基于ANSYS的SEM650B型装载机动臂分析
2018-07-25王强锋刘长柱
□高 硕 □曹 岩 □王强锋 □刘长柱
西安工业大学机电工程学院 西安 710021
1 研究背景
SEM650B型液压装载机在作业时会承受扭转、拉压等多种载荷作用，对装载机工作装置的强度和刚度有较大影响。工作装置是带液压缸的空间多杆机构，在作业过程中，施加在关键部件动臂上的载荷变化多样，易产生应力集中，使液压缸开裂，所以正确分析动臂 的受力状况，对改善动臂工作性能非 常重 要[1-2]。笔 者应用SolidWorks软件建立了SEM650B型装载机工作装置三维模型，如图1所示。应用ANSYS软件创建装载机动臂有限元模型[3]，并对动臂进行静力学仿真分析，最终得到应力与变形云图[4]。所做研究对合理使用现有机型或进行创新，具有借鉴作用。
▲图1 装载机工作装置三维模型
2 分析流程
仿真分析主要包括以下4个步骤：①根据液压装载机图纸在SolidWorks中进行三维建模；②将装载机工作装置的三维模型导入ANSYS，并建立动臂的有限元模型；③根据工况计算，对动臂施加约束和载荷；④在ANSYS中进行有限元仿真，后处理得出应力与变形云图，并进行分析。
具体分析流程如图2所示。
3 工况介绍
由于SEM650B型装载机工作装置结构特殊，各装置铰接点处轴线相互平行，因此用数学函数来近似替代[5]。动臂位置UG和铲斗位置角U确定后，装载机工作装置的作业状态就是唯一的。选择UG和U作为自变量，建立SEM650B型装载机工作装置作业过程动态模拟数学模型：工作装置作业状态=F（UG，U）。
SEM650B型装载机工作装置的循环作业过程如下：地面铲掘工况→地面收斗工况→运输工况→动臂举升过程→上限收斗工况→上限卸料工况→动臂下降，铲斗自动放平至地面铲掘工况，并为下一循环作业过程做好准备。
SEM650B型装载机工作装置各构件之间由铰销连接，有相对转动。动臂下铰点与装载机前车架铰接，动臂中部铰点与动臂液压缸铰接，动臂上铰点与斗杆铰接[6]。当铲斗挖掘力最大时，动臂可能出现最大弯矩，此时可确定动臂危险工况的位置。
4 动臂有限元分析
4.1 实体模型
实体模型建立是分析的重要一步，可以保证有限元模型的准确性和可靠性。鉴于SolidWorks建模简单、快捷等优点，选择SolidWorks进行建模。动臂主体框架由上、下盖板和左、右侧板焊接而成[7]。在建立有限元模型时，对整体刚度影响较小的限位板、吊耳等构件均予以忽略。动臂三维模型如图3所示。
▲图3 动臂三维模型
4.2 有限元模型
将三维模型导入 ANSYS，单元选择 Solid185。Solid185单元用于构造三维固体结构，并且具有超弹性、应力刚化、蠕变等优点。在定义单元类型时，选择Element Type 中的 Add/Edit/Delete 来添加单元类型[8]，应用表面效应单元加载，选择Material Props中Material Models来定义材料属性，动臂材料为Q345钢，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3。
对动臂采用自由网格划分，选择四面体结构[9]，如图4所示。在铰销孔等特征处需要对网格进行局部加密，因为铰销孔为主要受力区域，易产生应力集中。圆孔只有加密后才能体现出圆弧的特征，如果网格较少，圆孔体现出多边形特征，则结构实际情况会失真。划分网格总数为42 804，节点总数为9 479，如图5所示。
▲图4 动臂网格划分
▲图5 动臂节点网格加密
4.3 边界条件
对动臂结构施加约束，动臂结构在实际工作中并没有固定约束部分，处于动平衡状态[10]，外载荷主要作用在铰销孔处。施加的所有约束可以消除结构的全部刚体自由度，同时也不会对动臂产生附加约束。如果在动臂节点上直接施加约束，由于约束本身会引起附加刚度，这样会影响计算结果。实际采用弹簧方式，在节点上建立对地弹簧，约束弹簧端部，通过调整弹簧刚度来避免约束节点对结构产生的附加刚度，同时还可以通过约束弹簧端部来消除刚体位移，打开惯性释放，如图6所示。
对铰销孔进行加载，如图7所示。
▲图6 动臂施加约束
▲图7 铰销孔加载
4.4 后处理与结果分析
经过后处理的动臂结构有限元分析位移云图和应力云图分别如图8和图9所示。
▲图8 动臂位移云图
由图8、图9可见，动臂最大变形量为0.45 mm，说明动臂的变形在正常范围内。最大等效应力为96.511 MPa，小于材料屈服强度（345 MPa）。
▲图9 动臂应力云图
可见，动臂结构满足强度和刚度要求。在动臂与斗杆的连接处出现应力集中，因此在制造过程中应控制焊接位置，保证焊接质量。
5 结束语
基于ANSYS对SEM650B型液压装载机动臂进行有限元分析，动臂应力较大之处主要是动臂与斗杆的铰接处，以及动臂与斗杆液压缸铰接的附近区域，变形出现在动臂与斗杆液压缸接触区域及靠近底座的一段区域，分析结果为装载机设计优化提供了参考。利用SolidWorks与ANSYS之间良好的接口，实现数据交换，避免数据丢失，弥补了ANSYS建模功能的不足，有效提高了设计效率。
