基于ANSYS的滑移装载机动臂有限元分析与优化
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作者:钱珍宝 汪琰 周良稷 花豪 刘勇涛
摘 要：研究了滑移装载机在典型工况下动臂静力的有限元分析与优化方法，使用ANSYS有限元分析软件对其进行静力分析，通过有限元模型的建立、网格划分、边界条件及载荷的处理得出动臂的应力及应变云图，针对局部应力较大的区域进行分析和优化，使得动臂结构应力的安全系数均大于1.5，得出合理的动臂结构，可供后续滑移装载机动臂的设计及优化提供新的方法。
关键词：滑移装载机 动臂 ANSYS 优化
中图分类号：TH243 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）02（a）-0116-02
动臂是滑移装载机的关键部件之一，也是主要的受力部件，在设计之初一般存在局部应力较大，如何快速地识别应力较大区域并对其进行优化，是产品快速开发占领市场的关键性因素。本文应用ANSYS有限元分析元件，在柳工某滑移裝载机设计过程中快速确定动臂的应力较大区域，并进行了优化，满足了设计要求，该分析方法对于滑移装载机动臂的设计具有一定的参考价值。
1 有限元模型的建立
伴随着科学技术快速进步，三维CAD技术在机械设计中的运用越来越普遍[1]。本文利用三维PRO/E软件提供的拉伸、旋转、阵列、镜像等建模功能建立动臂的三维实体模型。模型中省略焊缝，按相同板材连续处理[2]。为了使有限元分析结果可靠，尽量按实际模型的形状和尺寸建模，同时为了便于网络划分和减少局部的网格数量，对动臂的模型进行了简化处理，去掉了不受力的部分，去掉了螺纹孔及不影响计算结果的倒角等因素[3]。
本文中动臂采用高强度钢板焊接而成，材料为Q345（16Mn），其屈服极限σs=345MPa，弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3。
2 网格的划分
该焊接件是由6～12mm钢板组成的，采用薄板单元对动臂模型进行有限元模型的划分，网格划分结果：单元数129321，节点数229121。
3 边界条件及载荷的处理
整车平置地面、铲斗处于水平放平状态时，规定各构件的坐标系：
X（水平方向载荷）：车辆前进方向为“+”
Y（竖直方向载荷）：垂直水平地面向上为“+”
Z（垂直方向载荷）：垂直纸面向上为“+”
经分析滑移装载机动臂结构特点，利用材料力学中关于力和力矩平衡原理，可计算出铲斗平置地面转斗作业时，动臂正载、偏载各铰点的作用力，用来加载模型。
4 ANSYS有限元求解分析
按照上述3步骤，对有限元模型施加载荷及约束，计算结果 （应力云图）如图1所示。
由计算结果可知，动臂在正载掘起力的作用下时，其最大应力为310.1MPa，最大变形量为26.2mm，安全系数为n=1.11（345/310.1）;当动臂在偏载掘起力的作用下时，其最大应力为321.9MPa，最大变形量为29mm，安全系数为1.07，虽然最大应力均没有超过材料的屈服极限强度，但安全系数均小于1.5，局部区域应力集中现象严重，存在失效风险。
5 动臂结构优化及分析
5.1 动臂危险点识别
如图2所示，动臂的前部和下部存在危险点1和危险点2，两处区域应力较大，且应力集中现象严重，需要进行重点关注和优化改进。
5.2 动臂结构优化
针对上述危险点，我们本着减小应力集中，增大平滑过渡区域的原则，对动臂结构进行了优化。如危险点1处我们加大动臂外侧板过渡角度，并在折弯处增加贴板;如图3（a）、（b）危险点1优化前后示意图，危险点2处通过增大耳板与动臂侧板过渡圆弧处搭接长度，如图3（c）、（d）危险点2优化前后示意图。
5.3 优化后有限元分析
按照本文所述的1～4步骤进行实施，动臂结构优化后，偏载危险点1处最大应力为204.68MPa，安全系数为1.69>1.5，危险点2处最大应力为191.06MPa，安全系数为1.81> 1.5。安全系数相比优化前得到有效的提升，动臂失效风险降低。
使用ANSYS有限元分析软件在典型工况下，对动臂有限元模型的建立、网格划分、边界条件及载荷的处理，得出动臂的应力及应变云图，针对局部应力较大的区域进行优化，使得动臂结构应力的安全系数均大于1.5，得出合理的动臂结构。
6 结语
通过对模型的有限元分析及试验机实际试验结果可以验证，本文所采用的有限元模型是可靠、合理的，并说明利用ANSYS有限元分析软件对滑移装载机关键部件：动臂进行典型工况静力学模拟分析，是一种行之有效的方法，它可以在设计初期找出模型中的危险点，通过对其进行优化改进，从而加速研发进程和降低关键零部件失效风险，为今后滑移装载机的动臂设计提供了指导方法，由此说明了ANSYS在工程机械设计中的重要性[4]。
参考文献
[1] 田炜.三维CAD技术在机械设计中的应用[J].工业技术创新，2016（3）：577-580.
[2] 林明智，邢树鑫.液压挖掘机动臂有限元分析[J].工程机械，2010（1）：19-20.
[3] 崔国华，张艳伟.张英爽.土方机械工作装置整理结构的强度分析方法[J].农业工程学报，2008，24（1）：157-161.
[4] 丁新兵.基于ANSYS的传动轴有限元分析[J].机械工程与自动化，2017（2）：65.
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