2023年基于MATLAB和ANSYS的挖掘机工作装置结构静强度分析.docx

第 34卷 第 6期 2023年 12月 广西大学学报: 自然科学版 Jou rna l of G uangx iU niversity: N a t Sc i Ed  V o.l 34 N o. 6 Dec. 2023 文章编号: 1001 7445( 2023) 06 0774 06 基于 MATLAB和 ANSYS的挖掘机 工作装置结构静强度分析 1, 2 1 1  1 ( 1 中南大学 机电工程学院, 湖南 长沙 410083; 2 湖南山河智能机械股份有 限公司, 湖南 长沙 410100) : 液压挖掘机反铲工作装置结构的复杂性和边界条件 的多变性给 对工作装 置强度分析 带来了很 大困难。 在对挖掘机工作装置受 力分析的根底上, 编程自动求解挖掘范围内各铰点受 力, 利用坐标旋转变换, 得到用于 各构件有限元分析的边 界载荷, 最后在 AN SY S中编写载荷步 文件自动 对构件进行 多工况 静强度 分析。实现 了各构件有限元网格模型的共享 和边界条件的自动获得, 为各构件的 多工况有限 元分析提 供了新的方 法; 同 时也大大降低了对工作 装置进行静强度分析的工作量。 关键词: M ATLAB; ANSY S; 挖掘机; 工作装置 ; 静强度 中图分类号: TP391 9 文献标识码: A Static strength analysis of work ing device of hydraulic excavator based on MATLAB and ANSYS 1, 2 1 1 1 ( 1 Co llege of E lectrom echan ica l Eng ineering, Central South U n ive rsity, Changsha 410083, Ch ina; 2 H unan Inte llectual F acu lties M echan ica l L im ited Company, Changsha 410100, China) Abstract: Due to th e com plex ity of the structure o fw ork ing dev ice of backhoe sing le bucket hydrau lic excavator and variab ility o f boundary condition, it is very d ifficult to ana ly ze its static streng th T here fore, based on analysis o f th e force of th e w orking device, th e fo rce actin g on each h in ged joint w ith the w orking range is calcu lated by programm ing and th e boundary load for fin ite elem ent m ethod( FEM ) ana lysis fo r each part is obtain ed by usin g the coo rd in ate rotation transform F in ally, stat ic structural analysis of m ulti w ork condition is accom plished autom at ica lly in ANSYS by w rit ing a docum ent o f load steps A new w ay of the share o f f in ite elem ent m esh m odel and boundary cond ition obta in ed autom atica lly is prov id ed and th e am ount of w ork at stat ic structura l a nalysis about work ing dev ice is reduced significant ly K ey w ord s: MATLAB; ANSYS; excavator; w ork in g device; static strength 随着计算机技术的开展和有限元分析算法的日益成熟, 有限元法在工程机械结构计算中得到了广 泛的应用。有限元分析技术的根本流程是: 前处理、计算和结果后处理分析。其中前处理往往要占用整 个过程的大局部时间, 而前处理主要工作是: 网格的划分和边界条件确实定。传统针对挖掘机工作装置 的有限元静强度分析往往是对典型工况分别建立有限元模型进行分析 [ 1 7] , 而对于液压挖掘机工作装置 这样复杂的结构, 建立每一工况的有限元模型是一个非常耗时、费心的工作, 其中有大量重复性工作; 同 收稿日期: 2023 08 20; 修订日期: 2023 09 24 基金项目: 国家 863项目 ( 2023AA 430200) 通讯联系人: 周宏兵 ( 1967 ), 女, 湖南长沙人, 中南大学副教授; E ma i:l zhb jc r@ yahoo. com. cn。 周宏兵 , 王惠科 , 过新华 , 王世怀 ZHOU H ong b ing , W ANG H u i ke , GUO X in hua , W ANG Sh i huai 第 6期  周宏兵等: 基 于 M ATLAB 和 ANSY S的挖掘机工作装置结构静强度分析  775 时, 在对挖掘机挖掘范围内各铰点受力情况不清楚的情况下, 选定一些典型工况进行分析, 存在一定的 盲目性。 针对上述问题, 本文利用 D - H 坐标变换, 计算各点的空间位置, 利用矢量法对挖掘机工作装置进 行受力分析, 利用 MATLAB 编写相应计算模块, 自动计算挖掘范围内各铰点力, 再利用坐标旋转变换, 把相对于基坐标系下的力转换到各构件物理坐标系, 就可以实现各构件网格模型的共享和力边界条件 的自动获得; 同时通过对程序计算的结果进行再处理, 易于找到各构件的危险工况, 减少了有限元分析 的盲目性。 1 坐标系的建立以及坐标变换 挖掘机可看成是由一系列连杆通过转动关节串联而成, 关节的相对转动导致连杆的运动, 以实现铲 斗所要求的位姿。研究连杆机构之间的位移关系, 根据 D- H 齐次坐标变换, 连杆坐标系 i相对于坐标 系 i- 1的变换矩阵 i - 1 A i称为连杆变换, 其修正形式的变换式为 [ 8 ] : co s i - cos i sin i sin i sin i i cos i i- 1  A i = i- 1 0 i- 1 1  = s in 0  i cos i cos sin i  i - sin i cos cos i  i  i sin d i  i  ,  ( 1 ) 0 0 0 1 其中, i - 1 R i是前后坐标系旋转变换; i - 1 p i是 3 1的向量, 表示点的位置。 为了对挖掘机进行运动学分析, 建立如图 1所示连杆坐标系 (坐标系 2, 3, 4分别为动臂、斗杆、铲斗 的连杆坐标系, 也为相应构件的有限元分析的物理坐标系 ), 其中 1为回转角, 2为动臂转角, 3为斗杆 转角, 4为铲斗转角。通常情况下当挖掘作业时, 上车是不回转的; 同时, 对挖掘机工作装置进行有限元 静力分析时, 挖掘机上车平台也是锁死的, 因此本文将基坐标系 ( X1 - Y1 - Z1 )建立在铰接点 C 上, 连杆 坐标系建在各构件上, 如图 1。 图 1 连杆坐标系和点在其上的位置矢量图 Fig 1 G raph of coord inate system of link and vectorgraph of poin t position on th em 2 工作装置受力分析 2 1 各铰点位置以及力方向确实定 为了方便确定各二力杆力的方向, 首先推导由平面内 ( X - Y 平面 )任意 两点 A 点 (X A, YA )、B 点 (X B, YB )所构成的矢量, 其极角 (极坐标为 X 轴正方向 )  AB 的求解方法: AB =  AB + ( - 1 ) 1  2 , ( 2 ) R i p i 776  广西大学学报: 自然科 学版  第 34卷 其中  AB  = arctan  YB - YA X B - X A  ,  1  =  1, 0,  AB AB  >0 , 0  2  =  1, X B - X A < 0 0 X B - X A 0。 根据图 1易知当挖掘机挖掘作业时, 各构件各点在其连体坐标系的坐标始终是固定不变的, 故其在 连体坐标系下的坐标为常量, 各点在基坐标系下的坐标可以通过齐次坐标变换得到。 2 2 偏载工况受力分析 在对工作装置进行受力分析时, 仅考虑动臂、斗杆、铲斗的质量, 各驱动油缸、摇杆、连杆简化为二力 杆, 且不考虑销轴摩擦, 即各铰点 M Z = 0, 分析都在基坐标系下进行。 参照 GB9141- 88液压挖掘机结构强度试验方法, 当铲斗受到偏载时, 侧向力 W K 作用于铲斗边齿, 鉴于工作装置结构对称, 令侧向力方向为 Z 轴正方向, 其大小由回转机构的制动器确定, 垂直 Z 轴的平 面受力 FW (法向载荷 F n和切向载荷 F t的合力 ), 如图 2a。 在受力分析公式推导中, 带下标 L 为取两点的绝对长度, 带下标的字母 r表示连接前后两点的矢量 (如: rC V为 C 点到 V点的矢量, rCVy为 rCV在 y 轴的投影 ), 带下标的字母 F 表示连接前后两点的方向的力 (如: FAB为 A 点指向 B 点方向的力, F ABx那么是 F AB在 X 轴的投影 ), M 表示力矩, b为铲斗平均宽度。 图 2 受力分析简图 F ig 2 G raph of force analysis 如图 2b