基于APDL的裝載機工作裝置動臂參數化有限元分析

2013-06-04 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

運用APDL語言完成裝載機工作裝置動臂的整體三維建模,在ANSYS環境下對ZL60裝載機動臂的結構強度進行了計算。得到了在靜力條件下對稱水平插入力作用工況下動臂的應力、變形云圖,并進行了詳細地分析,實現了有限元建模和分析的參數化。將參數化設計引入到有限元結構分析中,實現結構參數快速調整,自動生成分析模型并完成結構分析過程。增強了有限元分析的準確性,并對工程機械及同類結構有一定的指導意義。

作者: 鄭建校*李建新*賀利樂*羅丹
關鍵字: CAE ANSYS APDL 工作裝置動臂參數化設計有限元分析

1 基本假設
動臂是裝載機工作裝置最重要的構件,其強度狀況對工作裝置的性能和壽命有直接的影響。在裝載機的實際工作過程中,動臂容易受到變形,因此對動臂強度的計算主要借助于有限單元法。在分析之前通常要作一些假設:ZL60型裝載機工作裝置動臂是由16Mn鋼制造,16Mn鋼內部組織是多晶體,晶粒之間是互相緊密接觸的,沒有任何空隙,動臂的材質可以認為是連續的;晶粒很小且排列雜亂,按材料的統計規律是均質和各向同性的;動臂在生產過程中由于合適的工藝保證,在自由狀態,其內部可以認為無應力;另外,動臂在運動過程中,加速、振動等引起的附加載荷忽略不計。
2 參數化設計
“參數化”這個概念最初是從CAD造型中提出來的。參數化建模是指先用一組參數來定義幾何圖形(體素)尺寸數值并約束尺寸關系,然后提供給設計者進行幾何造型使用。它的主要思想是用幾何約束、數學方程與關系來說明產品模型的形狀特征,從而得到一簇在形狀或功能上具有相似性的設計方案。
有限元參數化建模包括幾何模型的參數化、有限元網格劃分的參數化、約束條件及載荷的參數化、材料性能的參數化及對后處理部分進行參數化等,從而使用戶在參數化建模后可一次性計算出不同參數下的各類結果,便于直接進行優化分析、比較,且幫助用戶從大量的分析數據中迅速提取用戶所關心的信息。三維CAD參數化建模的目的僅僅是在設計參數確定后可以方便地生成模型和出工程圖;而建立有限元參數化模型的目的除為了方便地修改模型進行系列產品的工程分析外,更重要的是在有限元分析的基礎上進行優化設計。
應用參數化有限元模型可以方便地得到相同結構、不同尺寸構件的模型結果和有限元分析結果,進而進行優化分析與設計。應用參數化建模,程序的輸人可設定為根據指定的函數、變量以及選出的分析標準決定輸人形式,允許復雜的數據輸人,使用戶實際上對任何設計或分析有控制權。擴展了傳統有限元分析范圍之外的能力,并擴充了更高級運算,包括靈敏度研究、零件庫參數化建模、設計修改和設計優化。
進行有限元分析的標準過程包括:定義模型及其載荷、求解和解釋結果,假如求解結果表明有必要修改設計,那么就必須改變模型的幾何形狀并重復上述步驟,特別當模型較復雜或修改較多時,這個過程可能很繁雜和費時。ANSYS參數化設計語言(APDL)用建立智能分析的手段為用戶提供了自動完成上述循環的功能,程序的輸人可設定為根據指定的函數、變量以及選出的分析標準作決定。
3 裝載機工作裝置動臂的APDL參數化三維建模和求解
為了避免其他軟件建立的模型導入ANSYS時信息的丟失和使用傳統三維有限元建模方法所帶來的問題,提高結構強度的計算精度,本文中的動臂運用APDL參數化設計語言在ANSYS環境下直接進行三維建模和網格劃分。保證了有限元模型和后續分析過程的無縫連接,無需繁瑣的模型網格修復工作。參數化建模是依據結構的幾何特征數據,快速構造和修改產品的造型方法。用參數來表示零件尺寸和屬性,工程技術人員可以通過改變參數的值來修改零件的大小、形狀和屬性,是實現設計、分析自動化的主要手段之一。ANSYS提供了一種參數化設計語言APDL,具有宏觀、循環、分支等程序語言功能,并且可以提供簡單的界面定制功能,可以實現參數交互輸人、運行程序,從而可以實現參數化建模。
裝載機工作裝置是由許多零部件構成的,比較復雜,但是其中存在大量的相似件,尤其同一系列的裝載機之間也有大量的相似件,如果對相似的零部件每一個都分別建模,無疑會占用很多時間;而且在對零部件進行修改時,需要改動的參數很多,也會花費大量的時間和精力。為了節約時間,提高效率,對零部件進行參數化建模,尤其對于同一系列大量的相似件,這樣將會大大提高效率、質量和精確度,為設計人員帶來了很大方便。
根據以上對工作裝置的分析,其中預處理模塊主要工作為設定單元類型、實常數、材質、構建結構實體模型并進行網格劃分等;求解模塊中定義分析類型及相應選項,施加載荷,確定載荷步選項等并求解;求解參數。主要選擇4節點殼單元對工作裝置動臂進行離散。采用APDL方式與從下到上的建模方法相結合的方式建立模型。因此在動臂建模時充分利用動臂結構的某些相似性、對稱性和一致性,先構建單側模型,再通過復制、旋轉、移動、合成等方法得到動臂的整體模型。對于均勻應力區域,采用自由網格劃分。下面簡要說明一下建模步驟:
    (1)初始化ANSYS環境
    FINISH
    /CLEAR
    (2)定義幾何參數
    !
    !
    /PREP7
    !Define all pares 定義參數
    ! 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)
    完成三維建模的動臂模型如圖1所示。

基于APDL的裝載機工作裝置動臂參數化有限元分析+有限元項目服務資料圖圖片1

圖1 動臂實體模型

    (3)有限元網格的劃分
在ANSYS環境下,根據動臂的結構特點,結合該軟件提供的單元類型,選擇3維8節點單元Solid45。該單元類型能夠用于不規則形狀,而且不會在精度上有任何損失。本文首先對動臂進行整體自由網格劃分,然后對油缸軸孔和圓角處進行網格細化,以提高計算精度,防止畸變網格的產生。共生成16591個節點,55736個單元(劃分結果略)。
    (4)施加約束
由于是靜力分析,必須限制模型的剛體位移,因而在鏟斗鏟土轉動時,可認為:動臂與車架鉸接處,動臂與動臂油缸鉸接處,翻斗油缸與搖臂鉸接處都不發生相對運動,因此在這3個鉸接點處施加相應約束。
    (5)施加載荷
轉載機的最大牽引力為185kN,自重58.8kN,工作裝置的材料為16Mn鋼,ZL60裝載機的操作質量為20.0t。本文是雜愛對稱水平插入力作用工況時進行計算的,在裝載機聯合鏟取時受力最大,水平力(即插入阻力)由裝載機的牽引力確定Ry=202.790kN。根據整機縱向穩定性條件,作用于鏟頭上最大的垂直載荷Rx=181.1kN。
進人ANSYS后處理階段,對模型求解分析。
4 結果分析
應用APDL參數化三維建模和求解分析,得到工作裝置動臂在對稱水平插人力作用工況下的應力分布云圖和變形云圖,由應力分布云圖可知,在正載對稱水平插人力作用工況下動臂的危險點在搖臂和動臂橫梁銷孔鉸接附近,危險點處應力值為20.889MPa,應考慮在動臂橫梁銷孔鉸接周圍采取加強措施。梁的危險點在橫梁與動臂的鉸接處,應力值為11.339MPa。由變形分布云圖可知,動臂右側板的最大變形為59.946mm,變形較大,應增加材料的剛度。內側動臂板上表面受拉,下表面受壓,應在改進設計中予以重視。動臂其余部分應力值較小,符合設計要求且有足夠的強度儲備?？傊?該動臂具有良好的剛性,橫梁面積較大足以承受極限偏載所產生的扭矩,應用這種設計方法能較好地解決復雜的空間力學問題,經裝載機靜強度試驗,驗證了本次建模的正確性和計算結果的可靠性。

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