基于APDL的装载机工作装置动臂参数化有限元分析

2013-06-04 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

运用APDL语言完成装载机工作装置动臂的整体三维建模,在ANSYS环境下对ZL60装载机动臂的结构强度进行了计算。得到了在静力条件下对称水平插入力作用工况下动臂的应力、变形云图,并进行了详细地分析,实现了有限元建模和分析的参数化。将参数化设计引入到有限元结构分析中,实现结构参数快速调整,自动生成分析模型并完成结构分析过程。增强了有限元分析的准确性,并对工程机械及同类结构有一定的指导意义。

作者: 郑建校*李建新*贺利乐*罗丹
关键字: CAE ANSYS APDL 工作装置动臂参数化设计有限元分析

1 基本假设
动臂是装载机工作装置最重要的构件,其强度状况对工作装置的性能和寿命有直接的影响。在装载机的实际工作过程中,动臂容易受到变形,因此对动臂强度的计算主要借助于有限单元法。在分析之前通常要作一些假设:ZL60型装载机工作装置动臂是由16Mn钢制造,16Mn钢内部组织是多晶体,晶粒之间是互相紧密接触的,没有任何空隙,动臂的材质可以认为是连续的;晶粒很小且排列杂乱,按材料的统计规律是均质和各向同性的;动臂在生产过程中由于合适的工艺保证,在自由状态,其内部可以认为无应力;另外,动臂在运动过程中,加速、振动等引起的附加载荷忽略不计。
2 参数化设计
“参数化”这个概念最初是从CAD造型中提出来的。参数化建模是指先用一组参数来定义几何图形(体素)尺寸数值并约束尺寸关系,然后提供给设计者进行几何造型使用。它的主要思想是用几何约束、数学方程与关系来说明产品模型的形状特征,从而得到一簇在形状或功能上具有相似性的设计方案。
有限元参数化建模包括几何模型的参数化、有限元网格划分的参数化、约束条件及载荷的参数化、材料性能的参数化及对后处理部分进行参数化等,从而使用户在参数化建模后可一次性计算出不同参数下的各类结果,便于直接进行优化分析、比较,且帮助用户从大量的分析数据中迅速提取用户所关心的信息。三维CAD参数化建模的目的仅仅是在设计参数确定后可以方便地生成模型和出工程图;而建立有限元参数化模型的目的除为了方便地修改模型进行系列产品的工程分析外,更重要的是在有限元分析的基础上进行优化设计。
应用参数化有限元模型可以方便地得到相同结构、不同尺寸构件的模型结果和有限元分析结果,进而进行优化分析与设计。应用参数化建模,程序的输人可设定为根据指定的函数、变量以及选出的分析标准决定输人形式,允许复杂的数据输人,使用户实际上对任何设计或分析有控制权。扩展了传统有限元分析范围之外的能力,并扩充了更高级运算,包括灵敏度研究、零件库参数化建模、设计修改和设计优化。
进行有限元分析的标准过程包括:定义模型及其载荷、求解和解释结果,假如求解结果表明有必要修改设计,那么就必须改变模型的几何形状并重复上述步骤,特别当模型较复杂或修改较多时,这个过程可能很繁杂和费时。ANSYS参数化设计语言(APDL)用建立智能分析的手段为用户提供了自动完成上述循环的功能,程序的输人可设定为根据指定的函数、变量以及选出的分析标准作决定。
3 装载机工作装置动臂的APDL参数化三维建模和求解
为了避免其他软件建立的模型导入ANSYS时信息的丢失和使用传统三维有限元建模方法所带来的问题,提高结构强度的计算精度,本文中的动臂运用APDL参数化设计语言在ANSYS环境下直接进行三维建模和网格划分。保证了有限元模型和后续分析过程的无缝连接,无需繁琐的模型网格修复工作。参数化建模是依据结构的几何特征数据,快速构造和修改产品的造型方法。用参数来表示零件尺寸和属性,工程技术人员可以通过改变参数的值来修改零件的大小、形状和属性,是实现设计、分析自动化的主要手段之一。ANSYS提供了一种参数化设计语言APDL,具有宏观、循环、分支等程序语言功能,并且可以提供简单的界面定制功能,可以实现参数交互输人、运行程序,从而可以实现参数化建模。
装载机工作装置是由许多零部件构成的,比较复杂,但是其中存在大量的相似件,尤其同一系列的装载机之间也有大量的相似件,如果对相似的零部件每一个都分别建模,无疑会占用很多时间;而且在对零部件进行修改时,需要改动的参数很多,也会花费大量的时间和精力。为了节约时间,提高效率,对零部件进行参数化建模,尤其对于同一系列大量的相似件,这样将会大大提高效率、质量和精确度,为设计人员带来了很大方便。
根据以上对工作装置的分析,其中预处理模块主要工作为设定单元类型、实常数、材质、构建结构实体模型并进行网格划分等;求解模块中定义分析类型及相应选项,施加载荷,确定载荷步选项等并求解;求解参数。主要选择4节点壳单元对工作装置动臂进行离散。采用APDL方式与从下到上的建模方法相结合的方式建立模型。因此在动臂建模时充分利用动臂结构的某些相似性、对称性和一致性,先构建单侧模型,再通过复制、旋转、移动、合成等方法得到动臂的整体模型。对于均匀应力区域,采用自由网格划分。下面简要说明一下建模步骤:
    (1)初始化ANSYS环境
    FINISH
    /CLEAR
    (2)定义几何参数
    !
    !
    /PREP7
    !Define all pares 定义参数
    ! 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!定义属性
    ET,1,SOLID45!定义3D Brick 8node 45单元
    MPTEMP,,,,,,,,!定义材料
    MPTEMP,1,0
    MPDATA,EX,1,,YOUNG! 杨氏模量
    MPDATA,PRXY,1,,0.275! 泊松比
    (其他略)
    完成三维建模的动臂模型如图1所示。

基于APDL的装载机工作装置动臂参数化有限元分析+有限元项目服务资料图图片1

图1 动臂实体模型

    (3)有限元网格的划分
在ANSYS环境下,根据动臂的结构特点,结合该软件提供的单元类型,选择3维8节点单元Solid45。该单元类型能够用于不规则形状,而且不会在精度上有任何损失。本文首先对动臂进行整体自由网格划分,然后对油缸轴孔和圆角处进行网格细化,以提高计算精度,防止畸变网格的产生。共生成16591个节点,55736个单元(划分结果略)。
    (4)施加约束
由于是静力分析,必须限制模型的刚体位移,因而在铲斗铲土转动时,可认为:动臂与车架铰接处,动臂与动臂油缸铰接处,翻斗油缸与摇臂铰接处都不发生相对运动,因此在这3个铰接点处施加相应约束。
    (5)施加载荷
转载机的最大牵引力为185kN,自重58.8kN,工作装置的材料为16Mn钢,ZL60装载机的操作质量为20.0t。本文是杂爱对称水平插入力作用工况时进行计算的,在装载机联合铲取时受力最大,水平力(即插入阻力)由装载机的牵引力确定Ry=202.790kN。根据整机纵向稳定性条件,作用于铲头上最大的垂直载荷Rx=181.1kN。
进人ANSYS后处理阶段,对模型求解分析。
4 结果分析
应用APDL参数化三维建模和求解分析,得到工作装置动臂在对称水平插人力作用工况下的应力分布云图和变形云图,由应力分布云图可知,在正载对称水平插人力作用工况下动臂的危险点在摇臂和动臂横梁销孔铰接附近,危险点处应力值为20.889MPa,应考虑在动臂横梁销孔铰接周围采取加强措施。梁的危险点在横梁与动臂的铰接处,应力值为11.339MPa。由变形分布云图可知,动臂右侧板的最大变形为59.946mm,变形较大,应增加材料的刚度。内侧动臂板上表面受拉,下表面受压,应在改进设计中予以重视。动臂其余部分应力值较小,符合设计要求且有足够的强度储备。总之,该动臂具有良好的刚性,横梁面积较大足以承受极限偏载所产生的扭矩,应用这种设计方法能较好地解决复杂的空间力学问题,经装载机静强度试验,验证了本次建模的正确性和计算结果的可靠性。

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