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挖掘機(jī)是工程機(jī)械中的一種主要類(lèi)型。是土石方開(kāi)挖的主要機(jī)械設(shè)備。在工業(yè)與民用建筑、道路建設(shè)、水力、礦山、市政工程等土石方施工中均占有重要位置。工作裝置是挖掘機(jī)直接承受工作載荷的構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)直接影響到挖掘機(jī)的可靠性和工作性能。而且當(dāng)工作裝置過(guò)于笨重時(shí)，使得配重質(zhì)量增大，進(jìn)而會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率產(chǎn)生影響，容易造成一系列的問(wèn)題，因此有效地對(duì)工作裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析是挖掘機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析利用特定工況下工作裝置某位置時(shí)鏟斗所受載荷，通過(guò)力學(xué)分析，找出動(dòng)臂、斗桿、鏟斗等部件各鉸點(diǎn)的受力大小和方向，對(duì)它們分別應(yīng)用材料力學(xué)來(lái)進(jìn)行強(qiáng)度校核，這種分別計(jì)算的方法既繁瑣又容易出錯(cuò)，消耗較長(zhǎng)時(shí)間，很容易造成誤差。
在有限元分析軟件中，我們可以利用多點(diǎn)約束方程，將挖掘機(jī)工作裝置中的動(dòng)臂、斗桿、鏟斗及其他輔助零件整體進(jìn)行有限元分析，以更準(zhǔn)確直觀地分析整個(gè)工作裝置特定工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
挖掘機(jī)主要由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、油缸、搖桿和連桿等組成，本研究利用軟件建立各部件的三維模型，在模型的建立過(guò)程中忽略了實(shí)際裝配中的輔助零件，如油管、油管固定螺釘以及鉸接銷(xiāo)的定位銷(xiāo)等。焊接處材料簡(jiǎn)化成與其他位置材料性質(zhì)相同，裝配好的模型見(jiàn)圖，三維模型在有限元軟件中進(jìn)行分析時(shí)為了減少計(jì)算量，應(yīng)在不影響分析結(jié)果的前提下對(duì)已建立的模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，且有些情況下，若不對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，劃分網(wǎng)格和接觸分析可能會(huì)遇到問(wèn)題，具體簡(jiǎn)化步驟如下。
首先簡(jiǎn)化機(jī)座。由于要對(duì)整個(gè)裝配體進(jìn)行應(yīng)力分析，若對(duì)機(jī)座也進(jìn)行網(wǎng)格劃分和求解會(huì)占用不必要的存儲(chǔ)空間并很大程度延長(zhǎng)分析時(shí)間，故將整個(gè)挖掘機(jī)機(jī)體簡(jiǎn)化為一個(gè)平板，同時(shí)為了減少接觸分析時(shí)接觸對(duì)數(shù)量。將動(dòng)臂銷(xiāo)和兩個(gè)動(dòng)臂缸銷(xiāo)軸同機(jī)座做成一個(gè)整體，斗桿，搖桿也進(jìn)行類(lèi)似的簡(jiǎn)化，動(dòng)臂缸，斗桿缸和鏟斗缸都用一根直桿代替。實(shí)踐證明，這種簡(jiǎn)化對(duì)分析結(jié)果不產(chǎn)生影響，簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖。
有限元法假設(shè)載荷作用在節(jié)點(diǎn)上，并由節(jié)點(diǎn)傳遞的，即如果相鄰零件沒(méi)有公共的節(jié)點(diǎn)，則力就不能由一個(gè)零件傳遞到另一格零件如圖。斗桿和銷(xiāo)軸之間雖然在空間位置上是接觸的，由于不是同一個(gè)零件，劃分網(wǎng)格后斗桿和銷(xiāo)軸在接觸面上不存在公共節(jié)點(diǎn)。根據(jù)有限元思想的假設(shè)，力將不能從斗桿傳向銷(xiāo)軸，反之亦然。但當(dāng)我們給斗桿和銷(xiāo)軸施加節(jié)點(diǎn)耦合，約束關(guān)系，斗桿和銷(xiāo)軸之間在接觸面上存在公共節(jié)點(diǎn)，這樣斗桿上的力就可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)傳遞給銷(xiāo)軸，這樣才能使進(jìn)一步的有限元分析得以順利進(jìn)行。
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