机械料斗的结构整合

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0引言

料斗是工程机械中常用的一种储料装置，广泛应用在建筑、冶金、采矿等行业的机械设备当中。虽然在不同的工况下料斗结构、功能会有一些区别，但是从力学模型上看，则具有很大的相似性，都是薄壁钢板类型的力学问题。由于这类问题不属于材料力学中的典型力学模型，因此其设计校核过程比较复杂。工程中较多的利用试凑法和实验法来进行相关设计，计算过程繁琐同时精度也不高。随着计算机技术的发展，有限元技术已经日趋成熟，也逐渐从大学和研究所的实验室逐走进了企业研发第一线。本文就介绍了基于有限元技术实现对某款筑路机械料斗结构分析和优化的思路和方法。

1有限单元法的数学原理

如图1所示，这一款集成式的筑路机械继承了加热、混合、下料等功能，主要是用作对路面病害的及时修补。从该机械的使用目的可以看出，其外出作业时必须能同时携带足量的石子骨料、乳化沥青等物料。其中石子骨料就是由料斗承装。为了保证安全，就基于有限元技术展开对该料斗的精确分析。有限元法是基于数值计算方法求得工程问题近似解的一种现代设计方法。该方法的基本思路如下：先把连续几何体离散成有限个单元，每个单元设定有限个节点，这些单元在节点上彼此联结，每一单元所受的力都按静力等效原则移置到节点上，成为节点荷载，选定场函数节点值作为未知量，在力学分析中常取节点的位移分量{δ}为基本未知量。再建立单元中应力与节点位移的关系，具体步骤为：先利用弹性力学的几何方程写出单元应变与节点位移的关系矩阵，称应变矩阵[Β]，即：{ε}=[B]{δ}（1）由材料的本构关系可以得到单元弹性矩阵，由此可得单元应力表达式：{σ}=[D]{ε}=[D][B]{δ}=[S]{δ}（2）其中，[S]=[D][B]（3）[S]即为应力转换矩阵。然后根据节点平衡求得单元节点力与节点位移的关系，由刚度矩阵[k]表示。根据虚功原理或最小势能原理可得节点力{F}的表达式：{F}=蓓[B]T[D][B]dxdeydz{δ}=[k]{δ}（4）其中，单元刚度矩阵：[k]=蓓[B]T[D][B]dxdeydz=[B]T[D][B]V（5）再经逐个单元逐个节点叠加其贡献予以集合后，生成结构刚度矩阵[K]、荷载{F}和结构节点位移{δ}，并利用平衡条件建立表达结构的力-位移的关系式：[K]{δ}={F}（6）考虑几何边界条件作适当修改后，利用式（6）和已求出的节点位移计算各个单元的应力，最后经后处理软件整理、显示计算结果。

2对料斗的初步分析

对料斗有限元分析的前处理工作主要有几何建模、划分网格、确定材料物性参数、施加载荷和约束等步骤。本文选择的分析软件是ANSYS。第一步是建立几何模型，由于ANSYS的建模功能使用不是很方便，可以借助专业的三维设计软件UG建模，再通过数据接口将模型导入ANSYS，如图2（a）所示。需要说明的是：由于料斗底部下料口偏置，使得料斗两边的斜壁倾斜角不一样，为了保证石子能够顺利下料，需保证倾斜角大于40°，因此在倾斜角不够40°的那一边增加一个便于导流的钢板，如图2（b）所示。第二步是划分网格。在本例分析中采用的是solid92这种四面体网格，这种网格具有很好的适应性。经过ANSYS前处理的自动划分，共划分得到95272个节点，如图2（c）所示。第三步是施加载荷。为了简化分析工作同时保证安全，料斗的载荷类型近似按照水压的载荷去考虑，如图2（d）所示。这种载荷的特点就是载荷的方向始终垂直于加载面，而且载荷的大小随x轴距离的增加线性增大，其满足的规律为：p（x）=ρgx（7）其中：ρ记为石子骨料的密度。这样的加载方式是最接近料斗的真实承载情况，同时也比真实承载的情况要稍大一些，能保证分析结果安全可靠。第四步是对料斗模型施加约束。由于料斗是通过支撑板与底架进行焊接连接，因此支撑板的底面可以认为是参考基准，所以只要约束支撑板底面多有的自由度即可。最后确定材料的常数。选用性价比较好，焊接性能也较优良的A3钢，本次结构分析需要用的到参数主要有两个，即金属杨氏模量，取值2e11N/m2；泊松比，取值为0.3。以上即完成前处理工作，就可以进行解算。经过ANSYS计算再由软件通用后处理模块的处理就可以看到最终的结果文件。后处理提供了包括位移、应力、应变、应变能等多项结果。在所有的计算结果中，最需要关注的有两个，一个是变形，一个是应力。变形量和应力是判断设计方案是否满足刚度强度标准和刚度标准的最直接的判断依据。通过图3可以看出该料斗在满载时的分析结果。图3（a）所示的是料斗外围钢板应力分布情况，可以清楚看到在钢板的边缘处应力最大。这是由于料斗承受载荷较大，加之钢板连接部分几何结构突变造成一定程度的应力集中，最大应力已经高达303Mpa，这已经超过了A3钢材料的屈服极限235Mpa。图3（b）所反映的是料斗内部的应力分布情况，也可以直观的看到导流板的边缘应力很高，也达到了200Mpa。这是由于导流板上承受的载荷实际上是由焊接部分的焊缝来承担。因此可以得出结论，这个料斗不能满足强度要求。接下来再通过观察料斗节点的位移云图来分析变形情况。图3（c）反映的是料斗外围钢板的变形。其中最大变形的区域是侧面钢板上边缘的中间。这个区域是结构受约束最少的地方，也就是结构最薄弱的区域，因此最大变形出现在该区域是合情合理的。该区域的最大变形高达64mm，这个变形量已经十分可观了，超过该料斗在这个方向上总尺寸的3%。根据图3（d）也可以看到在导流板的中部区域也是变形较大的地方，变形量也在20mm左右。这是因为导流板完全是靠其边缘与周围钢板焊接的焊缝来固定的，中间完全是悬空的，所以结果刚度较差。总之通过对料斗变形的分析，可以得出结论：变形量太大，刚度要求也不能满足。

3对料斗的结构优化

针对原方案中有问题的区域采取以下改进措施。首先是料斗口部由于仅靠边缘的焊缝固定，使得结构刚度性能和强度性能都不高，因此可以采用角钢和扁钢来强化这个结构。即沿料斗口部固定一圈角钢，并且在中间结构刚度最差的地方用扁钢连接，通过增加结构约束提高结构的刚度，如图4（a）所示。针对于原设计方案中导流板仅靠周围的焊缝固定使得结构刚度较差的情况，改进方案中在导流板与底板之间加设三片加强筋，以起到增加约束提高结构刚度的目的，如图4（b）所示。对原设计方案进行了改进优化之后，还需要再次进行分析，以确认改进方案是否能满足使用要求。对改进方案的分析过程与前面的分析过程完全一样，惟一有所区别的是网格的划分。由于多了一些结构，同样采用的是solid92这种四面体网格，共划分得到102512个节点。需要说明的是新增加的结构均为焊接联结。但是为了简化分析工作，同时考虑到焊接也不是分析的主要矛盾，因此可以采取整体处理法，即作为一个整体的模型划分网格。经过解算可以得到料斗改进设计方案的分析结果，如图5（a）所示，料斗改进方案外部钢板的应力的分布已经比原方案要均匀多了，虽然边缘的应力仍然较大，但是已经降到了95Mpa以下。最大应力的位置现在是出现在料斗底部与支撑板的连接处，为142Mpa。从图5（b）中可以看到改进方案中导流板下设置的三片加强筋已经已到了支持的作用，导流板边缘焊缝处的最大应力降到了47.8Mpa，导流板整体的应力分布也更加均匀。相比较另一侧的斜板焊缝的应力显得要大些，但最高也不超过95Mpa。因此可以看出料斗改进方案的最大应力也远低于材料的屈服极限，因此改进方案满足了结构的强度要求。接下来考虑料斗改进方案的变形情况。在图5（c）中可以看到料斗改进方案中由于增加了角钢和扁钢来强化结构，原方案中结构刚度较差的区域都被大大的强化。在原方案中变形量超过60mm的区域在改进方案中变形量仅为1mm左右。相比这个区域，料斗的喇叭口边缘的变形就比较大，但变形量也仅为5mm左右，这个变形量与其总体尺寸比较，相对变形量还不到0.3%，这样就大大提高了料斗的刚度。另外从图5（d）中可以看到，改进方案中导流板下的加强筋已经充分的起到强化结构的作用，这一区域的最大变形量不超过2mm。而在原方案中，这个变形量是超过40mm。最后可以看到改进方案已经能够充分的保证强度要求和刚度要求，是能够满足安全性能要求的。因此可见通过有限元分析有效的实现了料斗结构优化。

4结束语

本文基于有限元技术对一款料斗进行了精确的结构分析，通过分析结果可以发现该料斗具有强度和刚度不足的问题。采取针对性的措施加以改进优化，并再次通过有限元分析，验证了改进后的产品具有足够的安全性。由此可见有限元技术能够有效的帮助工程技术人员提高工作效率和产品可靠性。