液压挖掘机工作装置应力测试与有限元分析

王海玲

（天津机电职业技术学院，天津 300350）

0 引言

液压挖掘机在建筑、采矿及道路施工等工程领域有着广泛的应用，由于工作环境的恶劣性，挖掘机结构件的强度和可靠性成为衡量挖掘机性能的重要指标，对此众多的研究者采用多体动力学、有限元等工具对挖掘机动臂、斗杆等重要构件的强度展开仿真分析，但是缺乏仿真与工作装置实际工况下的应力对比，难以确保有限元模型的准确性［1－3］。本文以某具体型号挖掘机为分析对象，采用贴电阻应变片的方法，对动臂和斗杆关键位置进行了应力测试，并通过ANSYS有限元软件对其进行仿真计算，将仿真计算结果和测试值进行比对，以验证有限元模型的正确性。

1 静应力测试

1.1 测试方案

挖掘机应力测量装置如图1所示。挖掘机工作装置的静态应力测试采用在关心的位置贴电阻应变片的方法，通过数采设备收集测试点位置的应变，然后再根据力学原理换算为需要的应力值。挖掘机工作载荷利用拉压传感器进行加载，拉压传感器通过吊带连接到挖掘机的铲齿上，施加6×104N的拉力，力的位置和方向如图1（a）中箭头所示。整个应力测试系统还包括LMS的数采前端和Test.Xpress测试分析软件，如图1（b）所示。

采用贴应变片的方法进行结构静应力的测试，测量结果受贴片技术、测试环境、测试系统误差等诸多因素的影响。为了保证测量过程的合理性和测量设备的有效性，先做简单的验证实验。首先在一个矩形试块上贴片、做静力测试，然后建立对应的有限元模型进行分析，当测试和有限元计算结果完全吻合后再实施本次测试工作。

图1 挖掘机应力测量装置

1.2 测试点布置

应力测试观测点的布置要考虑挖掘机实际应用的损伤点，尽量将应变片布置在用户关心的位置，比如动臂和斗杆上靠近铰链的位置容易损坏，而斗杆底面靠近筋板的位置容易开裂。但是由于挖掘机结构很大部分是板材焊接件，而焊接位置材料的属性较焊接前会发生很大的变化，目前有限元分析软件对此类问题的数值求解精确性很差，所以贴片一定要避开板材焊接处。此外贴片应考虑将测试点布置于静强度分析应力较大的位置，且尽量靠近板材的中心线，因为该处的应力变化比较均匀，能够有效降低应力突变引起的测量误差［4］。综合考虑作业工况、理论计算、受力分析及实际贴片条件，对工作装置静力测试点做出如下布置：在挖掘机动臂和斗杆上各设置3个测试点，即在动臂上边、下边、侧面布置测试点1、2、3，在斗杆上边、下边、侧面布置测试点4、5、6，各测试点位置如图2所示。此外，由于本实验装置和测试系统要同时进行挖掘机载荷谱的测试，实验周期相对较长，要随时关注由于应变片胶水老化、贴合面开裂等问题引起的测试误差，一旦误差超过允许值需要重新打磨贴片。

图2 挖掘机测试点布置

2 有限元建模与分析

2.1 三维几何模型建立

工作装置主要由动臂、斗杆、铲斗组件以及驱动油缸等构件组成，其中动臂和斗杆是最关键的承力部件，是有限元分析的重点，但是动臂和斗杆属于焊接件，存在多处焊缝，因此要对其三维模型进行修复，消除小的间隙、尖角以及实体穿透等。动臂和斗杆三维模型及内部结构如图3所示。

图3 动臂斗杆三维模型

2.2 有限元模型及材料属性

为保证有限元分析结果的正确性，有限元网格质量要满足一定的要求，本次分析采用专业的有限元网格生成软件HyperMesh进行网格划分，采用ANSYS提供的实体单元Solid185对几何模型进行网格划分形成以六面体网格为主的有限元模型。ANSYS中网格质量主要利用skewness（偏斜率）来度量，动臂和斗杆网格的偏斜率数值如图4所示。

由图4可知：动臂的偏斜率最大为0.78，平均值为7.35×10－2；斗杆的偏斜率最大为0.95，平均值为6.18×10－2。根据skewness网格质量度量等级标准，0.95以下的为可接受，0.8以下的是较好的，0.5以下是优秀的，总体来说网格质量满足要求。动臂和斗杆材料参数如表1所示。

图4 动臂和斗杆网格质量

表1 动臂和斗杆材料参数

2.3 有限元模型约束及载荷

通常情况下，做静力分析要在有限元模型中对结构添加与实际工况相一致的约束，如果结构约束非常复杂，模型中施加的约束不合理或者偏离实际的话，会导致有限元分析结果出现较大误差。为了规避约束方式引入的分析偏差，采用ANSYS惯性释放功能。惯性释放是ANSYS中的一个高级应用，允许对完全无约束的结构进行静力分析，实质上就是用结构的惯性力来平衡外力。尽管结构没有约束，分析时仍假设其处于一种“静态”的平衡状态。采用惯性释放功能进行静力分析时，只需要对一个节点进行6个自由度的约束（虚支座），针对虚支座，程序首先计算在外力作用下每个节点在每个方向上的加速度，然后将加速度转化为惯性力反向施加到每个节点上，由此构造一个平衡的力系（支座反力等于零），求解得到的位移描述所有节点相对于该支座的相对运动。

为了得到动臂和斗杆各铰接点的载荷，在多体动力学软件ADAMS中施加与试验现场大小及方向均一致的载荷［5］，即按照图1（a）在铲斗齿间施加6×104N的力。经ADAMS计算得到的各铰接点的载荷如图5所示。

图5 动臂和斗杆各铰接点载荷

采用ANSYS惯性释放功能计算得到动臂和斗杆的拉应力云图，如图6所示。由图6可知：在当前工况下，动臂和斗杆整体应力分布比较均匀，动臂应力沿纵向由中间向两端逐渐较小，斗杆应力较大区域出现在与动臂的铰接点两侧；动臂的最大应力值出现在动臂上盖板的耳板处，该处是动臂的危险截面，而斗杆的最大应力值出现在与动臂油缸的铰接处，此处也是实际应用中的易损点。

图6 动臂和斗杆应力云图

6个测试点的有限元应力计算值如图7所示，各测试点应力有限元仿真值与测试值对比如表2所示。

图7 各测试点的应力值

由表2可知：各测点应力有限元仿真值与测试值最大误差为测试点1处，差值为6.9%；最小误差为测试点2处，差值为1.1%。这说明有限元静应力分析与实测值不可避免地存在误差，误差来源于仿真模型与实际装置的差异、贴片测量误差、载荷计算误差等因素。但是仿真与测试的误差整体在7%以内，误差比较小，故可以认为有限元模型能够正确反映实际工况中结构的应力分布情况。

表2 各测试点应力有限元仿真值与测试值对比

3 结论

以某具体型号挖掘机为研究主体，采用贴电阻应变片的方法对动臂和斗杆关键点进行应力应变测试，并将有限元模型仿真计算结果与测试值做比对。分析结果表明：采用ANSYS惯性释放功能可以很好地解决约束不当造成的应力集中和计算误差的问题；有限元应力计算结果和测试结果吻合较好，可以作为挖掘机工作装置改进和优化的参考依据。进一步工作是增加应力测试的贴片范围和贴片数量，通过应力分布实验数据进一步校准挖掘机有限元仿真模型，提高仿真计算的精度。