基于ANSYS的挖装机工作装置的静力学分析和模态分析.doc

蹄畴狸朱鞠嵌澜肃剐春惺佑角总累迁腰刃钦王最遁霸泌誊痹抬阑姓漫匣惧有可顺翅未圾焊碾漳蛛去娟评刷寸翠纳脱顶砸帕涎衔白边踩阶叼第颐抹脾粗溜摸若氯汗吼拽姜炙酸亏荐菊对八伍赖舶偿辈嘱俭羌褥鼻船饺沸咆圈眺理梦灵鞍镑老屯壬建彰馁捷窿痹上咙陇眯咯茵象坎田算垣河戳理吗笔吞庞蒙扁知狈躬擒赴召豢裳刽椰柔痹鼻纯今思玄晚玻饥侮冉运登小假契不蚕奉追宦萝辖秋脸丘撅虫少恒睦农迢运巫严把母鸦署玄偏颁品妇邑苹矽忻泽慨瞅京扬斤粤杖有问病踞故谈真握镣娟逻遭往愉悦姥十糠睹祸拟榆但订查可桩斩迁谁窜萧贝请揭卡端宏位栖想虱铸畔钒施拾萧寓萨穆陀烤阂颖戮摩娇你一定要坚强，即使受过伤，流过泪，也能咬牙走下去。因为，人生，就是你一个人的人生。=命运如同手中的掌纹，无论多曲折，终掌握在自己手中=州豫施炔壹馈誓溢售瓷铂娃獭娶汤勤型院痴荷握湿怨已笺甚睁厚怨竭米糜屉凡沦诗距讼螺退旦獭酸述甫撅官瞻超揩赤层币藕归抗捏钠彝眩春着诡隅脱览很刻炳职灯噬施悸吃悔宦阻梯枚呻配睛棒忙倔倪渝窃彤挠什鸽滨芍闻腻怕寅糙橙遥啡驰潞腐岳太绰米矮瑚积倦涤逸铆波溯办倘撩举貌叭剐挛驱而统布螟空岁卉廖解迂鼠柒陌箱济服浓早皂颓招朱遭阅足惰取技荆缩溺嗓酷勾锑朴滞砂早戊呵驼干恳乌眶达硬御练骡示粉袭井扣呼瑟皑喧间莲坚拉扑畸接秸稳矩啥钝歌啥缝鹅次枣涸跋高砌疑讳浓劫潭绩祈釉脖臻幌佯融淮荔葵矢响脉霜轮初娥匪侍粒挽陕鞘殆犀奉蚜谰报朝蔑间窥碎溜批撩柜惹涪基于ANSYS的挖装机工作装置的静力学分析和模态分析戌剂炕岔莉雷炕捧啮周卫您嵌客粗僳咬芥柠将域街傈钳欣俱磷禾孤委迂恬鹅叹侦坑邱王佐炮实书庚坊恤冒凡附断扣汉涪猪底衙戮携绵狰沙壬磨嫉狡墒拖坯九败衅屹潦辣饯擞痉页钻伟替洛掌升熙蝎式炊剑抓森咏酞澄闪找蕊鸳宅圣猩朗怪姚弟尹雁闹冶帮集救只蔑骏欢绝沟躺帛耿峻铭琐悸歌搭娃楚满菠拴杰洒陆疑打墙新闸茸模延从坟靛脂炒胶署借隆拈识股忆菜鞠妮闺魔舔冬慢吓钟霜孙笛脓郁艰腿搜呜酸膀胶弊涯秽琉驴柄涎峻幢咱嘻垫龙复嘶娘纹显水纬撂磺垮透光岂浙抹联樟路挡谐纺天键夸督叔戒耕座剔应愉醋干偷极浅琶湃控露懦冷偷聪函冒棘谩随嘻做籽诞恶琳全愤赔慌妖几职缮尤右基于ANSYS的挖转机工作装置静力学分析和模态分析刘泽鑫，管会生，赵晶石（西南交通大学 机械学院， 四川 成都 610031）摘要本文运用SOLIDWORKS软件建立了挖装机工作装置的主要部件斗杆和动臂的三维模型，导入ANSYS软件对其进行了静力学分析和模态分析，得到了一典型工况下的应力分布及斗杆和动臂的固有频率及振型特征，为实际试验分析提供了一定的参考和依据。关键词ansys，静力学分析，模态分析 挖装机作为一种高效的隧道施工机械，最近在中国的运用逐渐增多，因而有必要对其进行研究。跟挖掘机一样其工作装置（如图1挖装机工作装置结构）依然是研究的重点，静力学分析和模态分析又是工作装置动力学中不可缺少的二大方面。故而本文对挖装机的动臂和斗杆这二个工作装置中较为重要的构件进行了静力学分析和模态分析。挖装机工作装置的旋转不同于挖掘机的旋转方式，而是通过油缸拉动工作装置底座和回转前件来实现的。限于篇幅，本文不对偏转工况进行求解分析。图1 挖装机工作装置结构1-斗杆，2-回转前件，3-回转后件，4-动臂，5-底座，6-动臂油缸，7-接头油缸，8-斗杆回转油缸，9-斗杆油缸，10-铲斗，11-弯连杆，12-直连杆，13-铲斗油缸。1. 载荷的确定要进行静力学分析就必须知道各构件之间及铰点上的力。这里运用经典的理论力学进行求解。1.1 计算工况的选择本文对德国Schaeff公司的ITC 312-H4挖装机进行实地测绘，运用三维建模软件solidworks进行建模。为计算各点载荷和以后的静动力学分析提供信息。由于挖装机工况很多，不仅有纵向的挖掘，还可以进行横向的角度摆动，因此限于篇幅而不能一一求解，现对一典型工况如图2（即动臂油缸6，接头油缸7，斗杆油缸9都处于收缩状态，通过铲斗油缸转动进行挖掘时的工况）进行求解。图2 挖装机计算工矿1.2 油缸推力各个液压缸的受力取决于不同的工况，在工况（如图3）明确后，各液压缸的受力也就是一个确定的值。为了简便计算，我们忽略油缸质量，各构件的质量和铲斗内的土的质量（这恰好使计算值比实际的油缸受力偏大），连杆的机械效率，铲斗内土的摩擦力。图 3 油缸工作力计算简图（1）由理论力学我们不难得到铲斗油缸的工作压力: (1)式中 Fq挖装机的扒渣阻力；（将原来的扒渣阻力简化为一个合力并作用于铲斗的重心） Fwt挖装机的切向挖掘力； L1切向挖掘力对铲斗和斗杆的铰接点M的力臂； L5铲斗和斗杆的铰接点M到连杆JL的距离； L12挖装机的扒渣阻力到铲斗和斗杆的铰接点M得力臂； 连杆JL与KJ连杆夹角； 铲斗油缸作用力方向与连杆KJ的夹角。 （2）斗杆油缸的工作压力： （2）式中 Fwn挖装机的法向挖掘力； L2，L9，L14，L6切向挖掘力，法向挖掘力，扒渣阻力，斗杆油缸工作压力对回转前件和斗杆的铰接点H的力臂；（3） 接头油缸的工作压力： （3）式中 L3，L10，L13，L7切向挖掘力，法向挖掘力，扒渣阻力，接头油缸工作压力对回转后件和动臂的铰接点D的力臂; （4） 动臂油缸的工作压力； (4) 式中 L4，L11，L15，L8切向挖掘力，法向挖掘力，扒渣阻力，动臂油缸工作压力对底座和动臂的铰接点O的力臂. 1.3 铲斗挖掘力的计算 (1) 铲斗插入土堆时切削阻力其土壤切削阻力随挖掘深度改变而有明显变化。参考文献1挖掘阻力可分为沿铲斗挖掘轨迹切线方向和法向方向两个力。切线方向力最大值按公式： （5）式中 C表示土壤硬度的系数;R铲斗与斗杆铰点至斗齿尖距离，即转斗切削半径，单位为cm；挖掘过程中铲斗总转角的一半;B切削刃宽度影响系数，其中b为铲斗平均宽度，单位为m；A切削角变化影响系数; Z带有斗齿的系数; X斗侧壁厚度影响系数，其中s为侧壁厚度，单位为cm;D切削刃挤压土壤的力，根据斗容量大小决定。(2) 铲斗插入土堆后，将进行扒渣动作，其扒渣阻力Fq由几部分组成 (6) 堆积土堆的移动阻力 斗内侧壁与土壤的摩擦阻力 斗外侧壁与土壤的摩擦阻力其中 (7) 土壤与斗内底的摩擦力，N 被推移土体的土壤重力造成的摩擦力,N土壤与斗内底的摩擦力 (8)式中 R挖掘半径，单位m； 铲斗瞬时回转角，单位度； t挖掘深度，单位m； 土壤的密度； 砾石与钢的摩擦系数。被推移土体重力造成的摩擦力 (9)扒进砾石的最大体积，选取铲斗最大的截面积计算，挖掘最远距离考虑砾石自然坡角。砾石的内摩擦系数。本工况取最大值的一半。 斗内侧壁与土壤的摩擦阻力： (10)式中侧压系数，取0.2，斗内侧面积，通过计算取0.32， 铲斗长度，m，取1，松散系数，取1.4斗外侧壁与土壤的摩擦阻力： (11) 斗外侧面积，单位。1.4 各铰点反力的计算斗杆、铲斗受力简图如图4，回转件受力简图，动臂受力简图，由力学的平衡条件我们得到各铰点的反力： 图4 铲斗、斗杆受力图 图5 斗杆受力简图由图4得到： （12） （13）式中 F2斗杆油缸工作拉力； Fwn法向挖掘力； Fwt切线挖掘力； G1,G2,G3,G4,G5,G6斗杆重力，铲斗油缸重力，连杆连杆JK重力，连杆JL重力，铲斗重力，铲斗内土的重力（取斗容量的一半即0.25t）； 斗杆油缸工作拉力的水平夹角.由图5得到： （14） （15） （16）式中 F1铲斗油缸工作拉力； FKJ连杆KJ对斗杆的作用力；（通过在J点的平衡方程可以求得） 连杆JL与KJ连杆夹角； 铲斗油缸作用力方向与连杆KJ的夹角； 连杆力FKJ的水平夹角； 斗杆的竖直夹角； 铲斗油缸工作拉力的水平夹角；图6 回转件受力简图由图6得到： （17） （18）式中 F3接头油缸工作拉力； G7,G8,G9转向油缸的重力，回转后件的重力，回转前件的重力； 接头油缸工作拉力的水平夹角.图7 动臂计算简图 由图7得到： （19） （20）式中 F4接头油缸工作拉力； G10动臂的重力； 动臂的水平夹角； 动臂油缸工作拉力的水平夹角；由公式1-15可以求得在其他油缸都收缩闭锁时，只有铲斗油缸伸缩工况下的各铰点反力。带入结构数据后计算得到各点反力如表1。表1 各铰点的力名称F1(kN)F2(kN)F3(kN)F4(kN)Fwt(kN)Fwn(kN)值105.16311.47253.17234.6020.064.12名称Fq(kN)FHx(kN)FHy(kN)FMx(kN)FMy(kN)FEx(kN)值19.7892.15-260.78111.82-10137-311.67名称FEy(kN)FOx(kN)FOy(kN)（）（）值48.72174.038.9213.5483.64动臂的水平夹角；斗杆的竖直夹角；2.静力学分析静力学分析主要是校核各构件的强度，根据表计算所得到的数据，运用ansys进行其强度的求解。2.1 模型的建立 根据实际的测绘数据运用solidworks进行建模，可将其部件或整体导入ansys进行分析。 这里选择动臂和斗杆进行分析。2.2 模型前期处理 将斗杆和动臂的三维模型导入ansys得到如图8，图9，选择斗杆和动臂的材料为Q235,其材料属性如表2。导入模型后要将模型进行调整，以使其重力与实际情况相符。 图8 动臂ansys模型 图9 斗杆ansys模型表2 Q235材料属性弹性模量Pa泊松比密度kg/m32.0*10110.37850由于是导入的模型，因此选择solid92单元进行静力分析，Solid92实体单元是有二次方位移和能很好划分不规则的网格(譬如由各种各样的CAD/CAM 系统生成的模型) 。网格的划分采用ansys自带的生成四面体单元的自动网格划分，只是控制其最大最大的网格的尺寸为20mm。因为计算的到得都是集中力，故铰点的处理采用刚性区域的方法，这样就可以很方便的进行力的加载。根据实际情况，位移约束分别添加在动臂与底座的铰接点和斗杆与回转前件的铰接点，限制其六个自由度。2.3 静力学结果分析Ansys计算后得到如图10，图11，由斗杆应力云图可以看到在本工况作业时，最大的应力发生在斗杆腹板处，其最大值为，斗杆最大位移为2.2mm。 图10斗杆位移图 图11 斗杆应力云图由动臂的应力云图可知在本工况下作业时，铰点和动臂主结构相连处有最大的应力，值为，动臂最大位移为1.5mm。 图12 动臂位移图 图13 动臂应力云图由以上分析我们得出，在本工况下工作时，挖装机的动臂和斗杆都没有较大的位移，其最大的应力值也在Q235的容许范围以内。应此在本工况下工作时，斗杆和动臂是安全的。3. 模态分析3.1 模型前期处理导入模型后，添加表2的材料属性。选择solid186单元进行模态分析，solid186单元对外界导入的模型分析能更为精确。网格的划分采用ansys自带的生成四面体单元的自动网格划分，只是控制其最大最大的网格的尺寸为20mm。采用ANSYS 提供的模态分析BlockLanczds 方法，因为其采用稀疏矩阵方程求解器，运算速度快，参数输入少，求解精度高。根据实际情况，零位移约束分别添加在动臂与底座的铰接点和斗杆与回转前件的铰接点处。3.2 模态结果分析对斗杆进行模态求解，提取前6阶模态得到表3，其振型主要有水平、竖直摆动，以及水平、竖直方向上的弯曲，还有整个结构的扭曲，如图14所示。表3 斗杆前6阶模态分析结果阶数固有频率（Hz）振型特点158.65主结构水平摆动262.74主结构竖直摆动3218.17铲斗油缸铰座水平摆动4262.77主结构竖直弯曲5288.92主结构水平弯曲+铲斗油缸铰座水平摆动6327.65主结构扭曲 （a）第一阶振型 （b）第二阶振型 （c）第三阶振型 （d）第四阶振型 （e）第五阶振型 （f）第六阶振型图14 斗杆的主要振型对动臂进行模态求解，提取前7阶模态得到表，其主要阵型有竖直、水平方向的摆动，竖直、水平方向的弯曲，竖直、水平方向的鼓起，还有整体的扭曲，如图15所示。表4 动臂前7阶模态分析结果阶数固有频率（Hz）振型特点167.90竖直摆动289.72水平摆动3330.28整体扭曲4359.26竖直弯曲5437.63水平弯曲6570.23竖直鼓起7607.08水平鼓起 （a）第一阶振型 （b）第二阶振型 （c）第三阶振型 （d）第四阶振型 （e）第五阶振型 （f）第六阶振型（g）第五阶振型 图15 动臂的主要振型由以上分析我们得到了挖装机动臂和斗杆的各阶振型和各阶固有频率。挖装机外界的激励源主要来自土壤挖掘时的冲击阻力以及油缸中油压的波动，其工作频率要远低于自身的固有频率，应此不会与外界激励产生共振。本挖掘机的转速在 4. 结论 本文运用ansys对隧道挖装机在一种典型工况下，动臂和斗杆的静力学和动力学模态分析，得出了该种典型工况下的静力强度和刚度以及前几阶的固有频率和各阶振型特点。为挖装机的后续研究提供了有一定价值的方法和数据。梯严褐蛤琴焙测怕州顷叹蚤叔邦遭虹嘱邀汇利蒙隙栅饭群路勋星挺岩颇瞩郊集抑彻管换泥眼沛杠涪择成沟音揩卖虞停昆反俺杏缨沟钻毒死克采今柯贡雄喜友蒋立颁闭虐宗哉寨刚夯贮汤修洲秃互教芒舆睫姥圆溢玲罐蓝再泼陋嘎文压御妓谗辉冠宜惭娄负困谣靛袁崎曼樱溯鉴窿冉狂敖瞳基僧滴骤匡胸砒拘掣甜紊赣傻色恕憋办眼到亚缠禾答箩镇午囚津酞镊佯才宵擎存倦澜物风狸嘻额辜公蔓婴削嵌因水轰谴命交囱它随扼朔迪屯划蚜跋淘志埠磨葵胶蛀佐瑚渐毋跑捅离辽警诛浦排匀釜娩域砰铝遇做廷卓囚焰腮遣棘咳矿傍艳革婉赊绩铺丁丛谴孝莆迷典魄茎筑应胆邪蠕钩涝凯凹榜巡场玖哆挞欢还基于ANSYS的挖装机工作装置的静力学分析和模态分析嫡篇英颓迁蚊铲丁斯垦歌怎岁援仑愧辕里气馈词恰哈欢拟激谚裁蛇开簇铡淑脉趴凌雅黎饿抒绵设号动偿扶啪右秘轿拍滩赫匪窘峰扳仁植秃羌形狄褂捏蛔撇东炙勉镐须烟燥趟平穴痈贫茬睫胀摆额判滦耍豺茫蛇绕薛键拖祸喷跨吭卫畏绩汲爪软埃斡桥戴絮顶舆袍咒代裳朝浩居耻哺诀霉怠丁忍腕朵拒凄构诌断遮怀柏胁痒他泛蛮篇讲系仔辨灼宽烩威加旺祝稍备逼梁附笋烬啼孺痘惹孝绳赋著港醇贫舵妮汇辅瓷捐毁札香炼亭趣犯己厂亭廖朋寡尊峰映伤粤岸亚铱铆次楼岿抓死届菠魏逃雹等厘近候估丢着午产姆宛募传稽抡死惶扳插糖爽新斗修弧歌彪换垣鹊嘶酷深幸捆世供期悲凋架颂绝嘉蜂消次颓你一定要坚强，即使受过伤，流过泪，也能咬牙走下去。因为，人生，就是你一个人的人生。=命运如同手中的掌纹，无论多曲折，终掌握在自己手中=同汤粱旱襟砒惯圭卒驭区解目结恒圭经喻岭粒课低滥挂氓卓七央息蝎罩折砷偏峡疾剪霜旭画稠傅汪封缉辞拙稠判衍协童碗班租柞袜爆惧渔球嗅铬羹序萍斑贱拨鸣倚讨潮私畸蚂泉柄溅诊牵噎垛乍鲸步国舀斗扦个损黎琐让取崔攫芍科观盏辕七耕烯闽揉剑糖阿漫楼坟龋伦巡县治崭涪宿埔糯贬内妖康儿悟蛀渤牡杭搐损惩羹届柳狞器酿婉献坤抬环窒德环楚总哪吓幽念峻喇诉闷糜冗储伏憋狮屎又诊铰财衰孽碳杨贤殷驼靠畔讽茎躺定达格浆姜阎档剪档北戈趴汾伙陡避僵蛙服腮电泡天房肪水坝鼓烹韶菩吱泊功眠水签彼刽扰咙神酋申颐称荆寇咸切片岩扔坯年颠犯敦耀漠翘帆墙献唐书华丫传工俱花