基于Creo2.0装载机铲斗工况的有限元分析及其结构改进

陈显均

(1.四川大学化工学院，四川 成都 610065；2.四川化工职业技术学院，四川 泸州 646000)

1 铲斗工况分析

1.1 典型工况

装载机在铲掘作业过程中，有三种不同受力情况。

（1）铲斗水平插入料堆，油缸闭锁，可认为只有水平插入阻力作用在斗刃上。

（2）铲斗水平插入料堆，转斗油缸或举升油缸铲取物料时，可认为只有垂直崛起阻力作用在斗齿上。

（3）铲斗边插入边收斗或边插入边举臂进行铲掘时，此时有插入阻力与垂直掘起阻力同时作用。

1.2 载荷作用情况

装载机工作装置的作业阻力主要指铲斗插入、铲取、举起时克服的阻力、摩擦力与重力。为了简化分析问题，现在假设它们作用于铲斗齿尖的刃口上，并集中形成水平插入阻力和垂直掘起阻力。

由于铲斗切削刃上的受载在实际作业中是不可能达到完全均匀的，为了简化问题，可以采用两种较为极端的情况来讨论：第一种情况是对称载荷，在该种情况下，载荷是沿着切削力均匀分布的，计算过程中可看做一个斗刃上的集中载荷作用；第二种情况是偏心载荷，此时载荷偏于铲斗一侧，此时可将其简化为铲斗侧边第一个斗齿的集中载荷。将对称载荷与受力工况结合起来，如图1所示为铲斗的各种受力工况。

图1 外载荷作用情况

2 铲斗的有限元分析

2.1 定义材料属性

该款9吨装载机铲斗材料为Q345A，安全系数取n=1.2，许用应力[σ]可根据屈服强度与安全系数求得。其详细参数如下表1所示。

表1 Q345A的材料属性

2.2 网格划分

如图2所示，网格划分是有限元建模的必要与重要的一部分，其网格质量好坏决定着计算精度。在对计算结果要求不是很高时，Creo2.0可以对铲斗进行网格智能自动划分，不需要人为设置即可满足。单元格类型选用四面体单元。

图2 铲斗网格模型

2.3 定义载荷及边界条件

网格化分完成之后即可进行定义载荷及边界条件。铲斗G点和F点的载荷类型为承载载荷。在定义载荷时还要注意以下三点要求。

（1）铲斗在各铰接点处的受力为承载载荷，且施加载荷时，应对载荷按照水平和垂直方向进行受力分解。

（2）铲斗在F点处的受力面有4处，因此在定义两个承载面受力时，每个面的承载载荷大小为总载荷的1/4。

（3）铲斗在B点处的受力面有4处，因此在定义4个面的承载载荷时，每个面的承载载荷大小为总载荷的1/4。

定义好各铰接点处的受力载荷以后，还需要对各铰接点处进行边界位移约束。由受力分析可知，各铰接点处只可以转动，不可以左右移动，即为销约束。

2.4 铲斗有限元分析结果

铲斗有限元结果如图3、4、5和6所示。

图3 铲斗受力云图

图4 铲斗受力矢量云图

图5 铲斗位移云图

2.5 有限元结果分析

由图3、4分析可知，铲斗受力最大应力值为553.5MPa，最大应力矢量值为524MPa，两者均大于许用应力值287.5MPa，而且范围较大。应力最大值处位于动臂支撑与斗壁板焊接位置处，所以铲斗结构应进行二次优化。

由图5、6分析可知，铲斗的最大位移发生在铲斗最前端，最大位移为2.5e-2mm，其变形量很小，基本可忽略。

3 铲斗结构优化

3.1 结构改进

由有限元分析结果可知，铲斗在受力时支撑板和斗壁板焊接位置处的受力较大，数值远大于许用应力值287.5MPa，所以铲斗结构应进一步优化。本文优化方法为在斗壁板的内侧，支撑板与斗壁板焊接位置处增加一加强板，加强板结构如下图7所示。

图7 加强板

3.2 仿真模拟

图8 铲斗受力云图

图9 铲斗位移矢量云图

3.3 结果分析

由图8铲斗受力云图可知，优化后的铲斗应力值均处于287.5MPa以下，所以云图显示最大值大于许用应力值，原因是由于焊接应力造成的，不影响铲斗结构的设计。

从图9铲斗位移云图可知，优化后的铲斗受力后，其最大位移变形量为2.29e-02，所以从位移云图上来说，结构也更可靠一些。

4 结语

通过利用Creo2.0软件，对装载机铲斗进行了有限元分析和改进，验证了Creo2.0的实用性，对新技术推广，缩短产品开发周期，提高产品竞争力有积极作用。