基于APDL的裝載機(jī)工作裝置動(dòng)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(lái)源:仿真在線

運(yùn)用APDL語(yǔ)言完成裝載機(jī)工作裝置動(dòng)臂的整體三維建模,在ANSYS環(huán)境下對(duì)ZL60裝載機(jī)動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算。得到了在靜力條件下對(duì)稱水平插入力作用工況下動(dòng)臂的應(yīng)力、變形云圖,并進(jìn)行了詳細(xì)地分析,實(shí)現(xiàn)了有限元建模和分析的參數(shù)化。將參數(shù)化設(shè)計(jì)引入到有限元結(jié)構(gòu)分析中,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)快速調(diào)整,自動(dòng)生成分析模型并完成結(jié)構(gòu)分析過(guò)程。增強(qiáng)了有限元分析的準(zhǔn)確性,并對(duì)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(lè)*羅丹
關(guān)鍵字: CAE ANSYS APDL 工作裝置動(dòng)臂參數(shù)化設(shè)計(jì) 有限元分析

1 基本假設(shè)
動(dòng)臂是裝載機(jī)工作裝置最重要的構(gòu)件,其強(qiáng)度狀況對(duì)工作裝置的性能和壽命有直接的影響。在裝載機(jī)的實(shí)際工作過(guò)程中,動(dòng)臂容易受到變形,因此對(duì)動(dòng)臂強(qiáng)度的計(jì)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(dòng)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(méi)有任何空隙,動(dòng)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(jì)規(guī)律是均質(zhì)和各向同性的;動(dòng)臂在生產(chǎn)過(guò)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(wú)應(yīng)力;另外,動(dòng)臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,加速、振動(dòng)等引起的附加載荷忽略不計(jì)。
2 參數(shù)化設(shè)計(jì)
“參數(shù)化”這個(gè)概念最初是從CAD造型中提出來(lái)的。參數(shù)化建模是指先用一組參數(shù)來(lái)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(jì)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(lái)說(shuō)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(jì)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(duì)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(jì)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(jì)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(jì)。
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(jì)。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(shí)際上對(duì)任何設(shè)計(jì)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(jí)運(yùn)算,包括靈敏度研究、零件庫(kù)參數(shù)化建模、設(shè)計(jì)修改和設(shè)計(jì)優(yōu)化。
進(jìn)行有限元分析的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)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(jì),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(shí),這個(gè)過(guò)程可能很繁雜和費(fèi)時(shí)。ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言(APDL)用建立智能分析的手段為用戶提供了自動(dòng)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(dòng)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(shí)信息的丟失和使用傳統(tǒng)三維有限元建模方法所帶來(lái)的問(wèn)題,提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算精度,本文中的動(dòng)臂運(yùn)用APDL參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)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(guò)程的無(wú)縫連接,無(wú)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(lái)表示零件尺寸和屬性,工程技術(shù)人員可以通過(guò)改變參數(shù)的值來(lái)修改零件的大小、形狀和屬性,是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、分析自動(dòng)化的主要手段之一。ANSYS提供了一種參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL,具有宏觀、循環(huán)、分支等程序語(yǔ)言功能,并且可以提供簡(jiǎn)單的界面定制功能,可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)交互輸人、運(yùn)行程序,從而可以實(shí)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(duì)相似的零部件每一個(gè)都分別建模,無(wú)疑會(huì)占用很多時(shí)間;而且在對(duì)零部件進(jìn)行修改時(shí),需要改動(dòng)的參數(shù)很多,也會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間和精力。為了節(jié)約時(shí)間,提高效率,對(duì)零部件進(jìn)行參數(shù)化建模,尤其對(duì)于同一系列大量的相似件,這樣將會(huì)大大提高效率、質(zhì)量和精確度,為設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了很大方便。
根據(jù)以上對(duì)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(shí)常數(shù)、材質(zhì)、構(gòu)建結(jié)構(gòu)實(shí)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(xiàng),施加載荷,確定載荷步選項(xiàng)等并求解;求解參數(shù)。主要選擇4節(jié)點(diǎn)殼單元對(duì)工作裝置動(dòng)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(dòng)臂建模時(shí)充分利用動(dòng)臂結(jié)構(gòu)的某些相似性、對(duì)稱性和一致性,先構(gòu)建單側(cè)模型,再通過(guò)復(fù)制、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、合成等方法得到動(dòng)臂的整體模型。對(duì)于均勻應(yīng)力區(qū)域,采用自由網(wǎng)格劃分。下面簡(jiǎn)要說(shuō)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(dòng)臂模型如圖1所示。

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

圖1 動(dòng)臂實(shí)體模型

    (3)有限元網(wǎng)格的劃分
在ANSYS環(huán)境下,根據(jù)動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),結(jié)合該軟件提供的單元類型,選擇3維8節(jié)點(diǎn)單元Solid45。該單元類型能夠用于不規(guī)則形狀,而且不會(huì)在精度上有任何損失。本文首先對(duì)動(dòng)臂進(jìn)行整體自由網(wǎng)格劃分,然后對(duì)油缸軸孔和圓角處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,以提高計(jì)算精度,防止畸變網(wǎng)格的產(chǎn)生。共生成16591個(gè)節(jié)點(diǎn),55736個(gè)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(dòng)時(shí),可認(rèn)為:動(dòng)臂與車架鉸接處,動(dòng)臂與動(dòng)臂油缸鉸接處,翻斗油缸與搖臂鉸接處都不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),因此在這3個(gè)鉸接點(diǎn)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(ài)對(duì)稱水平插入力作用工況時(shí)進(jìn)行計(jì)算的,在裝載機(jī)聯(lián)合鏟取時(shí)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(duì)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(dòng)臂在對(duì)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(duì)稱水平插人力作用工況下動(dòng)臂的危險(xiǎn)點(diǎn)在搖臂和動(dòng)臂橫梁銷孔鉸接附近,危險(xiǎn)點(diǎn)處應(yīng)力值為20.889MPa,應(yīng)考慮在動(dòng)臂橫梁銷孔鉸接周圍采取加強(qiáng)措施。梁的危險(xiǎn)點(diǎn)在橫梁與動(dòng)臂的鉸接處,應(yīng)力值為11.339MPa。由變形分布云圖可知,動(dòng)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(dòng)臂板上表面受拉,下表面受壓,應(yīng)在改進(jìn)設(shè)計(jì)中予以重視。動(dòng)臂其余部分應(yīng)力值較小,符合設(shè)計(jì)要求且有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備?？傊?該動(dòng)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(jì)方法能較好地解決復(fù)雜的空間力學(xué)問(wèn)題,經(jīng)裝載機(jī)靜強(qiáng)度試驗(yàn),驗(yàn)證了本次建模的正確性和計(jì)算結(jié)果的可靠性。

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