挖掘机斗杆有限元分析及灵敏度研究

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挖掘机是-种典型的土石方机械。随着对机械性能和效率要求的不断提高 ，要求设计的产品在满足工作要求的前提下旧能降低产品本身重量。国内部分学者通过对挖掘机动臂进行模态分析，研究其固有特性 ，做了-些有益的研究：挖掘机动臂在工作过程中受发动机工作的影响甚微 ，通过实验模态分析验证了有限元模态分析方法的正确性 J，采用完全 自由模态和实际约束模态两种分析方法考察动臂固有特性 J，为动臂的动态特性研究和结构动力特性优化提供了指导。斗杆是挖掘机工作装置的主要组成部分 ，其结构性能直接影响整个工作装置的结构性能和整机的作业性能。斗杆作为-个典型的焊接件，各个板材的厚度直接影响其整体性能。因此 ，对斗杆这种焊接结构有必要研究各个板材的厚度对整体结构性能影响的灵敏度 ，在此基础上有针对性地对其进行动态优化设计I6j。

以某型号中型挖掘机为研究对象，根据产品设计图纸，运用 ANSYS建立了斗杆的参数化模型。运用 ANSYS对其进行了模态和强度分析，并结合实验验证了分析结果的可靠性。在此基础上，研究了主要焊接板材对整体结构性能影响的灵敏度大小，结果可指导斗杆的动态优化设计。

1 有限元模型的建立根据斗杆的设计图纸，建立挖掘机斗杆的有限元参数模型。通过对斗杆结构的分析，在建模时对对接焊接采用的焊接垫板进行了省略，忽略了各个焊接部位的焊缝的影响，简化了不重要的倒角和圆角。在指定好材料属性后，采用六面体优先的网格划分方法对斗杆有限元实体模型进行网格划分，得到的有限元模型如图 1所示 ，模型共有59 223个节点，18 442个单元。

2 斗杆模态分析根据振动理论，模态是指多 自由度系统以某-固有频率振动时系统所呈现出的振动形态。伴随着科学技术的发展，在进行产品设计时要求设计者不仅要考虑结构的静强度 ，还要考虑其动强度和动态性能 。模态分500.0O图 1 斗杆有限元模型Fig.1 Finite model of arm析用来确定设计结构或部件的振动特性，即结构的固有频率与振型，固有频率与振型是对承受动态载荷结构进行设计时要考虑的重要参数♂构的固有特性是由结构本身决定的，与外部载荷无关 ，它是由固有频率、模态振型和模态阻尼比等模态参数决定的。通过对斗杆进行模态分析，可以获得相关的模态参数，从而掌握斗杆的固有特性。

斗杆模态分析只需考虑斗杆自重和零位移约束，而不用考虑其他的载荷的作用。斗杆和动臂通过销轴铰接，同时斗杆油缸与斗杆也是铰接，所以施加边界条件时，这两处均约束 3个方向的移动自由度UX、UY、UZ和两个方向的转动自由度 ROTX、ROTY，释放沿销轴中心的旋转自由度 。计算斗杆的前6阶模态，根据模态分析结果，提取前 6阶模态，得到了系统前 6阶固有频率(见表 1)和振型(见图2)。

图2(a)-(j)中给出的振型分别与表 1中的 1～6阶固有频率相对应。根据以上有限元模态分析的结果看出：斗杆的-阶模态振型是水平面内的弯曲变形 ；二阶模态振型是垂直面内的弯曲变形 ；三阶模态振型是斗杆以水平面弯曲和斗杆侧板中部出现鼓起式振动，伴随绕 轴的微幅扭曲变形；四阶模态振型是斗杆两侧板鼓起式振动伴随上下板鼓起式微幅振动；五阶模态振型是斗杆 自身绕 轴的扭转变282 广西大学学报：自然科学版 第 38卷可以接受的范围内。总的来说，有限元分析结果与实验测试结果变化趋势-致，可以指导产品设计。

4 斗杆静强度灵敏度分析灵敏度分析是分析和研究-个模型(或系统)的输出变化对系统参数变化敏感程度的方法。灵敏度分析能充分地挖掘设计潜力，评价并比较多种设计方案，并在多种方案中寻找最优，从而得到具备各项性能良好的最优设计，有效提高分析效率 。最优化方法中常利用灵敏度分析方法来研究系统的原始数据发生变化或不准确时最优解的稳定特性，还可以通过灵敏度分析来掌握哪些参数对模型或系统的影响较大 ♂构修改灵敏度反映所关注结构的特定性能指标对其某些结构参数的变化梯度，斗杆结构的灵敏度分析是指斗杆的性能指标对其本身结构设计参数变化的敏感性。以静强度分析为基础，通过对斗杆箱型结构的不同板材的板厚进行灵敏度分析，可确定对斗杆进行结构优化的最佳部位。

本文主要研究斗杆强度指标对结构参数变化的灵敏度，通过对斗杆的结构分析，可以得到斗杆箱体焊接结构对整体性能起重要作用，且该部分占据斗杆的绝大部分重量，是斗杆轻量化研究的主要对象。因此，灵敏度分析的目标函数选取斗杆在静强度分析的危险工况下最大等效应力为最小，设计变量为构成斗杆箱体结构的上弯板、后弯板、底板、前板、后板等 5个零部件的板厚，斗杆灵敏度系数的计算结果见图 5。

叩1.上弯板 口p2.底板 Bp3.后弯板 -p4.前侧板 叩5.前侧板0.15O.10趔 0.050.0.05.0.10-O.15. 0.20 图 I国 p1 p2 p3 p4 p5p1 p2 p3 p4 p5 图豳 目 斗杆质量最大效应力图5 斗杆灵敏度系数计算结果Fig，.5 The results of the sensitivity research从图5中的应力灵敏度可以看出，前上弯板对斗杆等效应力影响最大，底板、后弯板和后侧板的影响较少，前侧板对整体应力几乎没有影响；从质量灵敏度可以看出，前侧板对整体质量影响最大，上弯板、底板、后侧板、后弯板对其影响次之。因此，对斗杆进行结构修改时，通过增加上弯板、底板、后弯板的板厚，能很好地改进斗结构的力学性能。

5 结 论① 运用有限元技术对斗杆进行了模态和强度分析，获得了斗杆的固有频率和振型，研究了其振动特性；通过对斗杆应力的实验测试与对比，得出有限元强度分析结果与实验测试结果基本吻合，且最大误差为 14.O%，在可以接受的范围内。

② 灵敏度分析结果可以看出，上弯板对斗杆等效应力影响最大，底板和后板影响次之，前板几乎没有影响；前板对斗杆整体质量影响最大，后板质量影响最少。从而通过增加上弯板、底板、后板的板厚，可以达到在兼顾部件质量的前提下改进斗杆结构的力学性能。