畢業(yè)設(shè)計(jì)--27m³礦用挖掘機(jī)斗桿結(jié)構(gòu)有限元分析

1、<p>　　本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　中文題目：27m³礦用挖掘機(jī)斗桿結(jié)構(gòu)有限元分析 </p><p>　　英文題目：The Finite Element Analysis of the Dipper</p><p>　　Handle of the 27 m3 Mining Shovel</p><p

2、><b>　　摘 要</b></p><p>　　挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，往往是多發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，其工作環(huán)境惡劣，外載荷隨機(jī)性變化，因此在設(shè)計(jì)大型礦用挖掘機(jī)時(shí)，為了使其能夠作業(yè)安全，工作順暢，除必要的理論分析和靜強(qiáng)度計(jì)算外，還必須要進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析和有限元分析，以保證在設(shè)計(jì)之初機(jī)械的動(dòng)強(qiáng)度及可靠性。</p><p>　　介紹了國(guó)內(nèi)外挖掘機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r，以及本課題研究的意

3、義及內(nèi)容。本文是對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)及有限元分析，適應(yīng)我國(guó)礦用挖掘機(jī)發(fā)展的需要，充分利用前人的研究成果和已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在P&H-2300的基礎(chǔ)上對(duì)斗容為27 的大型礦用挖掘機(jī)的斗桿進(jìn)行分析。對(duì)機(jī)械式單斗挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，并斗桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定了斗桿的結(jié)構(gòu)尺寸。簡(jiǎn)單介紹斗桿模型的建立過(guò)程以及所用軟件的發(fā)展過(guò)程及應(yīng)用特點(diǎn)，然后將UG中建立的斗桿的模型導(dǎo)入ANSYS中。文章結(jié)尾介紹了有限元分析軟件在靜力分析的應(yīng)

4、用，針對(duì)挖掘機(jī)斗桿在不同工況下的受力，應(yīng)用靜力分析模塊對(duì)斗桿的簡(jiǎn)化模型受力情況進(jìn)行了分析，得到其應(yīng)力變化情況，并得到最大單元的位置。我們以后要做的工作是建立起有限元的有效性評(píng)估機(jī)制，結(jié)合實(shí)體模型仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析誤差產(chǎn)生的原因，研究出一個(gè)更有效更快捷的分析體制。</p><p>　　關(guān)鍵詞：斗桿 有限元分析 UG ANSYS</p><p><b>　　ABSTRACT&l

5、t;/b></p><p>　　The construct of excavator is very complex and the multiple movers often work simultaneously. At the same time its working environment is very bad and the eternal load varies randomly. As a

6、 result, when designing the new product of excavator, in order to ensure the performance safety, the designer not only has the basic theory analysis on static load computing, but also do necessary work about the kinetics

7、 of mechanism to qualify the dynamic reliability in the period of designing. </p><p>　　The first novel is devoted to write the development of domestic and theforeign excavators, As well as the study of the

8、subject content and significance.To meet ou- rs development requires, this paper make dynamics simulation and finite element a- nalysis of mining excavator equipment which capacity is 27 m3. It introduced the s- tructure

9、 of the mechanical shovels, and analyzed the structure of its working equeq- uipment. According to the empirical formula to determine of the equipment structu- r</p><p>　　Key word: working equipment UG AN

10、SYS FEM</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p><b>　　1.1概述1</b></p><p>　　1.2機(jī)械式挖掘機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r1</p><p>　　1.3市

11、場(chǎng)前景分析3</p><p>　　1.4本論文研究的必要性及意義4</p><p>　　1.5本論文研究的內(nèi)容4</p><p>　　第2章 斗桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6</p><p>　　2.1礦用挖掘機(jī)工作裝置簡(jiǎn)介6</p><p>　　2.2斗桿的結(jié)構(gòu)分析7</p><p>　　2.3斗

12、桿的設(shè)計(jì)計(jì)算8</p><p>　　2.4斗桿應(yīng)力的計(jì)算9</p><p>　　第3章 斗桿模型的建立11</p><p>　　3.1UG概述11</p><p>　　3.1.1應(yīng)用軟件UG簡(jiǎn)介11</p><p>　　3.1.2 UG軟件的特點(diǎn)12</p><p>　　3.2參考模

13、型的創(chuàng)建13</p><p>　　3.3斗桿模型的導(dǎo)入過(guò)程14</p><p>　　第4章 斗桿的有限元仿真分析16</p><p>　　4.1 有限元方法概述16</p><p>　　4.2 有限元方法的歷史17</p><p>　　4.3 有限元方法的基本思想19</p><p>

14、;　　4.4 有限元法的分析步驟19</p><p>　　4.5 應(yīng)用軟件 ANSYS的介紹20</p><p>　　4.5.1 ANSYS軟件簡(jiǎn)介20</p><p>　　4.5.2 ANSYS的主要特點(diǎn)21</p><p>　　4.6 有限元模型的建立22</p><p>　　4.7 單元類型的選擇23

15、</p><p>　　4.8 網(wǎng)格劃分簡(jiǎn)介23</p><p>　　4.8.1選擇網(wǎng)格劃分方式23</p><p>　　4.8.2指定單元?jiǎng)澐中螤?4</p><p>　　4.9 邊界條件24</p><p>　　4.10 工況的確定及載荷計(jì)算25</p><p>　　4.10.1工況

16、125</p><p>　　4.10.2工況226</p><p>　　4.11 斗桿強(qiáng)度剛度分析28</p><p>　　4.11.1 工況128</p><p>　　4.11.2 工況230</p><p><b>　　第5章 結(jié)論32</b></p><p&g

17、t;<b>　　5.1結(jié)論32</b></p><p><b>　　5.2展望32</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)33</b></p><p><b>　　致 謝35</b></p><p><b>　　緒論</b&g

18、t;</p><p><b>　　概述</b></p><p>　　目前，大型礦用機(jī)械式電鏟挖掘機(jī)在國(guó)內(nèi)、國(guó)際的礦山開(kāi)采及工程施工行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，其性能的優(yōu)劣對(duì)生產(chǎn)率的有很大的影響。在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的今天，如何提高產(chǎn)品的質(zhì)量是提高其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。</p><p>　　大型礦用機(jī)械式電鏟挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，絕大多數(shù)是多發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)

19、動(dòng)，其工作環(huán)境十分惡劣，外載荷隨機(jī)性變化，因此在設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí)，為了使其能夠作業(yè)安全，工作順暢，除必要的理論分析和靜強(qiáng)度計(jì)算外，還必須要進(jìn)行動(dòng)力學(xué)、動(dòng)力學(xué)及有限元分析，以保證機(jī)械設(shè)計(jì)的可靠性和性能的優(yōu)化。</p><p>　　1.2機(jī)械式挖掘機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　1954年我國(guó)第一臺(tái)斗容量為1的機(jī)械傳動(dòng)式正鏟挖掘機(jī)試制成功, 開(kāi)始了我國(guó)挖掘機(jī)的生產(chǎn)。1977年研制出WK--l

20、0（斗容量為8-12),WD-2000（斗容量為10-15)，才使大型礦用挖掘機(jī)生產(chǎn)有了新的突破。隨著采礦工業(yè)的發(fā)展，我國(guó)從美國(guó)P&H公司引進(jìn)技術(shù)，生產(chǎn)了斗容量為16和23的P&H-2300XP和P&H-2800XP兩種大型挖掘機(jī)，并投入礦山使用。這兩種挖掘機(jī)的試制成功，標(biāo)志著我國(guó)的機(jī)械式電鏟挖掘機(jī)制造技術(shù)又前進(jìn)了一步。雖然我國(guó)機(jī)械式電鏟挖掘機(jī)制造近年來(lái)有很大的發(fā)展，但其產(chǎn)品質(zhì)量與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還是相當(dāng)落后的，這不

21、僅反映在工藝水平上，還反映在設(shè)計(jì)水平上。在大型礦用挖掘機(jī)方面的主要差距體現(xiàn)為鏟斗容量仍然較小、可靠性較差及工作循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)等等 。</p><p>　　近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)能源和資源產(chǎn)品的開(kāi)采使用將以規(guī)?；?、高效化和清潔化為主要方向。根據(jù)國(guó)家規(guī)劃，未來(lái)5-10年，國(guó)家將以建設(shè)千萬(wàn)噸級(jí)以上的特大型露天煤礦和現(xiàn)代化大型礦井為主，建設(shè)大型礦業(yè)基地將成為煤炭行業(yè)發(fā)展的重要方向。冶金工業(yè)也面臨礦山大型化和設(shè)備大

22、型化的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)大型礦用挖掘機(jī)的需求也十分強(qiáng)勁。</p><p>　　長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)露天礦山所使用的20至50立方米大型礦用挖掘機(jī)，一直全部為進(jìn)口或與外國(guó)公司合作生產(chǎn)的產(chǎn)品，其核心制造技術(shù)被國(guó)外公司所壟斷。2006年以來(lái)公司成功的研制了具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的20、27的挖掘機(jī)，打破了國(guó)外公司在大型礦用機(jī)械的產(chǎn)品和技術(shù)壟斷，也使公司成為世界上少數(shù)幾個(gè)自主生產(chǎn)大型礦用機(jī)械的企業(yè)之一。</p><p&

23、gt;　　此次技術(shù)改造將在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行自主研制、開(kāi)發(fā)，適合年產(chǎn)2000萬(wàn)噸級(jí)及以上大型露天礦的礦用挖掘機(jī)，新增年產(chǎn)量為28臺(tái)。從需求方面看，預(yù)計(jì)國(guó)內(nèi)新增需求量將在50臺(tái)以上。我們認(rèn)為，在礦山機(jī)械大型化和進(jìn)口替代的大背景下，公司的新項(xiàng)目在未來(lái)銷售方面不會(huì)有明顯的壓力。</p><p>　　近年來(lái)，隨著高新技術(shù)不斷地在礦山設(shè)備中的應(yīng)用，以及為適應(yīng)日益增大的礦用汽車的鏟裝需要，礦用挖掘機(jī)正朝著大型化和智能化方向發(fā)展，

24、由于挖掘機(jī)在露天采礦和土建工程中的廣泛應(yīng)用，許多工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家都比較重視挖掘機(jī)生產(chǎn)。目前國(guó)外制造大型挖掘機(jī)的國(guó)家主要有美國(guó)、日本和西德，法國(guó)、英國(guó)、意大利、捷克、瑞典等國(guó)家也有一定的生產(chǎn)規(guī)?！，F(xiàn)將幾個(gè)主要發(fā)達(dá)國(guó)家的挖掘機(jī)生產(chǎn)概況分別闡述如下。</p><p>　　單斗挖掘機(jī)發(fā)展較早的國(guó)家是美國(guó)。1933年美國(guó)機(jī)械工程師取得了單斗挖掘機(jī)的發(fā)明權(quán)，1936 年制造出世界上第一臺(tái)機(jī)械傳動(dòng)挖掘機(jī)，其挖掘機(jī)生產(chǎn)技術(shù)一直處于

25、領(lǐng)先地位，尤其是大容量的礦用挖掘機(jī)幾乎壟斷了資本主義市場(chǎng)，并在機(jī)械性能、結(jié)構(gòu)、電器傳動(dòng)技術(shù)和運(yùn)行可靠性方面遙遙領(lǐng)先。美國(guó)是出口挖掘機(jī)主要國(guó)家之一，每年出口量一般占1/4以上。美國(guó)生產(chǎn)的挖掘機(jī)關(guān)鍵零部件壽命較長(zhǎng)并且設(shè)備重量較輕。</p><p>　　美國(guó)生產(chǎn)挖掘機(jī)的公司主要有Bucyrus&Eris公司（簡(jiǎn)稱B&E公司）、Harnischfigier公司（簡(jiǎn)稱P&H公司）、馬里恩公司等三十多

26、家。其中：B&E公司的主要產(chǎn)品有395-B、295-B、295-B1、290-B等型；P&H公司的主要產(chǎn)品有P&H-2300、P&H-2800 、P&H-1900AL、P&H-2100BL 等型；馬里恩公司的主要產(chǎn)品有204-M、201-M、191-M等型。挖掘機(jī)生產(chǎn)的專業(yè)化和充足的備件是美國(guó)</p><p>　　挖掘機(jī)工業(yè)的特點(diǎn)，鏟斗、斗齒、履帶板、離合器、制動(dòng)器

27、、司機(jī)室等都有專業(yè)生產(chǎn)廠。</p><p><b>　　1.3市場(chǎng)前景分析</b></p><p>　　近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)能源和資源產(chǎn)品的開(kāi)采使用將以規(guī)?；⒏咝Щ颓鍧嵒癁橹饕较?。根據(jù)國(guó)家規(guī)劃，未來(lái)5-10年，國(guó)家將以建設(shè)千萬(wàn)噸級(jí)以上的特大型露天煤礦和現(xiàn)代化大型礦井為主。我國(guó)將建設(shè)13個(gè)大型煤炭生產(chǎn)基地，5-7個(gè)億噸級(jí)特大企業(yè)集團(tuán)和一批5000萬(wàn)噸

28、以上的大型煤炭企業(yè)，建設(shè)大型礦業(yè)基地將成為煤炭行業(yè)發(fā)展的重要方向。冶金工業(yè)也面臨礦山大型化和設(shè)備大型化的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)大型礦用挖掘機(jī)的需求也十分強(qiáng)勁。同時(shí)從全球范圍看，國(guó)際礦產(chǎn)品供應(yīng)緊張，也使國(guó)際市場(chǎng)上對(duì)大型礦用機(jī)械的需求保持上升的態(tài)勢(shì)。</p><p>　　不過(guò)長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)露天礦山所使用的20至50大型礦用挖掘機(jī)，一直全部為進(jìn)口或與外國(guó)公司合作生產(chǎn)的產(chǎn)品，其核心制造技術(shù)被國(guó)外公司所壟斷。太重是我國(guó)最早生產(chǎn)制造大

29、型礦用挖掘設(shè)備的企業(yè)，大型挖掘機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了原始創(chuàng)新、合作制造和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新三個(gè)階段，一直在國(guó)內(nèi)的前列。2006年以來(lái)太重成功的研制了具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的20、27的挖掘機(jī)，并在神華準(zhǔn)格爾能源有限公司投入使用，打破了國(guó)外公司在大型礦用機(jī)械的產(chǎn)品和技術(shù)壟斷，也使公司成為世界上少數(shù)幾個(gè)自主生產(chǎn)大型礦用機(jī)械的企業(yè)之一。與國(guó)外產(chǎn)品相比，太重產(chǎn)品具有30%以上的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　目前，太重已把重點(diǎn)放在開(kāi)發(fā)

30、研制35挖掘機(jī)上，50挖掘機(jī)的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)也列入發(fā)展規(guī)劃。此次技術(shù)改造將在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行自主研制、開(kāi)發(fā)，適合年產(chǎn)2000萬(wàn)噸級(jí)及以上大型露天礦的礦用挖掘機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)斗容量為20、27、35、55的超大型機(jī)械式礦用挖掘機(jī)，新增年產(chǎn)量為28臺(tái)。</p><p>　　從需求方面看國(guó)內(nèi)即將開(kāi)發(fā)的年生產(chǎn)能力達(dá)1500萬(wàn)噸的大型露天煤礦至少有10座，需要27以上的大型挖掘機(jī)至少40臺(tái)以上；同時(shí)，露天采礦業(yè)</p>&l

31、t;p>　　對(duì)27挖掘機(jī)需求也在15臺(tái)以上，市場(chǎng)很大。</p><p>　　因此我們認(rèn)為，在礦山機(jī)械大型化和進(jìn)口替代的大背景下，公司的新項(xiàng)目在未來(lái)銷售方面不會(huì)有明顯的壓力。</p><p>　　1.4本論文研究的必要性及意義 </p><p>　　近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的挖掘機(jī)行業(yè)也取得了很大的成就，但無(wú)論其技術(shù)水平還是其產(chǎn)品質(zhì)量，與世界先進(jìn)水平

32、相比還有一定距離[8]。而造成這種現(xiàn)狀的一個(gè)重要原因就是設(shè)計(jì)方法的落后。眾所周知，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品的使用質(zhì)量的影響至關(guān)重要，而動(dòng)力學(xué)研究的目的就是設(shè)法提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，以求在根本上保證產(chǎn)品的動(dòng)強(qiáng)度和可靠性。</p><p>　　目前，我國(guó)的大型機(jī)械式挖掘機(jī)在設(shè)計(jì)水平上、設(shè)計(jì)手段及產(chǎn)品質(zhì)量上與國(guó)外同類產(chǎn)品相比尚有較大差距。國(guó)外已經(jīng)將人——機(jī)——環(huán)境作為一個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)一考慮，提倡振動(dòng)低、噪音低的綠色設(shè)計(jì)，將現(xiàn)代設(shè)計(jì)

33、方法普遍的應(yīng)用于挖掘機(jī)設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)現(xiàn)代化及性能可靠。而我國(guó)仍然采用傳統(tǒng)的仿形設(shè)計(jì)，近年來(lái)才將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法逐步應(yīng)用到挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)上。</p><p>　　本文是對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)及有限元仿真分析，適應(yīng)我國(guó)礦用挖掘機(jī)發(fā)展的需要，充分利用前人的研究成果和已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在P&H-2300的基礎(chǔ)上對(duì)斗容為27 的大型礦用機(jī)械式電鏟挖掘機(jī)斗桿進(jìn)行分析。在正確地分析載荷和合理地建立模型的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，

34、從而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少試驗(yàn)環(huán)節(jié)，加快設(shè)計(jì)周期，這對(duì)我國(guó)挖掘機(jī)行業(yè)的機(jī)械設(shè)計(jì)具有一定的理論和實(shí)際參考價(jià)值。</p><p>　　1.5本論文研究的內(nèi)容</p><p>　　本課題的目標(biāo)是對(duì)斗容為27的礦用機(jī)械式挖掘機(jī)斗桿的動(dòng)力學(xué)及有限元仿真分析。主要內(nèi)容如下：</p><p>　?。?）分析大型礦用機(jī)械式挖掘機(jī)斗桿的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)方法，在UG中建立挖掘機(jī)斗桿模型，并導(dǎo)

35、入ANSYS中進(jìn)行有限元分析；</p><p>　　（2）探討基于特征的參數(shù)化建模技術(shù)，構(gòu)建挖掘機(jī)斗桿特征參數(shù)化模型；</p><p>　?。?）建立挖掘機(jī)斗桿有限元分析模型，分別對(duì)兩種典型工況下斗桿的靜力進(jìn)行分析。</p><p><b>　　斗桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) </b></p><p>　　礦用挖掘機(jī)工作裝置簡(jiǎn)介<

36、/p><p>　　機(jī)械式單斗挖掘機(jī)是挖掘機(jī)的一種，用一個(gè)鏟斗以間歇重復(fù)的工作循環(huán)進(jìn)行工作，即由挖掘、滿斗回轉(zhuǎn)至卸載點(diǎn)、卸載、空斗回轉(zhuǎn)至挖掘地點(diǎn)等四個(gè)工序構(gòu)成一個(gè)工作循環(huán)。在作業(yè)過(guò)程中挖掘機(jī)位置是不變的，直至將一次停機(jī)范圍內(nèi)的土壤挖完，挖掘機(jī)才移動(dòng)到新的作業(yè)地點(diǎn)。</p><p>　　為完成上述動(dòng)作，單斗挖掘機(jī)應(yīng)具有以下部分：</p><p>　　工作裝置 包括挖掘土壤

37、的鏟斗、斗桿，提升機(jī)構(gòu)、推壓機(jī)構(gòu)、動(dòng)臂、斗底開(kāi)啟機(jī)構(gòu)等。</p><p>　　回轉(zhuǎn)支撐裝置 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、回轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)等。</p><p>　　行走裝置 履帶行走機(jī)構(gòu)、底架、履帶架等。</p><p>　　動(dòng)力裝置和附屬設(shè)備 電動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)機(jī)組、操縱裝置、潤(rùn)滑裝置等。</p><p>　　圖2-1 大型礦用挖掘機(jī)外形</p&

38、gt;<p>　　單斗挖掘機(jī)如圖2-1所示，主要由單鏟工作裝置、回轉(zhuǎn)裝置及行走裝置三大部分組成。單鏟工作裝置主要由動(dòng)臂1、斗桿2、鏟斗3、推壓裝置4和提升鋼絲繩5組成。動(dòng)臂下端鉸接于平臺(tái)上，上端用支架6上的變幅鋼絲繩保持其位置固定，調(diào)節(jié)變幅鋼絲繩的長(zhǎng)度，可以調(diào)整動(dòng)臂的傾角。鏟斗提升是靠提</p><p>　　升電機(jī)拉動(dòng)提升鋼絲繩，下降則靠鏟斗自重。為確保挖掘，推壓齒輪能夠推出斗桿，斗桿隨鏟斗的提升下

39、放可繞推壓軸轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　礦用正鏟挖掘機(jī)在露天采礦中大多是用來(lái)鏟裝爆破后的松散礦石，故其挖掘過(guò)程實(shí)質(zhì)上也就是鏟裝過(guò)程。當(dāng)挖掘機(jī)鏟裝松散礦石時(shí)，其循環(huán)過(guò)程主要是：通過(guò)行走機(jī)構(gòu)使挖掘機(jī)靠近作業(yè)場(chǎng)所；放松提升鋼絲繩下放鏟斗，在提升機(jī)構(gòu)和推壓機(jī)構(gòu)配合下鏟裝礦石；裝滿后將鏟斗提升到一定位置，利用回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將鏟斗轉(zhuǎn)到卸載地點(diǎn)，開(kāi)啟斗底，物料借助自重卸載，然后空斗回轉(zhuǎn)，從而完成一個(gè)工作循環(huán)。機(jī)器的移動(dòng)并不是每一個(gè)工

40、作循環(huán)都需要進(jìn)行的，只有在需要鏟裝的礦石不在機(jī)構(gòu)作業(yè)范圍內(nèi)時(shí)才移動(dòng)。其工作的主要特點(diǎn)是：</p><p>　　1.挖掘時(shí)動(dòng)臂傾斜角度不變； </p><p>　　2.鏟斗和斗桿在提升機(jī)構(gòu)和推壓機(jī)構(gòu)的配合下形成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡，以此滿足挖掘工作的需要；</p><p>　　3.正鏟挖掘只能在停機(jī)平面以上的工作面進(jìn)行挖掘或鏟裝，因有足夠大的提升力和推壓力，故可以用于裝硬度

41、大的巖石和挖掘各級(jí)土壤。 </p><p>　　2.2斗桿的結(jié)構(gòu)分析</p><p>　　在進(jìn)行單斗挖掘機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，已初步確定鏟斗容積、外形尺寸和工作尺寸等參數(shù)，對(duì)于鏟斗作撓性聯(lián)系的挖掘機(jī)來(lái)說(shuō)，如拉鏟、抓斗等，其工作裝置的尺寸即可相應(yīng)地予以確定，但對(duì)于鏟斗作剛性聯(lián)系的正鏟挖掘機(jī)的工作裝置的設(shè)計(jì)，因?yàn)槠涔ぷ餮b置在滿足同樣工作尺寸的條件下，可以有不同的結(jié)構(gòu)方案。因此，在設(shè)計(jì)中要想得到較好

42、的結(jié)構(gòu)方案，必須對(duì)工作裝置的結(jié)構(gòu)做深入的分析、比較，才能取得一個(gè)良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中的斗桿裝置采用雙梁外斗桿結(jié)構(gòu)。材質(zhì)選擇20號(hào)鋼，由于20號(hào)鋼是優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，而Q235是普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，同等條件下20鋼防腐蝕性能更強(qiáng)，因?yàn)槠潆s質(zhì)含量少，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕的幾率低，所以總體說(shuō)來(lái)20號(hào)鋼的綜合性能比Q235鋼的好。</p><p>　　該斗桿是由箱形截面的雙梁構(gòu)成。

43、在靠近鏟斗的一端，兩側(cè)梁用中間橫梁連接起來(lái)。該橫梁用一個(gè)鋼板焊接成的，它把兩側(cè)斗桿連接起來(lái)。橫梁與每一側(cè)斗桿都用三個(gè)螺釘連接，其中兩個(gè)螺釘做成偏心的，可用來(lái)調(diào)節(jié)兩個(gè)側(cè)梁是否處于一個(gè)水平面內(nèi)。雙梁斗桿可以承受的載荷較大，并能承受由于挖掘時(shí)的偏心作用而產(chǎn)生的扭力，以及回轉(zhuǎn)時(shí)鏟斗和斗桿自重造成的慣性力矩。</p><p>　　2.3斗桿的設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p>　　正鏟工作裝置的斗桿的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度

44、可按下式近似求得：</p><p>　?。?-1） </p><p>　　式中 ——標(biāo)準(zhǔn)的斗桿長(zhǎng)度，[]為；</p><p>　　——挖掘機(jī)的工作重力，[]為；</p><p>　　——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取0.82。</p><p>　　普通結(jié)構(gòu)的帶有懸梁的標(biāo)準(zhǔn)正鏟鏟斗斗重(單位為)和鏟斗容積(單位為

45、)的關(guān)系可按下式求得：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，查表取15。</p><p>　　由式（2-2）得： </p><p>　　正鏟工作裝置的斗桿的質(zhì)量可按下式計(jì)算：</p><p><b>　?。?-3）</b>

46、</p><p>　　式中——標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的斗桿的質(zhì)量；</p><p>　　——帶有懸梁的標(biāo)準(zhǔn)鏟斗的質(zhì)量；</p><p><b>　　——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。</b></p><p>　　由式（2-3）得：取，則；</p><p><b>　　取, 則。</b></p>

47、<p><b>　　工作裝置總重</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　式中——工作裝置總重。</p><p><b>　　由式（2-4）得：</b></p><p>　　大型礦用挖掘機(jī)工作裝置的質(zhì)量大約占整個(gè)挖掘機(jī)工作質(zhì)量的17

48、%，則</p><p>　　將上述結(jié)果代入式（2-1）： </p><p>　　取，則斗桿長(zhǎng)度為11.02。</p><p>　　斗桿鉸接端端面高度：</p><p><b>　　斗桿小梁寬度：</b></p><p>　　斗桿小梁高寬比為1.7，則斗桿小梁高度為0.93。</p>

49、<p>　　2.4斗桿應(yīng)力的計(jì)算</p><p>　　桿單元的應(yīng)力分為兩項(xiàng)：正應(yīng)力和剪應(yīng)力，它們均由各應(yīng)力迭加而成,其中正應(yīng)力</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　式中—約束扭轉(zhuǎn)正應(yīng)力, ,其中,B為雙力矩(N?m2), 為廣義扇性面積(m2), 為廣義扇性慣矩(m6)；</p><

50、p>　　—彎曲正應(yīng)力， （2-6）；</p><p>　　—彎曲正應(yīng)力， （2-7）；</p><p>　　—拉伸正應(yīng)力， （2-8）</p><p>　　剪應(yīng)力

51、 （2-9）</p><p>　　式中—約束扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，； （2-10）</p><p>　　—自由扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，； （2-11）</p><p>　　，—剪力引起的剪應(yīng)力，</p><p>　　， （2-

52、12）</p><p>　　應(yīng)力計(jì)算時(shí)考慮以下兩個(gè)條件：</p><p>　　在內(nèi)力最大的截面上或內(nèi)力組合最大的截面上計(jì)算。</p><p>　　在截面上應(yīng)力最大點(diǎn)處迭加各應(yīng)力分量。</p><p>　　求得了單元的內(nèi)力后,根據(jù)單元的截面幾何特征便可作應(yīng)力計(jì)算。因?yàn)檎龖?yīng)力最大處，約束扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力為零，且約束扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力影響較小，所以在此不考慮約束

53、扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，本文主要分析斗桿因?yàn)檎Πl(fā)生的應(yīng)變。</p><p><b>　　斗桿模型的建立</b></p><p><b>　　UG概述</b></p><p>　　3.1.1應(yīng)用軟件UG簡(jiǎn)介</p><p>　　UG是Unigraphics Solutions公司(簡(jiǎn)稱UGS)為廣大客戶提供的一

54、種基于WINDOWS平臺(tái)的設(shè)計(jì)軟件，主要為汽車與交通、 航空航天、日用消費(fèi)品、通用機(jī)械以及電子工業(yè)等領(lǐng)域通過(guò)其虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)(VPD)的理念提供多級(jí)化的、集成的、企業(yè)級(jí)的包括軟件產(chǎn)品與服務(wù)在內(nèi)的完整的MCAD解決方案。其主要的CAD產(chǎn)品是UG。</p><p>　　UG公司的產(chǎn)品主要有為機(jī)械制造企業(yè)提供包括從設(shè)計(jì)、分析到制造應(yīng)用的Unigraphics軟件、基于Windows的設(shè)計(jì)與制圖產(chǎn)品Solid Edge、集

55、團(tuán)級(jí)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)iMAN、產(chǎn)品可視化技術(shù)ProductVision以及被業(yè)界廣泛使用的高精度邊界表示的實(shí)體建模核心Parasolid在內(nèi)的全線產(chǎn)品。</p><p>　　UG在航空航天、汽車、通用機(jī)械、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療器械以及其它高科技應(yīng)用領(lǐng)域的機(jī)械設(shè)計(jì)和模具加工自動(dòng)化的市場(chǎng)上得到了廣泛的應(yīng)用。多年來(lái)，UGS一直在支持美國(guó)通用汽車公司實(shí)施目前全球最大的虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，同時(shí)Unigraphics也是日本著名汽車

56、零部件的制造商DENSO公司的計(jì)算機(jī)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，并在全球汽車行業(yè)得到了很大的應(yīng)用，如Navistar、底特律柴油機(jī)廠、Winnebago和Robert Bosch AG 等。另外， UGS公司在航空領(lǐng)域也有很好的的表現(xiàn)：在美國(guó)的航空業(yè)，安裝了超過(guò)10,000套UG軟件；在俄羅斯航空業(yè)，UG軟件具有90%以上的市場(chǎng)；在北美汽輪機(jī)的市場(chǎng)，UG軟件占80%。UGS在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)也占有領(lǐng)先地位，擁有如Pratt & Whitney和GE

57、 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)公司這樣的知名客戶。航空業(yè)的其它客戶還有：B/E航空公司、波音公司、 以色列飛機(jī)公司、英國(guó)航空公司、Northrop Grumman、伊爾飛機(jī)和Antonov。 UGS公司的產(chǎn)品同時(shí)還遍布通用機(jī)械、醫(yī)療器械、電子、高技術(shù)以及日用消費(fèi)品等行業(yè)，如：3M、</p><p>　　Will-Pemco、Biomet、Zimmer、飛利浦公司、吉列公司、Timex、 Eureka 和Arctic Ca

58、t等。</p><p>　　UG具有豐富的曲面建模工具。包括直紋面、掃描面、通過(guò)一組曲線的自由曲面、通過(guò)兩組類正交曲線的自由曲面、曲線廣義掃掠、標(biāo)準(zhǔn)二次曲線方法放樣、等半徑和變半徑倒圓、廣義二次曲線倒圓、兩張及多張曲面間的光順橋接、動(dòng)態(tài)拉動(dòng)調(diào)整曲面、等距或不等距偏置、曲面裁減、編輯、點(diǎn)云生成、曲面編輯。</p><p>　　UG進(jìn)入中國(guó)已經(jīng)有九個(gè)年頭了，其在中國(guó)的業(yè)務(wù)有了很大的發(fā)展，中國(guó)已

59、成為遠(yuǎn)東區(qū)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)最快的國(guó)家。幾年來(lái)，UG在中國(guó)的用戶已超過(guò)800家，裝機(jī)量達(dá)到3500多臺(tái)套。 </p><p>　　3.1.2 UG軟件的特點(diǎn)</p><p><b>　　1、建模的靈活性 </b></p><p>　　復(fù)合建模：無(wú)需草圖,需要時(shí)可進(jìn)行全參數(shù)設(shè)計(jì),無(wú)需定義和參數(shù)化新曲線——可直接利用實(shí)體邊緣。</p><

60、p>　　幾何特征：具有凸墊、鍵槽、凸臺(tái)、斜角、挖殼等特征、用戶自定義特征 、引用模式 。</p><p>　　光順倒圓:業(yè)界最好的倒圓技術(shù)，可自適應(yīng)于切口、陡峭邊緣及兩非鄰接面等幾何構(gòu)形，變半徑倒圓的最小半徑值可退化至極限零。</p><p>　　2、協(xié)同化裝配建模 </p><p>　　可提供自頂向下、自底向上兩種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)定義方式并可在上下文中設(shè)計(jì)

61、／編輯，高級(jí)的裝配導(dǎo)航工具，可圖示裝配樹結(jié)構(gòu)，可方便快速的確定部件位置，對(duì)裝配件的簡(jiǎn)化表達(dá)，隱藏或關(guān)掉特定組件。局部著色，強(qiáng)大的零件間的相關(guān)性 ，配對(duì)條件，零件間的表達(dá)式（關(guān)系），協(xié)同化團(tuán)隊(duì)工作，可方便的替換產(chǎn)品中任一零部件，刷新部件以取得最新的工作版本，團(tuán)隊(duì)成員可并行設(shè)計(jì)產(chǎn)品中各子裝配或零件。</p><p>　　3、直觀的二維繪圖 </p><p>　　對(duì)制圖員來(lái)講，簡(jiǎn)單并富于邏輯性，

62、剖視圖自動(dòng)相關(guān)于模型和剖切線位置，正交視圖的計(jì)算和定位可簡(jiǎn)便的由一次鼠標(biāo)操作完成，自動(dòng)隱藏線消除，自動(dòng)尺寸排列——不需要了解設(shè)計(jì)意圖，自動(dòng)工程圖草圖尺寸標(biāo)注。 </p><p><b>　　參考模型的創(chuàng)建</b></p><p>　　礦用挖掘機(jī)的斗桿為雙梁箱形斷面焊接結(jié)構(gòu)，在靠近鏟斗的一端，兩根斗桿之間用一根橫梁連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)整體，如圖3-1，3-2，3-3所示。

63、</p><p>　　圖3-1 斗桿參考模型</p><p>　　圖3-2 斗桿參考模型</p><p>　　圖3-3 斗桿參考模型</p><p>　　3.3斗桿模型的導(dǎo)入過(guò)程</p><p>　　進(jìn)入ANSYS用戶界面，如圖3-4，3-5所示點(diǎn)擊應(yīng)用菜單file-import-ug，出現(xiàn)對(duì)話框ANSYS Conne

64、ction for ug,選擇*prt文件所在路徑，進(jìn)行導(dǎo)入。</p><p>　　圖3-4 導(dǎo)入路徑過(guò)程圖</p><p>　　圖3-5導(dǎo)入路徑過(guò)程圖</p><p>　　經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的傳遞，得到*db模型如下圖3-6所示:</p><p>　　圖3-6 導(dǎo)入ANSYS的斗桿模型</p><p>　　斗桿的有限元仿真分析

65、</p><p>　　4.1 有限元方法概述</p><p>　　有限元方法(Finite Element Method)是一種借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行工程分析的離散化數(shù)值方法。它首先應(yīng)用于航空工程，由于其方法的有效性，迅速被推廣應(yīng)用于機(jī)械、建筑和造船等工程部門。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍更加廣闊，幾乎可以推廣應(yīng)用于所有求解連續(xù)介質(zhì)和場(chǎng)的力學(xué)及數(shù)學(xué)物理方程問(wèn)題。</p><

66、;p>　　有限元方法求解力學(xué)問(wèn)題的基本思想是:將一個(gè)連續(xù)的求解域離散化，即分割成彼此用節(jié)點(diǎn)(離散點(diǎn))互相聯(lián)系的有限個(gè)單元，一個(gè)連續(xù)彈性體被看作是有限個(gè)單元體的組合。根據(jù)一定精度要求，用有限個(gè)參數(shù)來(lái)描述各單元體的力學(xué)特性，而整個(gè)連續(xù)體的力學(xué)特性就是構(gòu)成它的全部單元體的力學(xué)特性的總和?；谶@一原理及各種物理量的平衡關(guān)系，建立起彈性體的剛度方程(即一個(gè)線性代數(shù)方程組)，求解該剛度方程，即可得出欲求的參量。</p><

67、p>　　有限元方法按照所選用的基本未知量和分析方法的不同，可分為兩種基本方法，一種是以應(yīng)力分析計(jì)算為例，以節(jié)點(diǎn)位移為基本未知量，在選擇適當(dāng)?shù)奈灰坪瘮?shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行單元的力學(xué)特征分析，在節(jié)點(diǎn)處建立平衡方程(即單元的剛度方程)，合并組成整體剛度方程，求解出節(jié)點(diǎn)位移，可再由節(jié)點(diǎn)位移求解應(yīng)力，這種方法稱為位移法；另一種是以節(jié)點(diǎn)力為基本未知量，在節(jié)點(diǎn)上建立位移連續(xù)方程，解出節(jié)點(diǎn)力后，再計(jì)算節(jié)點(diǎn)位移和應(yīng)力，這種方法稱為力法。一般來(lái)說(shuō)，用力法求

68、得的應(yīng)力較位移法求得的精度高，但位移法比較簡(jiǎn)單，計(jì)算規(guī)律性強(qiáng)，且便于編寫計(jì)算機(jī)通用程序，因此，在用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，大多采用位移法，機(jī)械產(chǎn)品的零部件，特別是基礎(chǔ)大件，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及受力狀態(tài)一般情況屬于空間問(wèn)題求解。對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如不作任何簡(jiǎn)化，將導(dǎo)致計(jì)算工作復(fù)雜化，花費(fèi)大量人力和財(cái)力，有時(shí)甚至難以實(shí)現(xiàn)。因此，在保證計(jì)算精度的前提下，應(yīng)盡可能地進(jìn)行簡(jiǎn)化。有限元法不僅對(duì)計(jì)算對(duì)象有較強(qiáng)的模型化能力，而且求解問(wèn)題的范圍十分廣泛。包括位

69、移計(jì)算、應(yīng)力計(jì)算、</p><p>　　溫度場(chǎng)計(jì)算、穩(wěn)定性計(jì)算、自振特性和動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算、接觸問(wèn)題計(jì)算、斷裂計(jì)算以及撞擊、損傷、疲勞等問(wèn)題:計(jì)算對(duì)象包括結(jié)構(gòu)、流體、巖土;材料包括彈性、塑性、粘彈性、熱塑性以及復(fù)合材料、聚合材料等新型材料。除了固體和流體力學(xué)問(wèn)題外，有限元法還應(yīng)用于金屬和塑料成型、電磁場(chǎng)分析、無(wú)損探傷、優(yōu)化設(shè)計(jì)等許多專門領(lǐng)域。</p><p>　　有限元方法又稱有限元素法（Th

70、e Finite Element Method,簡(jiǎn)寫為FEM），是求解邊值或初值問(wèn)題，建立在特定場(chǎng)函數(shù)離散化基礎(chǔ)上的一種數(shù)值方法，是 20世紀(jì)中期興起的應(yīng)用數(shù)學(xué)、力學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)相互滲透、綜合利用的交叉學(xué)科。</p><p>　　有限元方法的實(shí)質(zhì)是用有限個(gè)單元體的組合代替連續(xù)體，化無(wú)限自由度問(wèn)題為有限自由度問(wèn)題；是用有限子域的組合代替一個(gè)連續(xù)域，化連續(xù)場(chǎng)函數(shù)的微分方程求解問(wèn)題為有限個(gè)參數(shù)的代數(shù)方程組求解問(wèn)題。對(duì)于

71、大多數(shù)形狀和邊界條件復(fù)雜的工程問(wèn)題，要想獲得問(wèn)題的解析解答是不可能的，只能尋求各種近似的數(shù)值方法，而有限元方法是一種行之有效的數(shù)值分析方法。</p><p>　　4.2 有限元方法的歷史</p><p>　　有限元法始于本世紀(jì)四十年代初期，當(dāng)時(shí)數(shù)學(xué)家R.Courant用三角形單元計(jì)算棱桿的扭轉(zhuǎn)問(wèn)題，M.J. Turner將這一方法運(yùn)用到工程設(shè)計(jì)中并加以推廣，在五十年代中期，他們用平面分析法

72、求解了復(fù)雜的飛機(jī)結(jié)構(gòu)問(wèn)題。他們得到的有限元分析方程屬于以節(jié)點(diǎn)位移為未知量的矩陣位移方法。M.J.Turner的顧問(wèn)R.Courant把這種新的工程計(jì)算方法拓廣到土木工程上，并在一篇題為“平面分析的有限單元法”論文中首先使用“有限元法”（Finite Element Method）這個(gè)名稱。初期的有限元都是以單一的位移場(chǎng)作為未知量，它在單元間邊界上滿足協(xié)調(diào)條件，故稱之為位移元或協(xié)調(diào)元。位移元有列式簡(jiǎn)單、計(jì)算量小、易于在計(jì)算機(jī)上實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)。

73、當(dāng)然也有其缺陷，對(duì)于平板彎曲問(wèn)題與薄殼問(wèn)題，在引用變分法時(shí)，位移元要求撓度及其導(dǎo)數(shù)都連續(xù)，這樣很難建立單元內(nèi)插值形函</p><p>　　函數(shù)。另外，位移元對(duì)于奇異性問(wèn)題效率較低，對(duì)不可壓縮材料存在“自鎖”現(xiàn)象。</p><p>　　六十年代中期，美國(guó)麻省理工學(xué)院卞學(xué)磺教授提出了一種新的有限元模型。最初，這種模型基于最小余能列式，在單元內(nèi)部假設(shè)應(yīng)力，同時(shí)獨(dú)立的在單元邊界上假設(shè)位移。由于不需

74、要單元內(nèi)部位移，所以前面提到的問(wèn)題都不存在了。1976年，卞學(xué)磺教授將這一模型取名為“雜交應(yīng)力模型”。1968年，卞學(xué)磺和董平提出在單元鄰界上為了保持單元間面力平衡，約束條件要由一個(gè)新的獨(dú)立變量即單元鄰界上的協(xié)調(diào)位移作為拉氏乘子引入，于是得到修正的余能原理。由此以后，借助于單元邊界上的拉氏乘子建立起來(lái)的有限元都稱之為“雜交元”。雜交元避免了“自鎖”問(wèn)題，對(duì)非線性問(wèn)題如彈塑性問(wèn)題或蠕變問(wèn)題，雜交應(yīng)力元的精度相對(duì)位移元來(lái)說(shuō)，也有需要改進(jìn)的地

75、方。例如，假設(shè)應(yīng)力時(shí)，往往有許多可能，而應(yīng)力與位移搭配不當(dāng)，就會(huì)出現(xiàn)多余機(jī)動(dòng)模式。</p><p>　　七十年代初，E.L.Wilson等人提出了非協(xié)調(diào)單元，即在單元位移插值中附加內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的位移項(xiàng)，使插值函數(shù)中的二次項(xiàng)趨于完備，從而改進(jìn)了位移等參 元的計(jì)算精度。但它對(duì)任意形狀的單元不能通過(guò)補(bǔ)片試驗(yàn)。R.L.Taylor給出了 通過(guò)補(bǔ)片試驗(yàn)的補(bǔ)救方法，即用等參座標(biāo)元點(diǎn)處的雅可比值來(lái)代替雅可比矩 陣。&l

76、t;/p><p>　　八十年代初，唐立民，陳萬(wàn)吉等人提出了擬協(xié)調(diào)元，它通過(guò)對(duì)幾何方程的加權(quán)積分進(jìn)行離散來(lái)得到假設(shè)的應(yīng)力參數(shù)與節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系。這里應(yīng)力與應(yīng)變有相同的插值函數(shù)。從變分法來(lái)看，擬協(xié)調(diào)元是基于Hu-Washizu廣義變分原理，以位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)為變量的多變量有限元。</p><p>　　到現(xiàn)在，基于有限元技術(shù)的大型通用程序已發(fā)展得非常完善，廣泛的應(yīng)用于各個(gè)工程領(lǐng)域。</p&

77、gt;<p>　　4.3 有限元方法的基本思想</p><p>　　假想把彈性連續(xù)體分割成數(shù)目有限的單元，并認(rèn)為相鄰單元之間僅在節(jié)點(diǎn)</p><p>　　處相連。根據(jù)物體的幾何特征、載荷特征、邊界約束特征等，單元有各種類型。切點(diǎn)一般都在單元邊界上。切點(diǎn)的位移分量作為結(jié)構(gòu)的基本未知量，這樣組成的有限元單元集合體，并引進(jìn)等效節(jié)點(diǎn)力及節(jié)點(diǎn)的約束條件，由于節(jié)點(diǎn)數(shù)目有限，就成為具有有限

78、自由度的有限元計(jì)算模型。它代替了原來(lái)具有無(wú)限自由度的連續(xù)體，也就是有限元離散化。</p><p>　　在此基礎(chǔ)上，對(duì)每一單元根據(jù)分塊近似的思想，假設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)來(lái)近似模擬其位移分量的分布規(guī)律，即選擇位移模式，再通過(guò)虛功原理(或變分原理或其它方法)求得每個(gè)單元的平衡方程，這就建立了單元節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)應(yīng)力之間的關(guān)系。</p><p>　　最后，把所有單元的這種特性關(guān)系，按照保證節(jié)點(diǎn)位移連續(xù)和節(jié)點(diǎn)

79、應(yīng)力平衡的方式集合起來(lái)，就可以得到整個(gè)物體的平衡方程組。引入邊界約束條件后，解此方程組，就求得節(jié)點(diǎn)位移，并可計(jì)算出各單元應(yīng)力。</p><p>　　從上述論述可見(jiàn)，有限元法的實(shí)質(zhì)是把具有無(wú)限多個(gè)自由度的彈性連續(xù)體，理想化為只有有限個(gè)自由度的單元集合體，使問(wèn)題化為適合于數(shù)值解法的結(jié)構(gòu)型問(wèn)題。因此，只要研究并確定有限個(gè)小單元的力學(xué)特性，就可以根據(jù)結(jié)構(gòu)分析的方法求解，使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化。</p><p&

80、gt;　　4.4 有限元分析方法的概括</p><p><b>　　1、物體的離散化</b></p><p>　　就是將擬分析的物體假想地分成有限個(gè)分區(qū)、分塊或分塊的集合體表示原來(lái)的物體，籍此建立起單元力學(xué)分量與未知分量的關(guān)系式。</p><p>　　2、挑選形函數(shù)或插值函數(shù)</p><p>　　物體或結(jié)構(gòu)離散化后，用被

81、稱為位移模式或位移函數(shù)的近似函數(shù)對(duì)單元內(nèi)</p><p>　　的一些力學(xué)量進(jìn)行描述，單元的位移模式需滿足一定的條件。</p><p><b>　　3、確定單元的性質(zhì)</b></p><p>　　所謂確定單元的性質(zhì)就是對(duì)單元的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行描述。一般用單元的剛度</p><p>　　矩陣 （或柔度矩陣）來(lái)描述單元的性質(zhì)，確立

82、單元節(jié)點(diǎn)力與位移的關(guān)系。</p><p>　　4、組成物體的總性質(zhì)方程組</p><p>　　組成物體的總性質(zhì)方程組就是由單元?jiǎng)偠染仃嚰杀硎菊麄€(gè)物體性質(zhì)的總剛度矩陣（或總?cè)岫染仃嚕?，從而建立起整個(gè)物體已知量—總節(jié)點(diǎn)載荷與整個(gè)物體的未知量—總節(jié)點(diǎn)位移或應(yīng)力的關(guān)系。</p><p><b>　　5、解方程組</b></p><

83、p>　　上述所形成的總性質(zhì)方程組往往數(shù)目龐大，可能是幾十個(gè)、幾百個(gè)、甚至于成百上千萬(wàn)個(gè)，對(duì)于這些方程組需要運(yùn)用一定的計(jì)算數(shù)學(xué)方法解出其未知數(shù)。</p><p><b>　　6、進(jìn)一步計(jì)算</b></p><p>　　在求得整個(gè)結(jié)構(gòu)物的未知量后，可進(jìn)一步求得單元的未知量。在有限元法的物理—數(shù)學(xué)描述中，一般有兩種求解微分方程的方法：力法和位移法。由于位移法可以滿足動(dòng)

84、力學(xué)的協(xié)調(diào)性，并且通過(guò)借助于與時(shí)間有關(guān)的位移矢量，可用于動(dòng)態(tài)和非線性問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)與位置有關(guān)的附加函數(shù)可保證滿足幾何的邊界條件，所以有限元法一般都采用位移法求解。</p><p>　　由上面的過(guò)程還可以看出，用有限元法解決問(wèn)題工作量很大，不借助于電子計(jì)算機(jī)的幫助，有限元法的廣泛應(yīng)用是相當(dāng)困難的。</p><p>　　4.5 應(yīng)用軟件 ANSYS的介紹</p><p>

85、;　　4.5.1 ANSYS軟件簡(jiǎn)介</p><p>　　ANSYS系統(tǒng)是由美國(guó)ANSYS公司研制開(kāi)發(fā)的一個(gè)大型通用分析軟件，它融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體，在核工業(yè)、鐵道、石油化工二航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　自1970年美國(guó)匹茲堡大學(xué)里學(xué)教授John S

86、wanson博士開(kāi)發(fā)出ANSYS以來(lái)，在30多年發(fā)展過(guò)程中，ANSYS不斷改進(jìn)提高，功能不斷增強(qiáng)。ANSYS軟件是第一個(gè)通過(guò)ISO 9001 質(zhì)量認(rèn)證的大型分析設(shè)計(jì)類軟件，是美國(guó)機(jī)械工</p><p>　　程師協(xié)會(huì)（ASME）、美國(guó)核安全局（NQA）及近二十種專業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件。</p><p>　　4.5.2 ANSYS的主要特點(diǎn)</p><p>　　

87、1、能實(shí)現(xiàn)單場(chǎng)及多場(chǎng)耦合分析功能。</p><p>　　用戶不但可用其進(jìn)行諸如結(jié)構(gòu)、熱、流體、電、磁等的單獨(dú)研究，還可以通過(guò)多場(chǎng)耦合處理工具，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多物理場(chǎng)耦合分析。例如：熱——結(jié)構(gòu)耦合，磁——結(jié)構(gòu)耦合以及電——磁——流體——熱耦合等。</p><p>　　2、能夠?qū)崿F(xiàn)前后處理、求解及多場(chǎng)分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的一體化。</p><p>　　在分析過(guò)程中，ANSYS將所

88、有的數(shù)據(jù)保存在同一數(shù)據(jù)庫(kù)中，它用不同的擴(kuò)展名區(qū)別不同的文件。這樣不但方便了用戶操作，還使用戶可在前后處理的任意時(shí)刻訪問(wèn)任意數(shù)據(jù)，同時(shí)為多場(chǎng)數(shù)據(jù)提供了良好的管理。</p><p>　　3、具有多物理場(chǎng)優(yōu)化功能。</p><p>　　ANSYS引入變分技術(shù)，使得優(yōu)化過(guò)程不再進(jìn)行多次疊代，一次性計(jì)算就可以得到優(yōu)化設(shè)計(jì)，并可以進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化和離散優(yōu)化。</p><p>　　

89、4、顯式、隱式算法的互補(bǔ)，擴(kuò)大了ANSYS的非線性求解范疇，從一般的非線性問(wèn)題直至爆炸力學(xué)問(wèn)題均可以在ANSYS中得到解決，顯式、隱式交替計(jì)算，可很好的解決動(dòng)力學(xué)中沖擊與靜態(tài)問(wèn)題并存的過(guò)程。</p><p>　　5、多種求解器分別適用于不同問(wèn)題及不同的硬件配置。</p><p>　　6、支持從微機(jī)、工作站到巨型機(jī)的所有硬件平臺(tái)，以及所有平臺(tái)之間的并行計(jì)算。</p><p

90、>　　7、支持異種、異構(gòu)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)浮動(dòng)，在異種、異構(gòu)平臺(tái)上用戶界面統(tǒng)一、數(shù)據(jù)文件全部兼容。</p><p>　　8、多種自動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù)。</p><p>　　ANSYS提供了四種網(wǎng)格劃分技術(shù)：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。此外，ANSYS還可以實(shí)現(xiàn)自由網(wǎng)格到映像網(wǎng)格的過(guò)渡，也可以根</p><p>　　據(jù)結(jié)構(gòu)位移調(diào)整流體網(wǎng)格等。</p>

91、;<p>　　9、豐富的CAD接口。</p><p>　　ANSYS可與大多數(shù)的CAD軟件集成并有接口，利用ANSYS提供的數(shù)據(jù)接口，可精確地將在CAD系統(tǒng)下生成的幾何數(shù)據(jù)傳入ANSYS中，并對(duì)其分網(wǎng)求解。這樣就不必因?yàn)樵诜治鱿到y(tǒng)中重新建模而浪費(fèi)時(shí)間。</p><p>　　10、多層次多框架的產(chǎn)品系列。</p><p>　　產(chǎn)品系列由一整套可擴(kuò)展的、靈

92、活集成的各模塊組成，因而能滿足各行各業(yè)的工程需要。也因此，用戶只需要購(gòu)買自己需要的模塊即可，從而節(jié)約費(fèi)用。</p><p>　　11、良好的用戶開(kāi)發(fā)環(huán)境。</p><p>　　ANSYS具有宏(Macro )、參數(shù)設(shè)計(jì)語(yǔ)言(APDL)、用戶可編程特性三個(gè)層次的用戶開(kāi)發(fā)功能，可以綜合應(yīng)用菜單、對(duì)話框、工具條、命令行輸入、圖形化輸出等多種方式，從而使應(yīng)用更加方便。</p><

93、;p>　　12、方便的二次開(kāi)發(fā)功能。</p><p>　　應(yīng)用宏、參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言、用戶可編程特性、用戶自定義界面語(yǔ)言、外部命令等功能，可以開(kāi)發(fā)出適合自己特點(diǎn)的應(yīng)用程序。</p><p>　　4.6 有限元模型的建立</p><p>　　ANSYS的有限元分析功能雖然強(qiáng)大，但它的實(shí)體造型功能相對(duì)薄弱，用它創(chuàng)建具有復(fù)雜特征的零件是相當(dāng)繁瑣和困難的。由于工作裝置結(jié)構(gòu)

94、較為復(fù)雜，可以先在UG中創(chuàng)建實(shí)體模型，再將*.prt模型傳給ANSYS以進(jìn)行有限元分析。</p><p>　　為了保證計(jì)算精度，網(wǎng)格要盡量劃分的細(xì)一些。同時(shí)還要考慮到計(jì)算時(shí)間。所以在不影響計(jì)算結(jié)果的情況下，將網(wǎng)格劃分的要粗一些。該模型劃分網(wǎng)格時(shí)使用的是六面體網(wǎng)格，并且處于必要性同時(shí)也是為了控制網(wǎng)格的數(shù)量，不同的部分網(wǎng)格的大小也不一樣，受力大的部分網(wǎng)格要?jiǎng)澋妹芤恍?lt;/p><p>　　4.

95、7 單元類型的選擇</p><p>　　由于工作裝置的實(shí)際結(jié)構(gòu)主要是由薄鋼板焊接成的，且?guī)缀文Ｐ秃軓?fù)雜，故劃分有限元模型的單元類型選擇三維實(shí)體單元Solid45。</p><p>　　Solid45單元類型一般用于規(guī)則實(shí)體結(jié)構(gòu)模型，單元通過(guò)8個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有、、三個(gè)方向的移動(dòng)自由度。該單元有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力剛化、大變形和大應(yīng)變的性能。因此Solid45單元可以滿足此計(jì)算的要求

96、。</p><p>　　圖4-1 SOLID45幾何描述</p><p>　　4.8 網(wǎng)格劃分簡(jiǎn)介</p><p>　　4.8.1選擇網(wǎng)格劃分方式</p><p>　　ANSYS提供兩種網(wǎng)格劃分方式：自由網(wǎng)格和映射網(wǎng)格。所謂“自由”，體現(xiàn)在沒(méi)有特定的準(zhǔn)則，對(duì)單元形狀無(wú)限制，生成的單元不規(guī)則，基本適用于所有的模型。映射網(wǎng)格則要求滿足一定的規(guī)則，

97、且映射面網(wǎng)格包含四邊形和三角形單元，而映射體網(wǎng)格只包含六面體單元。映射網(wǎng)格生成的單元形狀比較規(guī)則，映射網(wǎng)格只適用于形狀規(guī)則的體和面。</p><p>　　自由網(wǎng)格生成的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)位置比較隨意，用戶無(wú)法控制。若想要控制內(nèi)部</p><p>　　節(jié)點(diǎn)的位置，用戶應(yīng)考慮選擇映射網(wǎng)格。</p><p>　　4.8.2指定單元?jiǎng)澐中螤?lt;/p><p>　

98、　在劃分生成的二維單元及三位單元時(shí)，可以定義單元形狀。二維單元可以定義為四邊形或三角形，三維單元可以定義為六面體或四面體。</p><p>　　圖4-2斗桿有限元模型</p><p><b>　　4.9 邊界條件</b></p><p>　　斗桿在正常挖掘時(shí)，其上端部受到推壓裝置的限制，在挖掘時(shí)受到推壓力及支反力的作用，下端部與鏟斗鉸接，鏟斗受

99、到提升機(jī)構(gòu)的提升力及礦石的重力作用。在實(shí)際處理時(shí)，把斗桿固接于鏟斗上，即認(rèn)為斗桿為懸臂結(jié)構(gòu)。在約束斗桿時(shí)，由于提升力和礦石重力的作用作用點(diǎn)在鏟斗上，所以約束住斗桿與推壓裝置相連接的一端，這樣就可以直接將力施加于各受力節(jié)點(diǎn)上。</p><p>　　4.10 工況的確定及載荷計(jì)算</p><p><b>　　4.10.1工況1</b></p><p&g

100、t;　　1、該工況下，工作裝置位置描述</p><p>　　斗桿處于理論水平位置并且全部伸出，斗齒尖處于推壓軸高度，挖掘處于</p><p>　　推壓軸高度的礦石，鏟斗裝滿礦石，鏟斗遇到了堅(jiān)硬的礦石，提升滑輪組作用力達(dá)到了最大值。具體工作位置如圖4-3所示。</p><p>　　2、該工況下載荷確定</p><p>　　該工況下工作裝置受力如

101、圖4-3所示。計(jì)算時(shí)以受力位置為計(jì)算位置，表4-1為工作裝置受力值。</p><p>　　——提升力；——卷筒周邊鋼繩拉力；——最大推壓反力；——變幅鋼繩拉力；、——?jiǎng)颖壑ё戳ρ?、軸向分力；——側(cè)向挖掘阻力；——?jiǎng)颖壑亓?；——鏟斗重力；——鏟斗內(nèi)礦石重力；——斗桿重力。</p><p>　　圖4-3工況1工作裝置受力圖</p><p>　　表4-1工作裝置受力值&

102、lt;/p><p>　　3.該工況下斗桿受力分析 </p><p>　　鏟斗受力有礦石對(duì)斗齒的反作用力、，它們作用在斗邊的斗齒上；挖掘時(shí)遇到了堅(jiān)硬的礦石，產(chǎn)生橫向力；鏟斗自重，斗桿自重和這些重量造成推壓軸處置反力。斗桿上具體加載方式如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4 斗桿受力加載模型</p><p><b>　　4.10.2

103、工況2</b></p><p>　　1、該工況下，工作裝置位置描述</p><p>　　特殊挖掘工況，動(dòng)臂處于最小傾角，斗桿全伸出，其方向垂直于動(dòng)臂的中</p><p>　　心線，此時(shí)鏟斗進(jìn)行挖掘，斗內(nèi)裝滿礦石。具體工作位置如圖4-7所示。</p><p>　　2、該工況下載荷確定</p><p>　　該工

104、況下工作裝置受力如圖4-5所示。計(jì)算時(shí)以受力位置為計(jì)算位置，表4-2為該工況工作裝置受力值。</p><p>　　表4-2工作裝置在工況2時(shí)受力值 —提升力；—與相對(duì)應(yīng)的卷筒周邊鋼繩拉力；—推壓反力；—變幅鋼繩拉力；、—?jiǎng)颖壑ё戳ρ?、軸向分力；—作用在斗子側(cè)邊齒上的側(cè)向挖掘阻力；—?jiǎng)颖壑亓Γ弧P斗重力；—鏟斗內(nèi)礦石重力；—斗桿重力 圖4-5工作裝置在

105、工況2的受力圖</p><p>　　3.該工況下斗桿受力分析</p><p>　　鏟斗受力有礦石對(duì)斗齒的反作用力、，它們作用在斗邊的斗齒上；挖掘時(shí)礦石對(duì)其產(chǎn)生橫向力；鏟斗自重，斗桿自重和這些重量造成推壓軸處置反力、。斗桿具體加載方式如圖4-6所示。</p><p>　　圖4-6斗桿受力加載模型</p><p>　　4.11 斗桿強(qiáng)度剛度分析&

106、lt;/p><p>　　根據(jù)前面確定的載荷及約束情況，通過(guò)計(jì)算可以得到上述兩個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果。</p><p>　　4.11.1 工況1</p><p><b>　　1．斗桿應(yīng)力分布</b></p><p>　　該工況下，斗桿的應(yīng)力分布如圖4-7所示。</p><p>　　圖4-7斗桿應(yīng)力分布云圖&l

107、t;/p><p>　　由斗桿應(yīng)力分布云圖4-7可以看出斗桿與鏟斗固結(jié)處應(yīng)力較大為。由于挖掘時(shí)遇到堅(jiān)硬的礦石，提升力達(dá)到最大值，挖掘力達(dá)到最大值，推壓裝置的推壓力達(dá)到最大值，鏟斗滿載，斗桿處于理論水平位置，所以這些力對(duì)該處產(chǎn)生的力矩達(dá)到最大值，同時(shí)斗桿自重造成的彎矩最大。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在此工況，斗桿與鏟斗固結(jié)處為危險(xiǎn)截面，從分析結(jié)果來(lái)看與實(shí)際情況基本相符。</p><p>　　從斗桿應(yīng)力分布云圖

108、上還可以看出斗桿與推壓軸接觸處應(yīng)力最大，達(dá)到。計(jì)算時(shí)約束住斗桿與推壓軸接觸處，此時(shí)斗桿可以看作是懸臂梁，懸臂梁固定端受到的應(yīng)力都較大，所以此處為危險(xiǎn)截面。</p><p>　　4.11.2 工況2</p><p><b>　　1.斗桿應(yīng)力分布</b></p><p>　　該工況下，斗桿的應(yīng)力分布如圖4-8所示。</p><p

109、>　　圖4-8 斗桿應(yīng)力分布云圖</p><p>　　從圖4-8斗桿應(yīng)力分布云圖中可以看到，斗桿與推壓裝置接觸處有最大應(yīng)力，應(yīng)力值為。此時(shí)斗桿仍被看作是懸臂梁，梁固定端受力較大，視為危險(xiǎn)截面。</p><p>　　從圖4-8斗桿應(yīng)力分布云圖中還可以得到，斗桿與鏟斗固結(jié)處仍有較大應(yīng)力，應(yīng)力值為。提升力、挖掘力、推壓力、斗桿自重、鏟斗及礦石重力，這些力對(duì)該處產(chǎn)生的力矩。</p>

110、;<p><b>　　結(jié)論</b></p><p><b>　　5.1結(jié)論</b></p><p>　　本文在有限元基本理論的指導(dǎo)下，運(yùn)用挖掘機(jī)部分裝置的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了一種基于UG和ANSYS軟件對(duì)于挖掘機(jī)斗桿裝置進(jìn)行自動(dòng)化分析的策略。</p><p>　　在計(jì)算斗桿尺寸參數(shù)，分析斗桿結(jié)構(gòu)及約束的基礎(chǔ)上

111、，應(yīng)用UG軟件建立了挖掘機(jī)斗桿的特征模型</p><p>　　基于在動(dòng)力學(xué)理論獲得挖掘機(jī)斗桿的受力數(shù)據(jù)，應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)斗桿進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力的有限元分析。</p><p><b>　　5.2展望</b></p><p>　　當(dāng)前，我國(guó)挖掘機(jī)行業(yè)正處在一個(gè)歷史性發(fā)展關(guān)鍵時(shí)期。2000年我國(guó)挖掘機(jī)產(chǎn)量為8111臺(tái)，2001年猛增到12569臺(tái)，挖

112、掘機(jī)的銷量也從2000年的7926臺(tái)躍升到2001年的12397臺(tái)。2001年與2000年比較，全國(guó)挖掘機(jī)的產(chǎn)、銷量分別增長(zhǎng)55%和56%。2002年是我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)歷史上增長(zhǎng)速度最快、經(jīng)濟(jì)形勢(shì)最好的一年，堪稱“井噴之年”。挖掘機(jī)產(chǎn)品全年銷量1.9萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)58%，挖掘機(jī)在整個(gè)工程機(jī)械行業(yè)中是產(chǎn)、銷量增長(zhǎng)最快的機(jī)種之一。2004年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)銷售挖掘機(jī)33000臺(tái)，比2003年回落1000余臺(tái)，其中出口較往年有大幅增長(zhǎng)，達(dá)到2000多