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210型挖掘机工作装置铰点优化设计

作　者: 陈复之
导　师: 罗一平
学　校: 上海工程技术大学
专　业: 车辆工程
关键词: 挖掘机工作装置 铰点 正交试验设计 拓扑优化
分类号: TU621
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要


液压挖掘机作为一种常用的、重要的工程机械，被广泛应用于民用建设、矿山开采、水利水电工程、军事运载等领域。液压挖掘机利用工作装置进行挖掘，其工作装置的性能和可靠性是整机优越性的重要标志，而工作装置铰点的位置和结构件强度是影响挖掘工作效率和作业性能的重要参数。工作装置的作业由三个油缸的复合运动及铲斗和土石方的相互作用来实现，其运动和受力分析情况比较复杂。工程应用中常出现动臂或斗杆油缸支架开裂失效、挖掘区域不合理、以及工作装置铰点销轴早期断裂等故障，给企业造成了巨大损失，直接影响了国内挖掘机行业的发展。和国外其它的工程机械相比，国产液压挖掘机竞争力较差，在国内的市场占有率也是相对较低。液压挖掘机工作装置铰点的优化设计是液压挖掘机设计中极为重要的一部分，它对于提高整机的作业性能以及产品可靠性具有重要的意义。本文的主要研究工作和结论主要分为以下几个方面：建立了挖掘机工作装置的多体动力学模型和有限元模型，对工作装置主要部件进行强度分析；以解决挖掘机工作装置动臂强度问题和动臂轻量化为目标，首次在挖掘机铰点位置参数优化过程中引入DOE分析方法，采用正交试验设计和拓扑优化相结合的方法分别对铰点的位置和结构进行优化，并对优化结果进行应力试验验证。最终完成210型液压挖掘机工作装置铰点的优化设计。研究结果表明：拓扑优化和DOE分析相结合的方法对工作装置铰点优化是可行的。通过对铰点的DOE分析，成功的解决了210型挖掘机动臂强度不足的问题，使动臂上应力下降了21%；其次，通过对铰点结构的拓扑优化，中部轴座的质量比原结构降低了28.6%，完成了工作装置的轻量化工作，具有一定的实际意义。

全文目录


摘要  6-7
ABSTRACT  7-12
第一章 绪论  12-19
  1.1 课题的研究背景和来源  12
  1.2 单斗液压挖掘机研究现状综述  12-15
    1.2.1 国内外研究现状  12-14
    1.2.2 挖掘机工作装置铰点研究现状  14-15
  1.3 挖掘机工作装置的工作原理及设计要求  15-17
    1.3.1 液压挖掘机工作装置的工作原理  15-16
    1.3.2 工作装置的设计要求  16-17
  1.4 本文的思路及主要研究内容  17-19
第二章 多体动力学、有限元和 DOE 设计的理论基础  19-26
  2.1 多体动力学理论基础  19-20
  2.2 有限元基本理论  20-23
  2.3 DOE 分析理论基础  23-25
    2.3.1 DOE 分析概念  23-24
    2.3.2 DOE 基本原理及方法步骤  24-25
  2.4 本章小结  25-26
第三章 挖掘机工作装置的多体动力学仿真及分析  26-43
  3.1 210 型挖掘机工作装置参数介绍  26-27
  3.2 大型挖掘机工作装置 CAD 建模  27-29
  3.3 基于 ADAMS/VIEW 模块的挖掘机动力学建模  29-34
    3.3.1 建模基本参数  29-30
    3.3.2 姿态确立  30-32
    3.3.3 模型的边界条件和约束  32-34
  3.4 挖掘机工作装置的动力学仿真  34-42
    3.4.1 Step 函数基本理论  34-35
    3.4.2 动力学仿真  35-38
    3.4.3 工作装置各铰点的受力分析  38-42
  3.5 本章小结  42-43
第四章 液压挖掘机工作装置有限元分析  43-52
  4.1 动臂有限元模型建模原则  43-44
  4.2 动臂有限元模型建立  44-48
    4.2.1 单元类型的选取和焊点处理  44-45
    4.2.2 动臂网格划分  45-46
    4.2.3 载荷及边界条件的确立  46-48
  4.3 有限元计算结果分析  48-51
  4.4 本章小结  51-52
第五章 挖掘机工作装置铰点位置参数的 DOE 及优化  52-63
  5.1 正交试验基本理论  52-53
  5.2 正交试验设计方案  53-55
    5.2.1 目标函数的确立  53-54
    5.2.2 因素水平的选取  54-55
  5.3 铰点的正交试验设计  55-57
    5.3.1 正交矩阵表设计  55-56
    5.3.2 试验模型评价  56-57
  5.4 试验结果分析  57-62
  5.5 本章小结  62-63
第六章 基于 OPTISTRUCT 铰点结构拓扑优化  63-71
  6.1 OPTISTRUCT 优化流程和策略  63-64
  6.2 拓扑优化简介  64-65
    6.2.1 拓扑优化的基本原理  64-65
    6.2.2 B 铰点结构优化的数学模型  65
  6.3 铰点结构拓扑优化  65-68
    6.3.1 拓扑优化模型建立  65-66
    6.3.2 B 铰点结构拓扑优化的实现  66-68
  6.4 应力试验验证  68-70
  6.5 本章小结  70-71
第七章 总结与展望  71-73
  7.1 全文总结  71-72
  7.2 展望  72-73
参考文献  73-76
攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果  76-77
致谢  77-78

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中图分类: > 工业技术 > 建筑科学 > 建筑施工机械和设备 > 土工机械、挖掘机械 > 挖掘机
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