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有限元分析在工程機械結(jié)構(gòu)計算分析中得到了廣泛的應(yīng)用，但是絕大多數(shù)應(yīng)用僅限于對某個關(guān)鍵部件或者部分結(jié)構(gòu)進行強度、剛度及模態(tài)分析，由于結(jié)構(gòu)件分開計算時，存在邊界條件及載荷難以確定、結(jié)構(gòu)簡化等問題，從而會影響有限元計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。
工作裝置是挖掘機直接承受工作載荷的主要構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)強度直接影響到挖掘機的可靠性和工作性能。為了實現(xiàn)等強度設(shè)計及對危險截面和應(yīng)力集中部位的加強作用，一般將動臂和斗桿設(shè)計成不規(guī)則箱型焊接結(jié)構(gòu)。由于這種不對稱性及各部件間的耦合作用，不應(yīng)該采用解析法計算結(jié)構(gòu)上任意一點的應(yīng)力、應(yīng)變和位移，用有限元法卻相對容易實現(xiàn)。長期以來，國內(nèi)采用有限元法對挖掘機工作裝置進行了大量的研究，包括對動臂、斗桿及鏟斗分別進行有限元強度、剛度及模態(tài)分析，對工作裝置各組成部件間的連接銷軸進行有限元分析等。但是，目前針對工作裝置整體結(jié)構(gòu)進行集成有限元分析的研究成果較為少見。
本研究從系統(tǒng)集成的角度，以挖掘機的整個工作裝置為研究對象，建立完整的工作裝置三維集成有限元模型液壓挖掘機工作裝置由動臂、斗桿、鏟斗及油缸等組成，依據(jù)某液壓挖掘機的參數(shù)，利用UG軟件建立車架、動臂、斗桿、鏟斗的三維幾何模型。在建模過程中，去掉了螺紋孔、不會影響有限元結(jié)果的倒角、運輸?shù)醵纫亍Ｔ趯嶋H模型中焊縫處均按連續(xù)處理，其材料按照與母材相同處理，將以上各個部分裝配到一起的幾何模型如圖所示。
由于工作裝置的實際結(jié)構(gòu)主要是由薄鋼板焊接成的，且?guī)缀文Ｐ秃軓?fù)雜，故劃分有限元模型的單元類型選擇三維實體單元Solid45，油缸采用link8單元模擬。然后利用UG中GFEM模塊提供的面向ANSYS軟件的有限元前處理功能生成有限元模型。圖為某一工作位置集成有限元模型。根據(jù)原GB/T9141-88《液壓挖掘機結(jié)構(gòu)強度試驗方法》，挖掘機工作裝置分為5種計算工況：
(1)計算工況1：動臂液壓缸全縮，斗桿液壓缸作用力臂最大，斗齒尖位于鏟斗與斗桿鉸點和斗桿與動臂鉸點連線的延長線上。該工況下載荷為重力、切向力和側(cè)向力。
(2)計算工況2：動臂和斗桿液壓缸作用力臂最大，斗齒尖位于鏟斗與斗桿鉸點和斗桿與動臂鉸點連線的延長線上。該工況下載荷為重力和切向力。
(3)計算工況3：動臂和斗桿液壓缸作用力臂最大，鏟斗液壓缸以最大當(dāng)量力臂工作。該工況下載為重力和切向力。
(4)計算工況4：動臂液壓缸全縮，斗齒尖位于鏟斗與斗桿鉸點和斗桿與動臂鉸點連線的延長線上，且該3點所在的直線位于鉛垂線上。該工況下載荷為重力、切向力和側(cè)向力。
(5)計算工況5：斗桿油缸全縮，動臂油缸保證使動臂和斗桿展開的離上車架回轉(zhuǎn)中心線最遠的位置。鏟斗油缸伸到最長，使鏟斗的位置能夠裝載物料。該工況下載荷為重力與慣性制動力矩。
根據(jù)載荷作用，可以建立5種工況下工作裝置集成有限元模型。圖為計算工況1情況下整體有限元模型，圖為計算工況2情況下整體有限元模型。通過對部件間的角度旋轉(zhuǎn)及接合處結(jié)構(gòu)的調(diào)整，可獲得不同姿態(tài)工況的有限元模型，從而進行不同工況下的強度、剛度及模態(tài)分析研究。通過對各種工況下的有限元計算結(jié)果進行分析，可以得到不同工況下應(yīng)力集中部位、危險截面發(fā)生部位及變形量最大部位。
對于不同工況，根據(jù)工作裝置承受載荷的不同，有限元分析結(jié)果存在差異。本研究主要以不同的典型工況為例，對工作裝置進行強度、剛度及模態(tài)分析。
以計算工況2為例，對工作裝置進行整體集成強度分析。該工況是動臂和斗桿液壓缸作用力臂最大，斗齒尖位于鏟斗與斗桿鉸點和斗桿與動臂鉸點連線的延長線上，方向垂直于鏟斗與斗桿鉸點和斗桿與動臂鉸點的連線，載荷為重力和切向力，作用在中齒齒尖上，這時動臂油缸所承受的拉力和斗桿油缸所承受的壓力都達到了最大值。具體的加載方式如圖所示。圖為切向載荷和自身重力載荷作用時計算得到的工作裝置整體應(yīng)力圖。表表示工作裝置最大應(yīng)力位置分布情況，斗桿和動臂均出現(xiàn)了大應(yīng)力的位置。如圖所示，從工作裝置整體應(yīng)力圖中提取斗桿與動臂局部應(yīng)力位置圖，可以得到該工況下斗桿、動臂的應(yīng)力分布情況，斗桿應(yīng)力最大的位置在斗桿與動臂的連接處以及鏟斗油缸的支座處；動臂大應(yīng)力的位置主要是在斗桿油缸支座處、連接蓋的根部以及動臂下蓋板前端。
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