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装载机工作装置的动力学仿真与有限元分析

作　者: 李凯
导　师: 朱瑞祥
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 装载机工作装置动力学仿真有限元分析结构改进
分类号: TH243
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

装载机工作装置的强度、刚度等是直接影响整机产品使用可靠性及寿命等性能的重要因素,故其结构设计便成为装载机整体设计的重要内容之一。本文以某装载机机型的工作装置为例,对其进行了运动、动力仿真与有限元分析研究,找出了工作装置在最大受力情况,即偏心加载方式、地面铲掘工况下的危险应力集中分布区域,并以此作为理论依据,对工作装置进行了结构形式改进,从而得到了更加可靠、完善的结构设计方案。(1)通过三维造型软件Pro/ENGINEER对装载机工作装置进行了数字化建模并装配,制作并导出了装配动画。(2)对装载机工作装置进行了作业工况、外载荷分析与计算,得到对称加载方式时插入阻力245391.81N,铲掘阻力361464.88N;偏心加载方式时插入阻力101039.57N,铲掘阻力148838.48N。采用ADAMS仿真软件建立了工作装置的虚拟样机模型,进而进行了各个作业步骤的运动、动力学仿真与分析,并导出了运动、动力学仿真动画。结果显示:铲斗在第5秒后的工作过程中,工作装置的转斗油缸掘起力总大于举升油缸掘起力,不会发生倾翻;在偏心外载荷工况下,工作装置构件系统所受的力值较大;在地面铲掘工况下,各铰点所受的力值最大;将偏心加载方式和地面铲掘工况选作有限元分析板块中的研究对象;在仿真结果数据中,动臂下铰点所受力的最大值接近1500kN。(3)建立了简化运动构件力学模型,通过力学计算方法,对工作装置各构件进行了受力分析计算,得出在最大受力情况下各构件的受力数值。从结果中得到,动臂下铰点最大受力值为1510.3kN,与仿真结果1500kN结果相当。应用ANSYS有限元分析软件,对动臂框架进行有限元静力分析。得到危险应力集中分布区域发生在受偏载一侧动臂板较前端的上下部分以及与举升缸铰孔铰接的内表面处,应力范围值632.32MPa-948.37MPa;动臂框架横梁与动臂板接壤位置和支撑部位上存在的应力值也已超出了屈服极限345MPa,此位置容易发生断裂。最大位移变形发生在受偏心载荷较大一侧的下铰点处,最大变形量为17.531mm。(4)根据有限元分析结果,提出了动臂框架结构形式改进的设计方案,并对改进后的结构进行了再次有限元分析。结果显示,在改进后的结构中,动臂板前端下铰点处的最大变形量缩小为11.9mm;动臂板上下部的应力集中危险区域明显减小,应力值降低到了316.3MPa-623MPa;横梁与动臂板焊接部位的危险点完全消失,验证了结构改进设计的合理性。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章文献综述  9-15
  1.1 研究的目的和意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-12
    1.2.1 国外研究现状  10-11
    1.2.2 国内研究现状  11-12
  1.3 分析方法与研究内容  12-14
  1.4 技术路线  14-15
第二章装载机工作装置模型构建  15-20
  2.1 三维数字建模软件的选择  15
  2.2 工作装置结构分析  15-16
  2.3 工作装置三维数字模型的建立  16-19
    2.3.1 构件的简化处理  16-17
    2.3.2 模型的建立  17-19
  2.4 本章小结  19-20
第三章装载机工作装置的ADAMS 运动与动力学仿真  20-35
  3.1 仿真软件的选择  20
  3.2 装载机作业工况分析  20-22
  3.3 工作装置外载荷分析与计算  22-26
    3.3.1 工作装置外载荷分析  22-24
    3.3.2 工作装置外载荷计算  24-26
  3.4 工作装置仿真模型的建立与运动学仿真  26-28
    3.4.1 导入模型并修改属性  26
    3.4.2 添加约束  26
    3.4.3 添加驱动  26-28
    3.4.4 运动学仿真  28
  3.5 工作装置的动力学仿真  28-34
    3.5.1 工作安全要求  28
    3.5.2 添加外载荷  28-30
    3.5.3 对称载荷工况下的动力学分析  30-31
    3.5.4 偏心载荷工况下的动力学分析  31-34
  3.6 本章小结  34-35
第四章装载机动臂框架有限元分析  35-45
  4.1 有限元分析软件选择  35-36
  4.2 工作装置各构件受力分析  36-38
  4.3 动臂框架的有限元分析  38-44
    4.3.1 工况描述  39
    4.3.2 定义单元类型  39
    4.3.3 定义材料性能参数  39
    4.3.4 划分网格与有限元模型的建立  39-40
    4.3.5 约束条件  40-41
    4.3.6 加载载荷  41-42
    4.3.7 求解  42
    4.3.8 结果分析  42-44
  4.4 本章小结  44-45
第五章装载机动臂框架的结构改进  45-50
  5.1 提出结构改进设计方案  45-46
    5.1.1 常用的改进设计方法  45
    5.1.2 结构改进设计方案  45-46
  5.2 改进后的效果  46-49
    5.2.1 改进后动臂框架的三维建模  46-47
    5.2.2 改进前后的动臂框架有限元分析与比较  47-49
  5.3 本章小结  49-50
第六章结论与展望  50-51
  6.1 结论  50
  6.2 创新点  50
  6.3 展望  50-51
参考文献  51-54
致谢  54-55
作者简介  55

装载机工作装置的动力学仿真与有限元分析

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