基于APDL的裝載機(jī)工作裝置動臂參數(shù)化有限元分析

2013-06-04 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

運用APDL語言完成裝載機(jī)工作裝置動臂的整體三維建模,在ANSYS環(huán)境下對ZL60裝載機(jī)動臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了計算。得到了在靜力條件下對稱水平插入力作用工況下動臂的應(yīng)力、變形云圖,并進(jìn)行了詳細(xì)地分析,實現(xiàn)了有限元建模和分析的參數(shù)化。將參數(shù)化設(shè)計引入到有限元結(jié)構(gòu)分析中,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)快速調(diào)整,自動生成分析模型并完成結(jié)構(gòu)分析過程。增強(qiáng)了有限元分析的準(zhǔn)確性,并對工程機(jī)械及同類結(jié)構(gòu)有一定的指導(dǎo)意義。

作者: 鄭建校*李建新*賀利樂*羅丹
關(guān)鍵字: CAE ANSYS APDL 工作裝置動臂參數(shù)化設(shè)計有限元分析

1 基本假設(shè)
動臂是裝載機(jī)工作裝置最重要的構(gòu)件,其強(qiáng)度狀況對工作裝置的性能和壽命有直接的影響。在裝載機(jī)的實際工作過程中,動臂容易受到變形,因此對動臂強(qiáng)度的計算主要借助于有限單元法。在分析之前通常要作一些假設(shè):ZL60型裝載機(jī)工作裝置動臂是由16Mn鋼制造,16Mn鋼內(nèi)部組織是多晶體,晶粒之間是互相緊密接觸的,沒有任何空隙,動臂的材質(zhì)可以認(rèn)為是連續(xù)的;晶粒很小且排列雜亂,按材料的統(tǒng)計規(guī)律是均質(zhì)和各向同性的;動臂在生產(chǎn)過程中由于合適的工藝保證,在自由狀態(tài),其內(nèi)部可以認(rèn)為無應(yīng)力;另外,動臂在運動過程中,加速、振動等引起的附加載荷忽略不計。
2 參數(shù)化設(shè)計
“參數(shù)化”這個概念最初是從CAD造型中提出來的。參數(shù)化建模是指先用一組參數(shù)來定義幾何圖形(體素)尺寸數(shù)值并約束尺寸關(guān)系,然后提供給設(shè)計者進(jìn)行幾何造型使用。它的主要思想是用幾何約束、數(shù)學(xué)方程與關(guān)系來說明產(chǎn)品模型的形狀特征,從而得到一簇在形狀或功能上具有相似性的設(shè)計方案。
有限元參數(shù)化建模包括幾何模型的參數(shù)化、有限元網(wǎng)格劃分的參數(shù)化、約束條件及載荷的參數(shù)化、材料性能的參數(shù)化及對后處理部分進(jìn)行參數(shù)化等,從而使用戶在參數(shù)化建模后可一次性計算出不同參數(shù)下的各類結(jié)果,便于直接進(jìn)行優(yōu)化分析、比較,且?guī)椭脩魪拇罅康姆治鰯?shù)據(jù)中迅速提取用戶所關(guān)心的信息。三維CAD參數(shù)化建模的目的僅僅是在設(shè)計參數(shù)確定后可以方便地生成模型和出工程圖;而建立有限元參數(shù)化模型的目的除為了方便地修改模型進(jìn)行系列產(chǎn)品的工程分析外,更重要的是在有限元分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。
應(yīng)用參數(shù)化有限元模型可以方便地得到相同結(jié)構(gòu)、不同尺寸構(gòu)件的模型結(jié)果和有限元分析結(jié)果,進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)化分析與設(shè)計。應(yīng)用參數(shù)化建模,程序的輸人可設(shè)定為根據(jù)指定的函數(shù)、變量以及選出的分析標(biāo)準(zhǔn)決定輸人形式,允許復(fù)雜的數(shù)據(jù)輸人,使用戶實際上對任何設(shè)計或分析有控制權(quán)。擴(kuò)展了傳統(tǒng)有限元分析范圍之外的能力,并擴(kuò)充了更高級運算,包括靈敏度研究、零件庫參數(shù)化建模、設(shè)計修改和設(shè)計優(yōu)化。
進(jìn)行有限元分析的標(biāo)準(zhǔn)過程包括:定義模型及其載荷、求解和解釋結(jié)果,假如求解結(jié)果表明有必要修改設(shè)計,那么就必須改變模型的幾何形狀并重復(fù)上述步驟,特別當(dāng)模型較復(fù)雜或修改較多時,這個過程可能很繁雜和費時。ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言(APDL)用建立智能分析的手段為用戶提供了自動完成上述循環(huán)的功能,程序的輸人可設(shè)定為根據(jù)指定的函數(shù)、變量以及選出的分析標(biāo)準(zhǔn)作決定。
3 裝載機(jī)工作裝置動臂的APDL參數(shù)化三維建模和求解
為了避免其他軟件建立的模型導(dǎo)入ANSYS時信息的丟失和使用傳統(tǒng)三維有限元建模方法所帶來的問題,提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計算精度,本文中的動臂運用APDL參數(shù)化設(shè)計語言在ANSYS環(huán)境下直接進(jìn)行三維建模和網(wǎng)格劃分。保證了有限元模型和后續(xù)分析過程的無縫連接,無需繁瑣的模型網(wǎng)格修復(fù)工作。參數(shù)化建模是依據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何特征數(shù)據(jù),快速構(gòu)造和修改產(chǎn)品的造型方法。用參數(shù)來表示零件尺寸和屬性,工程技術(shù)人員可以通過改變參數(shù)的值來修改零件的大小、形狀和屬性,是實現(xiàn)設(shè)計、分析自動化的主要手段之一。ANSYS提供了一種參數(shù)化設(shè)計語言APDL,具有宏觀、循環(huán)、分支等程序語言功能,并且可以提供簡單的界面定制功能,可以實現(xiàn)參數(shù)交互輸人、運行程序,從而可以實現(xiàn)參數(shù)化建模。
裝載機(jī)工作裝置是由許多零部件構(gòu)成的,比較復(fù)雜,但是其中存在大量的相似件,尤其同一系列的裝載機(jī)之間也有大量的相似件,如果對相似的零部件每一個都分別建模,無疑會占用很多時間;而且在對零部件進(jìn)行修改時,需要改動的參數(shù)很多,也會花費大量的時間和精力。為了節(jié)約時間,提高效率,對零部件進(jìn)行參數(shù)化建模,尤其對于同一系列大量的相似件,這樣將會大大提高效率、質(zhì)量和精確度,為設(shè)計人員帶來了很大方便。
根據(jù)以上對工作裝置的分析,其中預(yù)處理模塊主要工作為設(shè)定單元類型、實常數(shù)、材質(zhì)、構(gòu)建結(jié)構(gòu)實體模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分等;求解模塊中定義分析類型及相應(yīng)選項,施加載荷,確定載荷步選項等并求解;求解參數(shù)。主要選擇4節(jié)點殼單元對工作裝置動臂進(jìn)行離散。采用APDL方式與從下到上的建模方法相結(jié)合的方式建立模型。因此在動臂建模時充分利用動臂結(jié)構(gòu)的某些相似性、對稱性和一致性,先構(gòu)建單側(cè)模型,再通過復(fù)制、旋轉(zhuǎn)、移動、合成等方法得到動臂的整體模型。對于均勻應(yīng)力區(qū)域,采用自由網(wǎng)格劃分。下面簡要說明一下建模步驟:
    (1)初始化ANSYS環(huán)境
    FINISH
    /CLEAR
    (2)定義幾何參數(shù)
    !
    !
    /PREP7
    !Define all pares 定義參數(shù)
    ! SET,YOUNG,210000
    * SET,THICKNESS,50
    * SET,FORCEI , 72182
    * SET,FORCE2, 284887
    * SET,FORCE3,79961
    * SET,FORCE4,82503
    * SET,FORCF5,482868
    * SET,FORCE6,405175
    /PR.EP7
    /GO
    /COM,
    /COM,Preferences for GUI filtering have been set todisplay:
    /COM,Structural!定義屬性
    ET,1,SOLID45!定義3D Brick 8node 45單元
    MPTEMP,,,,,,,,!定義材料
    MPTEMP,1,0
    MPDATA,EX,1,,YOUNG! 楊氏模量
    MPDATA,PRXY,1,,0.275! 泊松比
    (其他略)
    完成三維建模的動臂模型如圖1所示。

基于APDL的裝載機(jī)工作裝置動臂參數(shù)化有限元分析+有限元項目服務(wù)資料圖圖片1

圖1 動臂實體模型

    (3)有限元網(wǎng)格的劃分
在ANSYS環(huán)境下,根據(jù)動臂的結(jié)構(gòu)特點,結(jié)合該軟件提供的單元類型,選擇3維8節(jié)點單元Solid45。該單元類型能夠用于不規(guī)則形狀,而且不會在精度上有任何損失。本文首先對動臂進(jìn)行整體自由網(wǎng)格劃分,然后對油缸軸孔和圓角處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,以提高計算精度,防止畸變網(wǎng)格的產(chǎn)生。共生成16591個節(jié)點,55736個單元(劃分結(jié)果略)。
    (4)施加約束
由于是靜力分析,必須限制模型的剛體位移,因而在鏟斗鏟土轉(zhuǎn)動時,可認(rèn)為:動臂與車架鉸接處,動臂與動臂油缸鉸接處,翻斗油缸與搖臂鉸接處都不發(fā)生相對運動,因此在這3個鉸接點處施加相應(yīng)約束。
    (5)施加載荷
轉(zhuǎn)載機(jī)的最大牽引力為185kN,自重58.8kN,工作裝置的材料為16Mn鋼,ZL60裝載機(jī)的操作質(zhì)量為20.0t。本文是雜愛對稱水平插入力作用工況時進(jìn)行計算的,在裝載機(jī)聯(lián)合鏟取時受力最大,水平力(即插入阻力)由裝載機(jī)的牽引力確定Ry=202.790kN。根據(jù)整機(jī)縱向穩(wěn)定性條件,作用于鏟頭上最大的垂直載荷Rx=181.1kN。
進(jìn)人ANSYS后處理階段,對模型求解分析。
4 結(jié)果分析
應(yīng)用APDL參數(shù)化三維建模和求解分析,得到工作裝置動臂在對稱水平插人力作用工況下的應(yīng)力分布云圖和變形云圖,由應(yīng)力分布云圖可知,在正載對稱水平插人力作用工況下動臂的危險點在搖臂和動臂橫梁銷孔鉸接附近,危險點處應(yīng)力值為20.889MPa,應(yīng)考慮在動臂橫梁銷孔鉸接周圍采取加強(qiáng)措施。梁的危險點在橫梁與動臂的鉸接處,應(yīng)力值為11.339MPa。由變形分布云圖可知,動臂右側(cè)板的最大變形為59.946mm,變形較大,應(yīng)增加材料的剛度。內(nèi)側(cè)動臂板上表面受拉,下表面受壓,應(yīng)在改進(jìn)設(shè)計中予以重視。動臂其余部分應(yīng)力值較小,符合設(shè)計要求且有足夠的強(qiáng)度儲備?？傊?該動臂具有良好的剛性,橫梁面積較大足以承受極限偏載所產(chǎn)生的扭矩,應(yīng)用這種設(shè)計方法能較好地解決復(fù)雜的空間力學(xué)問題,經(jīng)裝載機(jī)靜強(qiáng)度試驗,驗證了本次建模的正確性和計算結(jié)果的可靠性。

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