Z30E型装载机动臂参数三维环境下的有限元分析

张增英

(合肥通用职业技术学院 数控与材料工程系，合肥 230000)

Z30E型装载机动臂在码头、制造加工以及装卸货物的场合得到了广泛应用，如今国内的装载机主要用于生产.文献[1]采取测绘仿制抓木机的算法，虽然提高了工作效率，但是在装载机设计上缺少科学性分析；文献[2]设计的装载机具有很长的动臂，但在实际工作中难以承担过重的负载；所以文献[3]在对装载机设计中增加了动臂的强度与刚度，因为Z30E型装载机动臂的刚度以及强度，直接对装载机的安全性和稳定性产生直接影响.文献[4]利用Pro/E工具对Z30E型装载机采取参数化设计，设计者使用智能、基于特性的功能实现模型的重建，后期也可以随时进行调整模型大小.

本文使用功能较强的建模软件Pro/E建立动臂实体模型，把建好的动臂模型直接导入ANSYS系统中，再利用有限元分析软件ANSYS分析Z30E型装载机模型的强度与刚度，最后获得动臂的应力图，确定装载机动臂的应力汇集区域，以便其他科研人士对其进行进一步的研究与分析提供可靠的理论依据.

1 动臂的受力分析

图1 动臂三维模型

利用Pro/E软件构建的动臂三维模型如图1所示.

使用有限元分析软件ANSYS与Pro/E能够完成模型的完美衔接，两者软件可以实现模型参数和相关数据的共享，并且接口只有一个，为了在模型转换的过程中不丢失数据.文献[5-6]转换的大致步骤为：模型，单击ANSYS一栏下的ANSYS Work-bench13.0、Workbench、New Simulation即可将模型准确的转换到ANSYS Workbench之中.最后针对动臂模型进行分类，进入ANSYS分析的界面.

2 动臂有限元分析

2.1 减点计算

在对实际工作中的装载机进行研究中，文献[7]考虑到动臂承受的力和变形最大，易于断裂，所以对其进行有限元分析时,对单元格进行减点、增点运算非常重要.

图2 删掉度为2的内节点的优化操作

(1)删掉单元格度为2的内节点.如图2所示.No=2，那么删掉此节点和它隶属边oa,oc以及四边形单元oabc,ocda,与此同时，重新组成一个全新的单元abcd.

(2)关闭单元.如图3所示,如果

(1)

那么删掉内点o和它隶属的3条边(oa,oc,oe)以及3个四边形单元(oabc,ocde,oefa),并与六边形abcdef的对角线cf进行连接,重新组成一条边和2个四边形单元abcf和cdef.剩余的优化处理过程几乎相同,可由图直接获得.

(3)删掉单元内两处端点度为3的边.如图4所示,如果

(2)

那么处理过程为：

图3 关闭单元的优化操作

图4 删掉两端点度为3的边

2.2 增点操作

(1)打开单元.与上节关闭单元处理不同的是它通过添加一个单元来减少不规则点的数目、对有限元网格并行结构进行优化.如图5所示,如果

(3)

(2)在对六边形内部的单元增点处理时，它将度为5，3和3的这3个不规则点f,a和e转换成仅含有度为3的不规则点o,同时增加1个六边形内的单元数.还有一种情况如图6所示,如果

(4)

(3)在对八边形进行打开单元处理时，将图6中的3个不规则点h,a和e进行优化处理，使其转换为规则点，使得节点h的度减少2，并增加1个八边形内的单元数.

图5 打开单元的优化操作实例1

图6 打开单元的优化操作实例2

3 实验

根据上述方法对Z30E型装载机动臂构建基于参数的有限元模型，同时对其参照表1进行模型分析.在有限元计算中由杆件的特性可以计算出臂架自身重量，然后与臂架提升冲击系数1.1相乘，最后添加在杆件上.对安装后的实验装置添加水平力之后，能够获得对应的动臂的3个不同位置的应力情况，如表2所示.通过对表2数据进行拟合，如图7～图9所示，从而得到正载插入情况下动臂各个位置处的应力与外界其他载荷之间的关系.

动臂位置1处应力σ与水平力Fx之间的关系：σ=0.844Fx+49.94

动臂位置2处应力σ与水平力Fx之间的关系：σ=0.450Fx+13.51

动臂位置3处应力σ与水平力Fx之间的关系：σ=0.523Fx+12.83

表1 Z30E型装载机有限元计算情况

图7 位置1应力与水平力关系

图8 位置2应力与水平力关系

图9 位置3应力与水平力关系

表2 各水平力下3个位置处的应力情况 (MPa)

4 结论

通过对Z30E型装载机动臂进行有限元强度和刚度分析，利用工具软件Pro/E与ANSYS详细分析Z30E型装载机的动臂.通过系统的接口将其输入到ANSYS中，再使用ANSYS对动臂进行静力学分析.实验结果表明：装载机动臂上应力主要集中在连接梁附近，需要对连接梁进行安全措施保护，上述对装载机的有限元分析，为后期科研人员对动臂的设计和改进，提供了理论依据.

[参 考 文 献]

[1] WU K,XU Y,CHENG X.Simulation and analysis of single fiber pull-out tests through ansys and VC++[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2017,15：1-9.

[2] ZOU Y,ZHAO X，CHEN Q.Comparison of star-ccm+ and ansys fluent for simulating indoor airflows[J].Building Simulation，2017(1)：1-10.

[3] MARTELLI D,FORGIONE N,BARONE G,et al.Coupled simulations of the nacie facility using relap5 and ansys fluent codes[J].Annals of Nuclear Energy,2017,101:408-418.

[4] PANCHAL H N,PATEL N.Ansys cfd and experimental comparison of various parameters of a solar still[J].International Journal of Ambient Energy,2017(6):1-10.

[5] BELART F,LESHCHINSKY B,SESSIONS J.Finite element analysis to predict in-forest stored harvest residue moisture content[J].Forest Science,2017,15:45-52.

[6] YUE T,WAHAB M A.Finite element analysis of fretting wear under variable coefficient of friction and different contact regimes[J].Tribology International,2017,107:78-83.

[7] BHATTI N A,WAHAB M A.Finite element analysis of fretting fatigue under out of phase loading conditions[J].Tribology International,2017,109:552-562.