　本次設(shè)計(jì)的主要工作</b></p><

13、p>　　我國(guó)工程機(jī)械可靠性水平不高和使用壽命低是制約裝載機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大瓶頸。以下是對(duì)十種典型失效模式的統(tǒng)計(jì):①斷裂或開(kāi)裂;②滲漏;③松動(dòng)、脫落;④異常磨損;⑤變形;⑥堵塞、卡死;⑦性能下降;⑧功率下降;⑨油耗上升;⑩零部件功能失效。其中平均滲漏占總故障的38.36%，平均斷裂或開(kāi)裂占總故障的24.6%，零件失效占總故障的14.05%，三種模式故障之和占總故障數(shù)的77% 。 通過(guò)以上分析，可見(jiàn)對(duì)裝載機(jī)的工作裝置進(jìn)行可靠性分析是非常

14、必要的。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容如下：</p><p>　　【1】在典型工況下（即鏟取工況）對(duì)裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行靜力分析。而這種工況又可以簡(jiǎn)化為兩種極端情況：第一，載荷沿切削刃均勻分布，稱其為對(duì)稱受載情況。第二，非對(duì)稱受載情況，由于鏟斗偏鏟、料堆密集情況不均，使載荷偏于鏟斗一側(cè)。通過(guò)建立工作裝置的有限元模型模擬分析裝載機(jī)在以上工況兩種情況下靜力學(xué)受力分析，即裝載機(jī)工作裝置在

15、以上兩種情況下受到的最大應(yīng)力是否超過(guò)許用應(yīng)力，位移和應(yīng)變是否都在允許范圍內(nèi)。若不在正確范圍內(nèi)在對(duì)裝載機(jī)工作裝置模型進(jìn)行改正，使之符合正確要求。</p><p>　　【2】上述工作完成以后，在偏載情況下對(duì)工作裝置的動(dòng)臂進(jìn)行可靠性分析。將輸入變量如材料常數(shù)、幾何尺寸、外力等看作是服從一定分布規(guī)律的隨機(jī)變量，提取最大應(yīng)力和最大變形兩個(gè)指標(biāo)作為可靠性研究?jī)?nèi)容，在置信度為95%時(shí)保證工作裝置正常工作時(shí)各輸入量的影響靈敏度。

16、</p><p>　　2. 工作裝置的建模</p><p>　　2.1 建模時(shí)應(yīng)遵循的原則</p><p>　　建模時(shí)遵循研究對(duì)象全面準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力特點(diǎn)的原則。</p><p>　　1）研究對(duì)象能全面準(zhǔn)確的反映工作裝置在工作狀態(tài)下的變形和應(yīng)力特點(diǎn) </p><p>　　2）工作裝置的結(jié)構(gòu)模型應(yīng)與實(shí)際形狀保持幾

17、何相似，對(duì)研究問(wèn)題影響不</p><p>　　的局部結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化</p><p>　　3）工作裝置模型的受力應(yīng)與實(shí)際外載相符合，對(duì)不在接點(diǎn)上的力應(yīng)根據(jù)虛功原理將其等效分配到臨近的結(jié)點(diǎn)上</p><p>　　4）工作裝置模型的邊界約束條件應(yīng)符合實(shí)際情況</p><p>　　2.2 建模方案的選擇</p><p>

18、;　　實(shí)體建模可以使用戶能夠直接描述模型的幾何邊界、形狀和幾何尺寸等幾何特性，常用實(shí)體模型的建立方法有：</p><p>　　1. 可以類似于CAD軟件，在ANSYS軟件中以數(shù)學(xué)的方式表達(dá)結(jié)構(gòu)的幾何形狀，用這些幾何形狀來(lái)描述物體的實(shí)際外觀。ANSYS系統(tǒng)根據(jù)這些信息自動(dòng)生成所有的節(jié)點(diǎn)和單元，其特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：</p><p>　?。?）適用于建立龐大或復(fù)雜的模型，特別是三維模型。<

19、/p><p>　　（2）提供拖拉、拉伸、旋轉(zhuǎn)等幾何操作，這些對(duì)節(jié)點(diǎn)和單元不能進(jìn)行的操作。</p><p>　?。?）提供如同多邊形和圓柱體等這樣的基本體素，并且可以進(jìn)行布爾運(yùn)算（交、并、差等）</p><p>　?。?）便于用戶使用ANSYS系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能。</p><p>　?。?）可根據(jù)需要?jiǎng)澐肿赃m應(yīng)網(wǎng)格。</p><

20、p>　?。?）便于施加載荷后進(jìn)行局部網(wǎng)格劃分。</p><p>　?。?）容許進(jìn)行幾何形體編輯。</p><p>　?。?）可方便地改變單元類型，而不受分析模型的限制。</p><p>　　2. 使用用戶較熟悉的CAD軟件建模來(lái)代替ANSYS軟件建模，再將CAD模型輸入到ANSYS中進(jìn)行分析。常用的CAD軟件有以下幾種：AutoCAD、Solid Design

21、er、SolidEdge、SolidWorks、Peo/ENGINEER等。</p><p>　　在整個(gè)有限元求解過(guò)程中最重要的是有限元前處理模型的建立。這一般包括幾何建模、網(wǎng)格劃分、添加約束與載荷和定義材料屬性等。由于在用ANSYS軟件實(shí)體建模有一些不足，如需要占有大量的CPU處理時(shí)間；對(duì)于簡(jiǎn)單、小型的模型有時(shí)很繁瑣，比直接建模方法生成模型需要更多的數(shù)據(jù),加之裝載機(jī)工作裝置零件形狀較為復(fù)雜，而ANSYS所提供的

22、幾何建模工具功能相當(dāng)有限，難以快速方便地對(duì)其建模，基于此,我采用了三維CAD軟件proe中建立幾何模型。由于高版本的proe與ANSYS不兼容，只能使用proe2002以下的版本，因此我使用了proe2001。然后再通過(guò)proe2001的專用接口輸出ANSYS文件類型，在對(duì)工作裝置零件模型施是添加約束和載荷、定義材料屬性、網(wǎng)格劃分和求解，最后在ANSYS后處理模塊中察看結(jié)果。</p><p>　　在 proe20

23、01軟件中進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，根據(jù)建立模型時(shí)應(yīng)遵循的原則，在不改變工作裝置主要結(jié)構(gòu)和參數(shù)的前提下，對(duì)于實(shí)體的某些部位進(jìn)行了簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)化，如沒(méi)有對(duì)模型進(jìn)行圓角，與本工作不相關(guān)的又不影響受力分析的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了省略，盡量減少細(xì)小邊以及小的角度的出現(xiàn)，這便于圖形在ANSYS軟件中進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。提高分析的快速性和準(zhǔn)確性。</p><p>　　2.3 在proe2001中建模</p><p>　　裝載機(jī)工

24、作裝置的模型如下圖2-1所示。由于我是分別對(duì)鏟斗和動(dòng)臂進(jìn)行有限元分析的，因此，建模時(shí)也分開(kāi)了，建了一個(gè)鏟斗和一個(gè)動(dòng)臂。其中，鏟斗由斗齒、主刀板，減磨盒，斗弧板，側(cè)刀板，拉桿耳板，動(dòng)臂耳板組成。拉桿耳板，動(dòng)臂耳板各有銷孔。在初對(duì)鏟斗建模時(shí)，一心想要復(fù)制原樣，誰(shuí)知導(dǎo)入ANSYS中劃分不了網(wǎng)格。后來(lái)經(jīng)我耐心分析，原來(lái)是斗齒下部與斗弧板之間有小的角度，導(dǎo)致了網(wǎng)格劃分的失敗。根據(jù)建立模型時(shí)應(yīng)遵循的基本原則，在滿足準(zhǔn)確性的前提下可適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化模型，例

25、如，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，往往只需要了解某些部位的和區(qū)域的應(yīng)力分布情況，而不必分析整個(gè)零件。因此，在建立幾何模型時(shí)，就無(wú)需將所有的特征做出來(lái)，特別是一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜旦又不影響分析區(qū)域的特征完全可以省略或以一個(gè)簡(jiǎn)單的特征來(lái)代替。在不改變工作裝置主要結(jié)構(gòu)和參數(shù)的前提下，將斗齒下部建的和斗弧板平行，這樣，問(wèn)題就得到解決。至于動(dòng)臂、支撐、搖臂、拉竿，由于模型比較簡(jiǎn)單，在建模時(shí)可以完全復(fù)制原樣。</p><p><b>

26、;　　a 鏟斗模型</b></p><p><b>　　b 鏟斗模型</b></p><p><b>　　C 動(dòng)臂模型</b></p><p><b>　　d 動(dòng)臂模型</b></p><p>　　圖2-1 工作裝置模型圖</p><

27、;p>　　2.4 將模型導(dǎo)入ANSYS中</p><p>　　2.4.1 導(dǎo)入模型</p><p>　　ANSYS軟件通過(guò)相應(yīng)的接口軟件支持多種CAD軟件圖形格式，而對(duì)于不同的CAD軟件其文件的格式有許多種，所以當(dāng)在proe2001軟件中繪制好了實(shí)體以后，其文件保存格式的選擇對(duì)于ANSYS軟件的以后處理會(huì)產(chǎn)生一定的影響，目前ANSYS接口對(duì)于.sat、.x-t、.igs、.prt等格

28、式都是支持的，所以我采用了在proe2001軟件中將繪制的實(shí)體模型保存為igs格式，在保存之前一定要把proe2001的默認(rèn)單位英寸改為毫米，注意文件最好存放在名字無(wú)空格的目錄中，否則在Ansys中不能識(shí)別！然后通過(guò)ANSYS的專用接口igs導(dǎo)入到ANSYS軟件中以生成幾何模型。</p><p>　　在將igs格式導(dǎo)入到ANSYS軟件中有兩種方式， DefeaturingModel方式和No defeaturin

29、g方式, 我選擇DefeaturingModel方式。具體操作步驟如下：</p><p>　　打開(kāi)ANSYS軟件，選擇[File]/[Import]/[IGES]，將出現(xiàn)Import iges file窗口，選擇DefeaturingModel（斷裂模式），點(diǎn)擊[OK]，出現(xiàn)Import iges file文本框，單擊Browse,找到保存的igs文件，系統(tǒng)將會(huì)將模型倒入ANSYS系統(tǒng)中。</p>

30、<p>　　2.4.2 顯示導(dǎo)入的工作裝置零件模型</p><p>　　圖2-2 ANSYS模型</p><p>　　3. 裝載機(jī)工作裝置的靜力分析</p><p>　　3.1結(jié)構(gòu)靜力分析概述</p><p>　　靜力分析是用來(lái)求解外載荷引起的位移，應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問(wèn)題。靜力分析用

31、于計(jì)算由那些不包括慣性和阻尼效應(yīng)的載荷作用于結(jié)構(gòu)或部件上引起的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。固定不變的載荷和響應(yīng)是一種假設(shè)，即假設(shè)載荷和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)隨時(shí)間變化非常緩慢。</p><p>　　靜力分析所施加的載荷包括：</p><p>　　· 外部施加的作用力和壓力</p><p>　　· 穩(wěn)態(tài)的慣性力（如重力和離心力）</p><p&g

32、t;<b>　　· 位移載荷</b></p><p><b>　　· 溫度載荷</b></p><p>　　靜力分析既可以是線形的也可以是非線形的。非線形靜力分析包括所有的非線形類型：大變形，塑性，蠕變，應(yīng)力剛化，接觸（間隙）單元，超彈性單元等。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，轉(zhuǎn)向節(jié)必須工作在材料彈性范圍內(nèi)。鋼結(jié)構(gòu)工作在彈性范圍內(nèi)，力與變

33、形屬線性關(guān)系，故本分析使用大型通用結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS8.0只對(duì)其進(jìn)行線形靜力分析進(jìn)行討論，不考慮非線性因素。</p><p>　　3.2 對(duì)工作裝置模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分</p><p>　　網(wǎng)格劃分是建模中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，網(wǎng)格劃分的好壞將直接影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算進(jìn)度，甚至?xí)驗(yàn)榫W(wǎng)格劃分不合理而導(dǎo)致計(jì)算不收斂。網(wǎng)格劃分主要包含以下3個(gè)步驟：</p><p>

34、;　　定義單元屬性（包括單元類型、實(shí)常數(shù)與材料屬性等）。</p><p><b>　　設(shè)置網(wǎng)格尺寸控制。</b></p><p><b>　　執(zhí)行網(wǎng)格劃分。</b></p><p>　　確定單元類型很重要。在結(jié)構(gòu)靜力分析中要用到的典型單元類型有：線單元、殼單元、實(shí)體單元等。從但愿類別上講，ANSYS中提供的不同單元一般有以

35、下幾種類型：</p><p><b>　?。?）線單元</b></p><p>　　1）梁?jiǎn)卧河糜诼菟?，薄壁管件，C型截面構(gòu)件，角鋼或細(xì)長(zhǎng)薄膜構(gòu)件等模型。</p><p>　　2）桿單元：用于彈簧，螺桿，預(yù)應(yīng)力螺桿和薄膜桁架等模型。</p><p>　　3）彈簧單元：用于彈簧，螺桿或細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件，或通過(guò)剛度等效替代復(fù)雜結(jié)構(gòu)

36、等模型。</p><p><b>　?。?）殼單元</b></p><p>　　1）殼單元用于薄板或曲面模型。</p><p>　　2）殼單元分析應(yīng)用的基本原則是每塊面積的主尺寸不低于其厚度的十倍。</p><p>　?。?）二維實(shí)體單元：二維實(shí)體單元必須在全局直角坐標(biāo)X-Y平面內(nèi)建模，用于模擬實(shí)體的截面，所有的載荷均作

37、用在X-Y平面內(nèi)，并且其響應(yīng)（位移）也在X-Y平面內(nèi)。</p><p><b>　?。?）三維實(shí)體單元</b></p><p>　　1）用于那些由于幾何形狀、材料、載荷、或分析要求考慮細(xì)節(jié)等原因造成無(wú)法采用更簡(jiǎn)單單元進(jìn)行建模的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　2）用于從三維CAD系統(tǒng)轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)的幾何模型，把它轉(zhuǎn)化為二維或殼單元需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力。

38、</p><p>　?。?）線性單元（一次單元）</p><p>　　1）線性單元內(nèi)的位移是按線性變化，故在大多數(shù)情況下，單個(gè)單元上的應(yīng)力是不便的。</p><p>　　2）線性單元對(duì)單元扭曲變形很敏感。</p><p>　　3）為了保證求解精度，在應(yīng)力梯度較大的地方應(yīng)該劃分大量的單元。</p><p><b&g

39、t;　　（6）二次單元</b></p><p>　　1）二次單元內(nèi)的位移是二次變化的，故每個(gè)單元上的應(yīng)力狀態(tài)是線性變化的。</p><p>　　2）在描述曲線邊界或曲面時(shí)，要比線性單元更精確，而對(duì)單元扭曲變形不敏感。</p><p>　?。?）P-單元：P-單元內(nèi)的位移是從二階到八階變化的，而且具有求解收斂自動(dòng)控制功能。</p><p

40、>　　3.2.1 定義單元類型</p><p>　　1. 選擇Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete命令，出現(xiàn)Element Type單元類型對(duì)話框，單擊Add按鈕，出現(xiàn)Library of Element Type單元類型列表對(duì)話框。在Library of Element Type對(duì)話框的第1個(gè)列表框中選擇Structura

41、l shell,在第2個(gè)列表框中選擇Elastic 4node 63, Element Type reference number文本框中輸入1。</p><p>　　3. 單擊OK 按鈕，關(guān)閉Library of Element Type對(duì)話框。</p><p>　　4. 單擊Close按鈕，關(guān)閉Element Type對(duì)話框。</p><p>　　3.2.2 定

42、義材料屬性</p><p>　　1. 選擇Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models命令，Define Material Models Behavior(定義材料模型參數(shù))窗口。 </p><p>　　2. 在Material Models Available一欄中雙擊Structural選項(xiàng)，然后雙擊Str

43、uctural選項(xiàng)中的Linear線性材料設(shè)置選項(xiàng)，接著雙擊Linear選項(xiàng)中的Elastic彈性材料設(shè)置選項(xiàng)，最后雙擊Elastic選項(xiàng)中的Isotropic各項(xiàng)同性材料選項(xiàng)，出現(xiàn)Linear Isotropic Properties for Material Number1對(duì)話框 。</p><p>　　3在材料手冊(cè)中查出工作裝置的材料為16mn 鋼，材料的彈性模量E=21000MPa,泊松比μ=0.275，

44、輸入材料的彈性模量為2.1e5，在PRXY文本框中輸入材料的泊松比0.275，單擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。</p><p>　　3.2.3 劃分網(wǎng)格</p><p>　　在劃分網(wǎng)格時(shí)有很多辦法，在這里，我用的是meshtool 工具，選擇Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh Tool命令，出現(xiàn)Mesh Tool對(duì)話框，在Element Att

45、ributes（設(shè)置單元類型）的文本框中選擇Areas,接著選擇Smart Size(設(shè)定自動(dòng)網(wǎng)格劃分精密級(jí)別),把劃分精密級(jí)別設(shè)置為8，在Mesh文本框中選擇Areas接著選擇Free，單擊Mesh按鈕，出現(xiàn) Mesh Tool對(duì)話框，接著單擊Pike All按鈕系統(tǒng)將對(duì)零件自動(dòng)劃分網(wǎng)格，生成下圖的網(wǎng)格模型。</p><p>　　圖3-1 劃分網(wǎng)格后的結(jié)果</p><p>　　其中，

46、鏟斗共被劃分為21368個(gè)節(jié)點(diǎn)，21408個(gè)單元。動(dòng)臂共被劃分為3025個(gè)節(jié)點(diǎn)，3509個(gè)單元。</p><p><b>　　3.3 加載與求解</b></p><p>　　3.3.1 裝載機(jī)參數(shù)與計(jì)算</p><p>　　3.3.1.1 裝載機(jī)參數(shù)</p><p>　　裝載機(jī)的牽引力為35000N，自重58800N

47、,中心到前輪水平距離為1300mm,垂直力作用到前輪水平距離2615.8mm。工作裝置的材料為16mn鋼，彈性模量E=210Gp，泊松比μ=0.275，屈服極限σs =345mpa，在計(jì)算時(shí)，我把鏟斗的安全系數(shù)取為1.8，即鏟斗零件的許用應(yīng)力為[σ]=192 mpa。由于動(dòng)臂的安全性要求較高，故把動(dòng)臂的安全系數(shù)取為3，即動(dòng)臂零件的許用應(yīng)力為[σ]=115 mpa。</p><p>　　3.3.1.2 分析與計(jì)算

48、 </p><p>　　在裝載機(jī)聯(lián)合鏟取時(shí)受力最大，下面就這種工況對(duì)鏟斗和動(dòng)臂分別進(jìn)行計(jì)算。</p><p><b>　　1.鏟斗受力</b></p><p>　　水平力（即插入阻力）由裝載機(jī)的牽引力確定</p><p><b>　　Rx=35000N</b></p><p>

49、;　　垂直力（鏟起阻力）大小受裝載機(jī)的縱向穩(wěn)定條件的限制</p><p>　　Ry= =58800×=26974(N)</p><p>　　式中 G— 裝載機(jī)自重</p><p>　　L1—中心到前輪水平距離</p><p>　　L—,垂直力作用到前輪水平距離</p><p>　　鏟斗的受力示意圖見(jiàn)下圖<

50、;/p><p>　　圖3-2 鏟斗受力圖</p><p>　　2. 動(dòng)臂結(jié)構(gòu)的受力</p><p>　　動(dòng)臂受的力是由鏟斗傳遞的,因此只要求出鏟斗上與動(dòng)臂及拉桿相連接的鉸孔所受的支反力即可.</p><p>　　(1) 求在水平力作用下, 鉸孔所受的支反力</p><p>　　由于鏟斗在此只起到傳遞載荷的作用,因此可以把鏟

51、斗簡(jiǎn)化為一粱單元,如下圖所示</p><p>　　圖3-3在水平力作用下鉸孔受力示意圖</p><p>　　1 為簡(jiǎn)化的鏟斗模型，2為拉桿簡(jiǎn)化模型，A是鏟斗與動(dòng)臂相連的鉸孔，B是與拉桿連接的鉸孔。Lab=450mm,是兩鉸孔之間的垂直距離，Lac=70mm, 是受力點(diǎn)（即斗齒）與動(dòng)臂鉸孔之間的垂直距離。α=20，為拉桿與水平方向的夾角。在這里需要說(shuō)明一點(diǎn)，A點(diǎn)和B點(diǎn)本不在一條豎直線上，這里

52、為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)他們?cè)谝粭l豎直線上，由于它們之間的水平距離很小，對(duì)結(jié)果的影響可以忽略。</p><p><b>　　下面是計(jì)算過(guò)程：</b></p><p><b>　　由 MA=0 得</b></p><p>　　R×Lac=F×Lab</p><p>　　F= R×

53、;=35000×=5444(N)</p><p>　　因?yàn)槔瓧U為一二力桿，所受的力（即F和F的合力）沿著桿的方向，所以</p><p>　　F=F×tan(α)=5444×tan20=1981.5(N)</p><p>　　F=F=1981.5(N)</p><p>　　F=R+F=35000+5444=4044

54、4(N)</p><p>　?。?）求在水平力作用下, 鉸孔所受的支反力</p><p>　　圖3-4在垂直力作用下鉸孔受力示意圖</p><p>　　如上圖所示，CD為垂直力作用點(diǎn)到鉸孔之間的距離。L=1024mm</p><p><b>　　計(jì)算過(guò)程如下：</b></p><p><b&

55、gt;　　由MA=0 得</b></p><p><b>　　F×L=R×L</b></p><p>　　F= R×=26974×=61500(N)</p><p>　　F= F=61500(N)</p><p>　　F= F×tan20=22384(N)&l

56、t;/p><p>　　F= F+ Ry=49358(N)</p><p>　　(3) 下面來(lái)求出各鉸孔所受的總的力。</p><p>　　F= F+ F=61500+40444=101944(N)</p><p>　　F= F+ F=49358+1981.5=51339.5(N)</p><p>　　F=F+F=5444

57、+61500=66944(N)</p><p>　　F=F+F=1981.5+22384=24365.5(N)</p><p>　　動(dòng)臂受的力既是各鉸孔所受的總力的反力。下圖是動(dòng)臂受力示意圖</p><p>　　圖3-5動(dòng)臂受力示意圖</p><p>　　如圖所示，F(xiàn)a為動(dòng)臂兩個(gè)鉸孔受的力，F(xiàn)b為拉桿受的力，其中</p><

58、;p>　　F=101944(N)</p><p>　　F=51339.5(N)</p><p>　　F=66944(N)</p><p>　　F=24365.5(N)</p><p>　　3.3.2 對(duì)工作裝置施加約束與載荷</p><p>　　3.3.2.1 對(duì)零件施加約束載荷(DOF)</p>

59、<p>　　在聯(lián)合鏟取工況下，分別對(duì)鏟斗和動(dòng)臂進(jìn)行約束</p><p>　?。?）對(duì)鏟斗進(jìn)行約束</p><p>　　在對(duì)鏟斗進(jìn)行約束時(shí)，假設(shè)鏟斗與動(dòng)臂相連的鉸孔不動(dòng)，對(duì)三個(gè)鉸孔面施加全約束。具體操作如下：</p><p>　　1. 選擇Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis命令，出現(xiàn)N

60、ew Analysis對(duì)話框，選擇Static單選按鈕，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　　2. 選擇Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Dispalcement>On areas命令，出現(xiàn)Apply U,ROT On areas命令，鼠標(biāo)將相應(yīng)地變成箭頭的形狀，選取需要施加約束的目標(biāo)，單擊Aplly按鈕

61、出現(xiàn)Apply U,ROT on areas對(duì)話框，單擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。約束施加完畢。</p><p>　?。?）對(duì)動(dòng)臂進(jìn)行約束</p><p>　　在對(duì)動(dòng)臂進(jìn)行約束時(shí)，假設(shè)動(dòng)臂和車架相連的鉸孔不動(dòng)，搖臂與油缸相連的鉸孔不動(dòng)。對(duì)三個(gè)鉸孔面施加全約束。具體操作同上</p><p>　　3.3.2.2 對(duì)零件施加集中力載荷</p><p>　

62、　在對(duì)工作裝置施加載荷時(shí)，主要是集中載荷，分為正載和偏載兩種情況。下面對(duì)鏟斗和動(dòng)臂分別施加載荷。</p><p><b>　　對(duì)鏟斗施加載荷。</b></p><p><b>　　正載時(shí)的情況：</b></p><p>　　見(jiàn)上面的鏟斗受力分析，鏟斗主要受一垂直力和一水平力，水平力施加在斗齒的中部，為了更好的模擬鏟斗鏟取時(shí)

63、的受力情況，我把水平力平均的分為12份，分別加在6個(gè)斗齒的12個(gè)節(jié)點(diǎn)上。</p><p>　　垂直力施加在斗齒的底部，同樣，為了為了更好的模擬鏟斗鏟取時(shí)的受力情況，我把垂直力平均的分為27份，分別加在6個(gè)斗齒和斗齒中間的鏟斗內(nèi)面27個(gè)節(jié)點(diǎn)上。</p><p><b>　　偏載時(shí)的情況：</b></p><p>　　以上是根據(jù)正面切入，載荷對(duì)稱的

64、情況施加載荷的，這是使用最多的情況。事實(shí)上還經(jīng)常發(fā)生載荷不對(duì)稱的情況，如一邊斗刃鏟土，而另一邊鏟到堅(jiān)硬物料的情況。這時(shí)載荷不再對(duì)稱。施加載荷時(shí)就不能平均了。我是這樣操作的：把水平力和垂直力都按1：6的比例分成兩份，然后在鏟斗刃上平均取20個(gè)點(diǎn)。把比例小的那份水平力和垂直力平均加在左側(cè)斗刃上，把比例大的那份水平力和垂直力平均加在右側(cè)斗刃上，加載的部位同正載時(shí)相同。</p><p><b>　　對(duì)動(dòng)臂施加載

65、荷</b></p><p><b>　　正載時(shí)的情況：</b></p><p>　　把上面計(jì)算的動(dòng)臂受力Fa平均分為4份，分別加在動(dòng)臂兩個(gè)鉸孔的4個(gè)節(jié)點(diǎn)上，把拉桿受力 Fb平均分為2份, 分別加在拉桿鉸孔的2個(gè)節(jié)點(diǎn)上。</p><p><b>　　偏載時(shí)的情況：</b></p><p>

66、　　把拉桿受力 Fb平均分為2份, 分別加在拉桿鉸孔的2個(gè)節(jié)點(diǎn)上。而把動(dòng)臂受力Fa平均分為2份，都加在右邊動(dòng)臂鉸孔的個(gè)節(jié)點(diǎn)上，左邊不加，模擬偏載時(shí)的情況。</p><p><b>　　具體的操作如下：</b></p><p>　　選擇Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Forc

67、e/Moment>On Nodes命令,出現(xiàn)Apply F/M on Node對(duì)話框，選擇pick,找到要加載荷的那個(gè)節(jié)點(diǎn)，選中，單擊Apply按鈕，出現(xiàn)Apply F/m on Nodes對(duì)話框，輸入力的大小，選擇載荷類型。單擊OK關(guān)閉Apply F/m on Nodes對(duì)話框,然后在單擊Ok關(guān)閉Apply F/M on Node對(duì)話框,這樣，載荷便施加上去。</p><p>　　下圖是施加載荷和約束時(shí)的

68、情況：</p><p>　　圖3-6 a 正載時(shí)鏟斗所加的載荷和約束</p><p>　　圖3-6 b 偏載時(shí)鏟斗所加的載荷和約束</p><p>　　圖3-6c正載時(shí)動(dòng)臂所加的載荷和約束</p><p>　　圖3-6d 偏載時(shí)動(dòng)臂所加的載荷和約束</p><p><b>　　3.3.3 求解</b

69、></p><p>　　在ANSYS軟件中，計(jì)算機(jī)能夠求解出由有限元方法建立的聯(lián)立方程，求解的結(jié)果為</p><p>　　節(jié)點(diǎn)的自由度值：ANSYS的基本解。</p><p>　　導(dǎo)出值：ANSYS的單元解；單元解通常是在單元幾分點(diǎn)上計(jì)算出來(lái)的，ANSYS程序?qū)⒔Y(jié)果寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)和結(jié)果文件。</p><p>　　ANSYS軟件中有幾種解聯(lián)立

70、方程的方法：波前法、稀疏矩陣直接解法、雅可比共軛梯度法(JCG)、不完全橋類斯基共軛梯度法（ICCG）、預(yù)置條件共軛梯度法(PCG)、自動(dòng)迭代法（ITER）等，其中波前法為默認(rèn)解法。</p><p>　　求解的過(guò)程大部分是由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成的。在進(jìn)行求解的操作，一般包括三個(gè)基本過(guò)程</p><p>　?。?）求解控制的設(shè)置。</p><p>　　（2）檢查模型準(zhǔn)備是否

71、就緒。</p><p>　?。?）保存數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)始求解。</p><p>　　在求解初始化前，對(duì)模型進(jìn)行分析數(shù)據(jù)檢查是很必要的，主要包括如下內(nèi)容：</p><p><b>　?。?）統(tǒng)一的單位。</b></p><p>　　（2）單元類型和選項(xiàng)。</p><p>　　（3）材料性質(zhì)參數(shù)是否正確。&

72、lt;/p><p>　?。?）實(shí)常數(shù)（單元特性）。</p><p>　?。?）單元實(shí)常數(shù)和材料類型的設(shè)置。</p><p>　?。?）實(shí)體模型的質(zhì)量特性。</p><p><b>　?。?）面力方向</b></p><p><b>　　（8）集中體積載荷</b></p>

73、;<p>　　細(xì)致的分析前檢查是準(zhǔn)確求解的有利保障。</p><p>　　保存數(shù)據(jù)庫(kù)也是必要的，這是為了避免求解過(guò)程中的非正確程序錯(cuò)誤中止時(shí)丟失數(shù)據(jù)，便于通過(guò)恢復(fù)數(shù)據(jù)庫(kù)，修改邊界條件和求解控制，進(jìn)行重新求解。</p><p>　　在分析的過(guò)程中如果出現(xiàn)求解沒(méi)有結(jié)果，通常是輸入的模型不完整，或模型在創(chuàng)建時(shí)存在不符合實(shí)際的錯(cuò)誤，典型的原因有：</p><p&g

74、t;　?。?）約束不夠，這是常見(jiàn)的問(wèn)題。</p><p>　　（2）材料性質(zhì)參數(shù)出現(xiàn)負(fù)值，如密度等。</p><p>　　（3）當(dāng)模型中有非線性單元，如縫隙、滑塊等，整體或部分結(jié)構(gòu)出現(xiàn)崩潰或“松脫”造成計(jì)算不收斂。具體操作步驟如下：</p><p>　　選擇Main Menu>Solution>Solve>Current LS.命令,系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)計(jì)

75、算結(jié)果。隨后將出現(xiàn)Solution is done的對(duì)話框,表示已經(jīng)計(jì)算完畢。</p><p>　　4．動(dòng)臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性分析</p><p>　　4 .1 可靠性概述</p><p>　　4.1.1 可靠性的定義</p><p>　　可靠性的定義是：產(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。</p><p

76、>　　理解這一定義應(yīng)注意下列幾個(gè)要點(diǎn)：</p><p>　　1）“產(chǎn)品”指作為單獨(dú)研究和分別實(shí)驗(yàn)對(duì)象的任何元件、零件、部件、設(shè)備、機(jī)組等。甚至還可以把人的因素也包括在內(nèi)。在具體使用“產(chǎn)品”這一詞時(shí)，必須明確其確切含義。</p><p>　　2）“規(guī)定的條件”一般是使用條件、維護(hù)條件、環(huán)境條件、操作技術(shù)，如載荷、溫度、壓力、濕度、振動(dòng)、噪聲、磨塤、腐蝕等。</p><

77、;p>　　3）“規(guī)定的時(shí)間區(qū)間”，可靠度是隨時(shí)間而降低，產(chǎn)品只能在一定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)才能達(dá)到目標(biāo)可靠度。因此，對(duì)時(shí)間的規(guī)定一定要明確。需要指出的是這里的時(shí)間，不僅僅指的是日歷時(shí)間，根據(jù)產(chǎn)品的不同，還可能是與時(shí)間成比例的次數(shù)、距離等，如應(yīng)力循環(huán)次數(shù)、汽車的行駛里程等。</p><p>　　4）“規(guī)定的功能”，首先要明確具體產(chǎn)品的功能是什么，怎樣才算是完成規(guī)定的功能。產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能稱為失效，對(duì)可修復(fù)產(chǎn)品也稱為

78、故障。怎樣才算是失效或故障，有時(shí)是很容易判定的，但更多的情況是很難判定的。例如，對(duì)于某個(gè)齒輪，輪齒的折斷顯然就是失效；但當(dāng)齒面發(fā)生了某種程度的磨損，對(duì)于某些精密或重要的機(jī)械來(lái)說(shuō)該齒輪就是失效，而對(duì)某些機(jī)械并不影響正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此就不能算失效。對(duì)一些大型設(shè)備來(lái)說(shuō)更是如此。因此，必須明確地規(guī)定產(chǎn)品的功能。</p><p>　　5）“能力”只是定性的分析是不夠的，應(yīng)該加以定量的描述。產(chǎn)品的失效或故障具有偶然性，一個(gè)確定的

79、產(chǎn)品在某段時(shí)間的工作情況并不能很好的反映該產(chǎn)品可靠性的高低，應(yīng)該大量觀察該種產(chǎn)品在某段時(shí)間的工作情況并進(jìn)行合理的處理后才能正確反映該種產(chǎn)品的可靠性。因此，這里所說(shuō)的能力具有統(tǒng)計(jì)學(xué)的意義，需要用概率論和樹(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)處理。</p><p>　　4.1.2 可靠性的特征量</p><p>　　表示產(chǎn)品總體可靠性水平高低的各種可靠性指標(biāo)稱為可靠性特征量?？煽啃蕴卣髁康恼嬷凳抢碚撋系臄?shù)值，實(shí)際

80、中是不知道的。根據(jù)樣本觀測(cè)值，經(jīng)一定的統(tǒng)計(jì)分析可得到特征量的真值的估計(jì)值。估計(jì)值可以是點(diǎn)估計(jì)，也可以是區(qū)間估計(jì)。按一定的標(biāo)準(zhǔn)給出具體定義而計(jì)算出來(lái)的特征量的估計(jì)值稱為特征量的觀測(cè)值</p><p>　　常用的可靠性特征量有可靠度、累積失效概率（或不可靠度）、平均壽命、可靠壽命、失效率等。</p><p><b>　　1．可靠度</b></p><p

81、>　　可靠度是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。一般記為R，由于它是時(shí)間的函數(shù)，故也記為R（t）,稱為可靠度函數(shù)。</p><p>　　如果用隨機(jī)變量T表示產(chǎn)品從開(kāi)始工作到發(fā)生失效或故障的時(shí)間，概率密度為f(t) ,則該產(chǎn)品在某已指定時(shí)刻t的可靠度</p><p>　　R(t)=P(T>t)= dt

82、 （4-1）</p><p>　　對(duì)于不可修復(fù)產(chǎn)品，可靠度的觀測(cè)值是指直到規(guī)定時(shí)間區(qū)間終了為止，能完成規(guī)定功能的產(chǎn)品Ns(t)在該區(qū)間開(kāi)時(shí)時(shí)，投入工作的產(chǎn)品數(shù)N之比，即</p><p>　　(t)==1- （4-2）</p><p>　　式中：Nf(t)—到t時(shí)刻未完成規(guī)定功能的產(chǎn)品數(shù)。</

83、p><p>　　對(duì)可修復(fù)產(chǎn)品，可靠度觀測(cè)值是指一個(gè)或多個(gè)產(chǎn)品的無(wú)故障工作時(shí)間達(dá)到或超過(guò)規(guī)定時(shí)間的次數(shù)與觀測(cè)時(shí)間內(nèi)無(wú)故障工作的總次數(shù)之比，即</p><p>　　(t )= （4-3）</p><p>　　式中：N─觀測(cè)時(shí)間內(nèi)無(wú)故障工作的總次數(shù)，每個(gè)產(chǎn)品的最后一次無(wú)故障工作時(shí)間若未超過(guò)規(guī)定時(shí)間則不予記入；&l

84、t;/p><p>　　Ns(t)—無(wú)故障工作 時(shí)間達(dá)到或超過(guò)規(guī)定時(shí)間的次數(shù)。</p><p>　　上述可靠度公式中的時(shí)間是從零算起的，實(shí)際使用中常需知道工作過(guò)程中某一段 執(zhí)行任務(wù)時(shí)間的可靠度，即需要知道已經(jīng)工作t1 后再繼續(xù)工作t2 的可靠度。</p><p>　　從時(shí)間t1 工作到t1 +t2 的條件可靠度稱為任務(wù)可靠度，記為R(t1 +t2｜t1).有條件概率知&

85、lt;/p><p>　　R(t1 +t2｜t1) = P(T> t1 +t2|T> t1) = （4-4）</p><p><b>　　2.累積失效概率</b></p><p>　　累積失效概率是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)未完成規(guī)定功能的概率，也稱為不可靠度。一般記F或F(t)<

86、/p><p>　　因?yàn)橥瓿梢?guī)定功能與未完成功能是對(duì)立事件，按概率互補(bǔ)定理有</p><p>　　F(t)=1-R(t)=P(T≤t)= dt （4-5）</p><p><b>　　3．平均壽命</b></p><p>　　平均壽命是壽命的平均值。對(duì)不可修復(fù)產(chǎn)品指失效前的

87、平均時(shí)間，一般記為MTTF；對(duì)可修復(fù)的產(chǎn)品則指平均無(wú)故障工作時(shí)間，一般記為MTBF。它們都表示無(wú)故障工作時(shí)間T的數(shù)學(xué)期望E(T),或記為</p><p>　　若已知T的概率密度f(wàn)(t),則</p><p>　　=E(T)=dt （4-6） </p><p>　　4.可靠壽命和中位壽命&

88、lt;/p><p>　　可靠壽命是指定的可靠度所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，一般記為t(R)</p><p>　　一般可靠度隨著工作時(shí)間t的增大而下降。給定不同的R，則有不同的t(R)</p><p><b>　　即</b></p><p>　　t(R)=(R)

89、 （4-7）</p><p>　　式中：—R的反函數(shù)，即由R(t)=R反求t。 </p><p>　　4.2基于ANSYS的可靠性分析</p><p>　　4.2.1 ANSYS概率分析功能概述</p><p>　　ANSYS是一個(gè)功能非常強(qiáng)大的有限元分析軟件,其提供的概率分析功能可以解決以下問(wèn)題:根據(jù)模型中輸入?yún)?shù)的不確定性計(jì)算待求結(jié)果

90、變量的不確定性;確定由于輸入?yún)?shù)的不確定性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效概率數(shù)值;已知容許失效概率確定結(jié)構(gòu)行為的容許范圍如最大變形、最大應(yīng)力等;判斷對(duì)輸出結(jié)果和失效概率影響最大的參數(shù),計(jì)算輸出結(jié)果相對(duì)于輸入?yún)?shù)的靈敏度;確定輸入變量、輸出變量之間的相關(guān)系數(shù)等</p><p>　　4.2.2 在ANSYS中進(jìn)行可靠性分析的理論概述</p><p>　　結(jié)構(gòu)的可靠度是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)、規(guī)定的條件下(正常使

91、用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài))完成預(yù)定功能的概率。如結(jié)構(gòu)的基本變量由X1,X2,…,Xn組成,且結(jié)構(gòu)功能Z為基本變量的函數(shù),則結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)(極限狀態(tài)函數(shù))可表示為:Z=g(X1,X2,…,Xn)。在概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)理論中,極限狀態(tài)方程為:g(X1,X2,…,Xn)=0。通常在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,基本變量X1,X2,…,Xn為隨機(jī)變量,如果把基本變量歸結(jié)為結(jié)構(gòu)抗力R和載荷效應(yīng)S兩大類,則結(jié)構(gòu)功能函數(shù)可簡(jiǎn)化為:Z=R-S。所以在概率極限狀態(tài)的結(jié)構(gòu)

92、設(shè)計(jì)中,必須滿足下列條件,即:Z=g(R,S)=R-S≥0。由可靠性理論可知,求一個(gè)結(jié)構(gòu)的可靠度就是求極限狀態(tài)函數(shù)g(X)≥0的概率,所以,利用ANSYS概率分析功能計(jì)算出g(X)≥0的概率,就得到了結(jié)構(gòu)的可靠度。</p><p>　　4.2.3 在ANSYS中進(jìn)行結(jié)構(gòu)的可靠性分析需要做的工作</p><p>　　在ANSYS中進(jìn)行結(jié)構(gòu)的可靠性分析時(shí),通常由生成分析文件、可靠性分析階段、

93、結(jié)果后處理三個(gè)步驟組成。首先要建立結(jié)構(gòu)的循環(huán)分析文件,可以采用批處理(命令流)方式和交互(GUI)方式或兩者結(jié)合進(jìn)行,它包括預(yù)處理模塊、求解模塊、結(jié)果提取等內(nèi)容。由于分析程序通過(guò)重復(fù)執(zhí)行分析文件來(lái)完成可靠性分析的循環(huán),因此必須保證分析文件的正確性、完整性并盡量去掉冗余命令。其中預(yù)處理模塊主要工作為設(shè)定單元類型、實(shí)常數(shù)、材質(zhì),構(gòu)建結(jié)構(gòu)實(shí)體模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分等;求解模塊中定義分析類型及相應(yīng)選項(xiàng)、施加載荷、確定載荷步選項(xiàng)等并求解;求解結(jié)參數(shù)。

94、在可靠性分析階段,主要工作包括指定可靠性分析文件、選擇和定義輸入變量以及輸出變量之間的相關(guān)系數(shù)、確定各輸入變量服從的分布類型和分布函數(shù)、選擇分析工具和方法(蒙特卡羅法或響應(yīng)面法等)。而后處理階段則通常包括抽樣過(guò)程顯示、繪制設(shè)計(jì)變量取值分布圖、繪制失效概率分布函數(shù)、確定結(jié)構(gòu)可靠性分析中輸入變量和輸出變量的相關(guān)系數(shù)矩陣、假定已知結(jié)構(gòu)的失效概率尋找對(duì)應(yīng)的輸入變量、靈敏度分析、生成分析報(bào)告等。</p><p>　　4.3

95、 用ANSYS對(duì)裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行可靠性分析的具體操作</p><p>　　4.3.1 問(wèn)題描述</p><p>　　由于裝載機(jī)工作裝置在正載情況下一般不會(huì)發(fā)生失效，這里我只對(duì)偏載情況進(jìn)行可靠性分析，至于載荷和約束在前面靜力分析中已有說(shuō)明，這里就不再多說(shuō)。</p><p><b>　　極限狀態(tài)函數(shù)為</b></p><p&g

96、t;　　g(x)= - （4-8）</p><p>　　─ 工作裝置材料的許用應(yīng)力</p><p>　　─ 工作裝置在偏載時(shí)出現(xiàn)的最大應(yīng)力</p><p>　　工作裝置的使用可靠性就是 g(x)>0 的概率 </p><p>　　4.3.2 進(jìn)行可靠性分析的具體步驟

97、</p><p><b>　　1．定義參數(shù)變量</b></p><p>　　（1）選擇 Utility Menu>Parameters>Scalar parameters 命令，彈出【Scalar parameters】面板，</p><p>　?。?）在【selection】設(shè)置框中分別輸入 “young=210000”,”thi

98、ckness=34”,”fx1=33472”,”fx2=50972”，“fy1=12183”,”fy2=25672”.然后分別依次單擊 Accept 確認(rèn)。</p><p>　　2． 從proe中導(dǎo)入動(dòng)臂模型，定義單元類型，定義材料屬性，劃分網(wǎng)格，</p><p>　　施加約束，載荷，然后求解。具體操作步驟在前面靜力分析中已經(jīng)介紹，這里不在說(shuō)明。只是有一點(diǎn)不同，那就是輸入各種值的時(shí)候，要把

99、第一步設(shè)置的參數(shù)輸進(jìn)去，不要輸入數(shù)字值。</p><p><b>　　3． 后處理階段 </b></p><p>　　后處理階段主要工作就是提取可靠性分析所需要的最大位移量，最大應(yīng)力值，以及材料屈服極限與最大應(yīng)力的差值。具體操作：</p><p>　?。?）選擇 Utility Menu>Select>Entities 命令，彈出【

100、Select Entities】對(duì)話框。</p><p>　?。?）在選擇對(duì)象欄中選擇【Nodes】選項(xiàng)，單擊sele All 按紐，選中所有節(jié)點(diǎn)。</p><p>　　（3）選擇Main>General Postprocessor>List Results>Sorted Listing-Sort Nodes 命令，彈出【sort nodes】對(duì)話框。</p&g

101、t;<p>　?。?）在【ORDER】選擇欄中選擇【Ascending order】選項(xiàng)，在【KABS】選擇欄中選擇【YES】，在【Item,comp】選擇欄中選擇【 DOF solution】和【Translation USUM】</p><p>　　（5）在命令流窗口輸入*get,maxdeflection,sort,0,max,按回車確認(rèn)，提取最大的總變形</p><p&g

102、t;　?。?）選擇Main>General Postprocessor>List Results>Sorted Listing-Sort Nodes 命令，彈出【sort nodes】對(duì)話框。</p><p>　?。?）在【ORDER】選擇欄中選擇【Ascending order】選項(xiàng)，在【KABS】選擇欄中選擇【YES】，在【Item,comp】選擇欄中選擇【stress】和【von mis

103、es SEQV】</p><p>　?。?）在命令流窗口輸入*get,maxstress,sort,0,max,按回車確認(rèn)，提取最大的節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力。</p><p>　　（9）這是最關(guān)鍵的一步，為可靠性分析建立一個(gè)分析文件，在這里用utility>file>write DB log file,建立一個(gè)宏文件dongbi.mac ,文件dongbi.mac包含了一個(gè)對(duì)受偏載的動(dòng)臂

104、進(jìn)行分析的完整過(guò)程。選擇utility>file>read input from 命令，彈出【Read File】對(duì)話框，讀取dongbi.mac 文件。</p><p>　　4 可靠性分析階段。</p><p>　　第一步：進(jìn)入PDS和規(guī)定分析文件</p><p>　　（1）選擇Main Menu> Prob Design> Analysi

105、s File> Assign命令，彈出【Assign deterministic model file】對(duì)話框</p><p>　?。?）在【Analysis File】設(shè)置框中輸入分析文件名“dongbi.mac”，單擊 ok 按鈕，確認(rèn)輸入。</p><p>　　第二步：定義輸入變量及它們的分布類型</p><p>　?。?）選擇Main Menu>

106、 Prob Design>Random input 命令，彈出【Random input Variables】對(duì)話框.</p><p>　?。?）單擊 add按鈕，彈出【Define a Random Variables】對(duì)話框.</p><p>　　在【Select a parameter】選擇欄中依次選擇“thickness”,”young”,”fx1”,”fx2”,”fy1”

107、,”fy2”選項(xiàng)作為輸入變量。</p><p>　　（3）在【Distribution Type】選擇欄中為它們選擇不同的分布類型</p><p>　　下表是各隨機(jī)變量參數(shù)及它們的分布類型</p><p><b>　　表4—1</b></p><p>　　注：① t 代表thickness,</p><

108、;p>　　lower 代表lower Boundary</p><p>　　Upper代表Upper Boundary</p><p>　　第三步 ：定義輸出變量</p><p>　　（1） 選擇Main Menu> Prob Design>Random output 命令，彈出【Random output parameters】對(duì)話框.單擊

109、add按鈕，彈出【Define a Random output parameter】對(duì)話框</p><p>　?。?）在【Select parameter】選擇欄中依次選“maxdeflection”,”maxstress”, 單擊 ok 按鈕，確認(rèn)輸入。</p><p>　　第四步：選擇分析方法進(jìn)行分析</p><p>　　我使用的是蒙特卡羅法中的拉丁超方法進(jìn)

110、行可靠性分析</p><p>　?。?）選擇 Main Menu>prob Design>Monte Carlo Sims 命令，彈出【Monte Carlo Simulation】對(duì)話框。</p><p>　?。?）在【Sampling Method】選擇欄中選擇【Latin Hypercube】單選項(xiàng)，單擊 ok 按鈕，彈出【Options for Latin-Hyperc

111、ube Sampling】對(duì)話框。</p><p>　?。?）在【Number Seed Option】選擇欄中選擇【Use 1234567 INIT】單選項(xiàng)，單擊 ok 按鈕。</p><p>　?。?）在【Solution Set Label】設(shè)置框中輸入“dongbi”, 單擊 ok 按鈕,執(zhí)行可靠性分析。</p><p>　　5. 結(jié)果顯示及分析</p

112、><p>　　5.1 靜力分析的結(jié)果及其分析</p><p>　　ANSYS中，結(jié)果的顯示是在后處理器中完成的。ANSYS中提供兩個(gè)用于后處理的處理器，其中靜力學(xué)中廣泛應(yīng)用的是通用后處理器POST1，它可以顯示某一特定時(shí)間或某一頻率下的結(jié)果。</p><p>　　這里要指出的是，ANSYS的后處理僅僅是用于檢查分析結(jié)果的輔助工具，仍然需要通過(guò)使用者的工程判斷力來(lái)真正對(duì)結(jié)

113、果進(jìn)行分析與解釋，例如應(yīng)力云圖可能表明模型中的最高應(yīng)力為1500Mpa,必須由設(shè)計(jì)者根據(jù)實(shí)際情況判斷這個(gè)結(jié)果是否與實(shí)際相符，并確定這個(gè)應(yīng)力水平是否符合設(shè)計(jì)要求。具體操作步驟如下：</p><p>　　1.選擇Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu命令，出現(xiàn)Contour Nodal Solution D

114、ata對(duì)話框。在Item,Comp Item to be contoured的第一個(gè)列表中分別選取DOF solution、Stress、Straion-total在第二個(gè)列表中再分別選取相應(yīng)的值，單擊Apply按鈕,屏幕上將顯示相應(yīng)的云圖。</p><p>　　2.選擇Main Menu>General Postproc>List Rusluts>Reaction Solu命令,出現(xiàn)List