工程机械结构动态应力仿真应用

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【摘要】工程机械使用中会因为应力集中、工况复杂等发生结构件断裂等故障。如何在设计阶段进行有效规避，是工程机械行业设计的一大难题。经对比研究，利用Virtual.Lab软件进行计算机应力分析，可以很好解决此类问题。以挖掘机为例，在软件系统中我们模拟挖掘机整车运行系统，生成刚柔耦合多体动力学模型，采用模态综合法将挖机各主结构件作为柔性体置于整车模型中，计算各结构件的动态应力，同时配合实际的对比试验验证，结果表明该多体动力学模型能较好地反映挖掘机实际应力测试工况的动力学特性。经多次测试，可以利用动态仿真方法在挖机故障分析中进行应用，此方法代替了整机实际的应力测试，具有较高的工程应用和推广价值。

【关键词】工程机械；动态应力仿真；应用

前言

在工程机械施工中，挖掘机因其施工条件恶劣，施工环境复杂，施工强度大，导致结构件容易开裂，最终导致挖掘机无法正常施工，影响工作效率，甚至引发安全事故。同时因为挖掘机结构件开裂故障将直接影响生产公司产品在行业内的口碑，最终影响公司的品牌价值。经过对施工现场故障挖掘机分析发现，挖掘机结构件开裂故障多数由挖掘机的疲劳使用引起，应力集中最终导致故障发生。挖掘机的动态应力测试可以很好发现这些故障点，从而在设计环节予以改进。但实际动态应力测试试验主要面临试验成本高、试验周期长等问题。所以挖掘机动态应力仿真正好规避了此类问题，成为一个最适宜使用的替代解决方案。结构件动态应力仿真计算目前已成为机械仿真技术研究热点，在技术上先后提出了多刚体系统仿真、拟静态有限元分析法、模态应力叠加法、混合方法等[1~4]。在对挖掘机进行结构件动态应力仿真计算测试过程中，各主结构件的实际载荷受测试动作、实际结构、联合动作等诸多因素影响，难以提取实际载荷对结构件进行单独的分析，所以考虑把多个结构件作为一个柔性体进行仿真设计，将此柔性体置于挖掘机整车刚柔耦合多体模型中，采用模态综合法计算各结构件的动应力，对整车结构件进行多体动力学分析。实验表明，此方法能够准确地模拟挖掘机各结构件的真实受力状况并显示出来。仿真测试不仅可以模拟各结构件在挖掘机实际应力测试过程中产生的瞬时应力分布云图，而且可以得到模型中任意结构件的关键部位对应的动应力-时间分析图，经对比，其效果和挖掘机测试过程中实际数据基本保持一致。

1挖掘机力学模型

经过对其简化设计，在图中建立所示的模拟坐标系XOY，使其置于工作装置的垂直对称平面内，O点与挖掘机大臂动力轴心铰点A重合，X轴与停机面平行指向工作装置铲斗方向，Y轴与X轴垂直并垂直向上。在仿真测试中可以忽略各摇杆和连杆等自重的影响，考虑挖掘机作业过程中工作装置受到的主动力有油缸压力和自身重力，被动力有挖掘阻力。将地面作用于铲斗的挖掘阻力向切削刃板J点简化，得到作用于J点的挖掘阻力FJ和MJ阻力矩，将挖掘阻力FJ分别向X、Y方向分解为FJX和FJY。为求解挖掘阻力FJ和MJ阻力矩，分别对G、B、A三个铰点列力矩平衡方程如下：以铲斗为研究对象，对G点列力矩平衡方程：F3TE3+G3XG3-XG"#=-FJXYJ-YG"$+FJYXJ-XG%$+MJ（1）以铲斗和斗杆为研究对象，对B点列力矩平衡方程：F2TE2+G3XG3-XB"$+G2XG2-XB"$=-FJXYJ-YB"$+JJYXJ-XB"$+MJ（2）以工作装置整体为研究对象，对A列力矩平衡方程：-F1TE1+G3XG3-XA!"+G2XG2-XA!"+G1XG1-XA!"=-FJXYJ-YA!"+FJYXJ-XA!"+MJ（3）联立方程（1）、（2）、（3），即可求解得到挖掘阻力FJ在X、Y方向的分力FJX、FJY和阻力矩MJ。

2挖掘机整车多体动力学建模

多体仿真前处理、求解、后处理均采用Virtual.Lab软件，该软件的几何建模环境及界面与CAD软件一致，便于修改与装配模型、调整挖掘姿态和回转角度，快速建立挖掘机多体动力学整机模型；同时该软件具有很强的有限元分析功能，尤其是对机械结构的刚柔耦合仿真性能，方便提取动态应力；还具有强大的履带建模功能，快速建立挖掘机履带模型。在Pro/E软件中进行三维建模后，需要对模型进行简化处理，删除螺栓、输油管、销轴、线束、管夹等对分析影响不大的小零件，输出STP格式文件作为与多体动力学软件的接口。在多体动力学软件中对挖掘机进行装配，主要包括铲斗、斗杆、动臂、平台、下车、摇杆、连杆、四轮一带、油缸杆、油缸筒等，作为独立部件；另外平台上发动机、泵、阀、散热器等附件简化为质量点代替。根据挖掘机作业时的运动特点，规划各部件之间的运动关系并施加约束。设置旋转副代替销轴与轴套的运动、移动副代替油缸运动，将回转支撑与平台、下车连接的螺栓采用弹簧模拟，下车履带板之间设置弹簧连接，履带板与各个轮子之间定义接触，将地面模型设置固定约束，将铲斗、履带与地面之间设置接触。将挖掘机主结构件（动臂、斗杆、平台、下车）离散成有限元网格，注意网格疏密，单元数尽量控制在100万以内，柔性体替换对应的刚体模型，柔性体装配流程所示。将柔性体与其他构件连接时须在柔性体上建立外部连接点，采用刚性连接单元Reb2，柔性体连接点坐标值与对应的多体动力学模型坐标需一致。

3多体动力学计算

求解器设置中分析类型设为DYNAMIC，全局坐标系Y轴负向为重力场方向，采样步长0.01s，最大积分步长0.001s，积分数值方法采用BDF算法，量纲为毫米、吨、牛顿。通过对挖掘机三组油缸推力（由测得的油缸压力推算）、油缸位移数据进行分析，以此作为多体仿真分析的驱动进行计算，可得到各个时刻下各主结构件（动臂、斗杆、平台、下车）的应力分布情况，输出结构件应力云图、关键部位的应力-时间历程曲线。选取某款挖机进行仿真分析并测试标定。图2为标定后工作装置测点的仿真与试验得到应力变化曲线，可以看出两条应力曲线形状相似，变化趋势一致，仿真结果与试验结果较好地吻合，表明建立的挖机整车刚柔耦合模型能较好地反映实际应力测试工况的动力学特性。

4仿真分析应用案例

在对挖掘机发生的动臂开裂实际故障对比研究中，裂纹产生在焊接部位处，随后对故障部位的结构重新设计调整。为比较结构改进前后的效果，原本需要进行两次应力测试，此次采用挖机多体动力学仿真分析来替代实际的应力测试。根据仿真分析结果，得到动臂故障部位的应力-时间历程曲线，如图3左图所示，该故障部位在作业时以拉应力为主，最大拉应力206MPa，应力范围为243MPa。右图为改进后结构的应力-时间历程曲线，最大拉应力140MPa，应力范围为175MPa，改进后结构的最大应力值下降32%，应力幅值下降28%。动臂故障部位结构改进后，目前已不再发生类似的开裂故障。

5结论

（1）采用刚柔耦合多体动力学的方法建立工程机械的整车模型，将各主结构件作为柔性体置于整车模型中，采用模态综合法计算各结构件的动态应力，随后进行试验验证，仿真分析结果能够与试验结果较好地吻合，表明该多体模型能较好地反映机器实际应力测试工况的动力学特性。（2）机械动态应力多体仿真方法在结构件开裂故障中进行了应用，代替实际应力测试，故障部位应力仿真结果由243MPa降为175MPa，减少28%，结构改进后无故障发生，因此工程机械结构件动态应力仿真与应用可以实际有效应用到多种工程机械中。

参考文献

[1]KhoukhiA，GhoulA.OntheMaximumDynamicStressSearchProblemforRobotManipulators[J].Robotica，2004，22（5）：513~522.

[2]MartinT，EspanolP，RubioMA.MechanismsforDynamicCrackBranchinginBrittleElasticSolids：StrainFieldKinematicsandReflectedSurfaceWaves[J].PhysicalReviewE-Statistical，Nonlinear，andSoftMatterPhysics，2005，71（3）：1~17.

[3]孙蓓蓓，许志华，孙庆鸿.基于整车多体动力学分析的悬架构件动应力计算[J].汽车工程，2006，28（10）：922~925.

[4]戴丽，刘杰，刘宇，赵丽娟.基于多体动力学的混凝土泵车臂架的运动分析[J].东北大学学报（自然科学版），2007，28（10）：1469~1472.

作者:葛子红 单位:安徽省科技馆