1、華中科技大學碩士學位論文挖掘機動臂有限元分析與優化設計姓名：趙京星申請學位級別：碩士專業：機械工程指導教師：蔡力鋼20060321華中科技大學碩士學位論文摘要工作裝置是液壓挖掘枕豹重要部件，對挖掰機性髓有著十分重要的影響。國內外工程帆械企監郝十分夔褫工作裝置的設計。要捷王縟裝藿的結鞫俘設計褥劐比較可靠麗又經濟的結孝句尺寸和形狀，就必須采粥先進的設計手段。兩借助計算橇磷牛和軟件技術羽楚實現設計優化盼重要途徑。本文善走分櫥了挖撼梳的市場需求和技術現狀，提出了提藏挖掘瓤產黥質量的薰要瞧積意義。通過挖瓣楓工讒裝囂設計的分析技本分纓，針對挖掘機渤臂設計存在闖題，引出了挖掘杭工程分柝豹有關褒論，闡述了運動

2、仿真和有限元分析的方法和步驟。本文提出了運動仿真的方法，在不閽工況和載荷綴合下對動劈指定部位進行瘟力普囊分輯，然后根據分凝結果，從中選爨對繡毒勾強度影響最大的工況和載萄，作海下一步有限元分析的工況和載荷。并根據鴦限元分析結采對動劈結構進行設計優化。然盾以動臂為例，闡述了在設計過程中，如何利用有限元方法分析動鷲豹應力分布、發現設計中的闖遂并及辯解決，成功通對其動謦縮孛句進行優化設計，從藹縮短設詩、磷發時間，降低設詩進程中對物壤樣機的依賴程度，降低開發成本。并將有限元方法攤廣運用到其它老產品動臂設計改進及耨產品結構件設計優億中去，從而提商產晶紿構件豹可靠性，敬褥了良好的運閣效果，為企業刨遺了良好的

3、經濟效螽和社會價馕。關鍵詞：挖掘機動臂仿真有限元優化設計華中科技大學碩士學位論文豫娃黼缸咖，晌糯聰黔城氆母黼如鋤西辨謝正呔主她越黼幽曲釀塒幽髓如遮腳，讎懶證瘕像瓤攀鉍呈羔氌婦娃也覡缸婭，量囂誦佼赫如量珥芏俑盤融把凇娃疰丘出姆越鈀矗髓幻蠡嘴攮搬搬氆畦，斌棵也啊撕鍛辯，斑融糟拋越撼艷量堇璁釩呔辯齜赫默嗽越霹端）尊娃聆始斑糠正翦，搬秘矗芏塔糟越。瓤，壤小藏搬也沁搬如址弛雒觚辯塌壤，搬王】挑，蔓：烈疵獨創性聲明本人聲鵯所星交的學位論文是我個人在學耀的指霉下遽行豹磷究工俸及取得艙研究成果。盡我所知，除文中已標明用的內容外，零論文不龜含任何其德久或集體已經發表或撰寫：童的研究成萊。對本文的研究做出賞獻的個

4、入和集體，均已奩文中以明確方式標明。本人完全意識薊本聲明的法律結纂由本人承攫。學經論文佟者簽名：二弛鼉疆期：嘶笨毒舞弓融學位論文版權使用授權書舉學位論文午箬礱完全了解學校有關保留、使用學位論文酌規定，郯：學校有救保整并囪圜家密關郝門載機構送交論文的復印體和壤予版，允誨論文被套瓣和借閱。本人授投華中科技大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據癢遂行撿索，哥以采用影印、縮印或手薯搖等復鑭芋段縑存和匯編零學位論文。保密強，在年鰓密蓐適用本授權書。本論文滿予，不傈密喇（請在以上方程內打“”）學位論文作者簽名：蔓基褪指導教師簽名：氣荔轉日期：年乎月澎豳嗣翅：年多月目華中科技大學碩士學位論文。前富

5、緒論近年來函家基本建設酌麴速發襞，工程楓械市場火瀑，為工援橇械生產髓掇供了發濺的祝遇。挖擒楓是王稷機械中的一個主要楓耱，楚±石方麓工工程中匏主要凝藏設備之一，在圈民經濟建設貔許多行業星被廣泛采用，如在工業與民翔建筑、交通運輸、水利電力工程、農羽改造、礦山采掘以及現代化軍事工稷等季亍她的機械化施工中。特別是最近幾年來，挖箍機是整個工程機械孝亍避中產、銷薰增長最快的一個橇秭。隨著國民經濟的離速發鼴，挖掘機在蚤種工程建設領域，特剮是在基礎設施建設中起的作髑越來越嚼照，挖掘機作為一種快運、離效的施工作業楓械愈來愈被人們所接受。據統計，工程施工中約肖以上豹±石方量是靠挖掘襁來完成的，

6、在國家綦本建設中發揮著其他工稔機械產晶所不箋替代的律用，英國內市場迅猛增長，年銷量達臺，年增長率約為。年猛增到臺，年增長率約為。但是，其中，國外合資企駛的市場占有率在；褥國內企業的市場占有率僅占。市場占有率如此之大的合資金戴及外資企業，給鞫內挖掘規企業帶來了嚴峻的挑戰。如何提高國內企業挖據機靜市場占眷率，成為當今鬻內掰有挖緩機企業的酋要任務。國內挖蝙機的發展狀況和柳工挖掘機現狀從世紀年代起，液疆挖撼稅進入推廣和蓬勃發展除段，備匿挖掘撬鍘遣廠和品種增加很快，產量猛增。早在七十年代末期，中豳開始研究挖掘機，年至年麓聞國成液骶挖掘機平均年產量為臺，年至年期間豳內挖掘楓平均年產量為臺，從年開始逐年的產

7、量箍高啦覓下表：表中國工程機械挖掘桃逐年產爨情況調查表年份年鑲堂增長率（）。從表可以番出：中圈的挖掘楓年產量年開始進入個較快的發展時期，年增長由小予跨越為大于；年以愛又實現了一個藏的跨越，鄹蠢綴來的年增長小于，實現了年增長大予；在統計數據中看，年的時闊瀚了近四番。囂內挖撼極市場的迅猛增長，與我國豹西部開發戰略，如蘧氣東送，禹水北讕工程，華中科技大學碩士學位論文商速公路的快速建設等圈象霆點建設項霞息息相關【】；褥年產量的提高，又與國外著名工程機械公司紛紛在中國翎建合資眾渡密切相關，這些著名的企業蠢：徐州卡特（莢圜）、成都神鋼（霞本）、常翊現代（韓圈）、合糙霸立（霸本）、小松山推（圜本）、煙臺斗山

8、（韓國）；國內生產的公糊有：柳工、黃工、三一熏工、宣工、瞄工、玉柴、山河智能及南特為代表的豳肉企業；但圍鈴合資企業的市場占有率在；面國內企業的市場占存率霞占融；黧肉企泣為什么市場占有率翔此之低，不熊程挖攘機的常場競爭中與合資殘獨資企歉栩褥并論，究其源羽國內企業大部分進入這個行業的時間較晚，起點也較低，技術研發能力與國外有一定的差距醐；多數是在生產裝載枧技術酶基礎上求生產挖掘機豹，導致技術落后，與合瓷企業的差距較大，具體表現在產燕的可靠性方露，特別是工體裝置結椽傳的可靠性方巍，翔動臂豹斷裂、斗杼豹斷裂、鏟斗豹開裝等成為制約困產眾波提高知名瘦和市場占霸率的最大障礙。因此，解決挖掘楓結構件的可靠性，

9、成為提高國產挖搦楓設計制造水平的首要悶題。擦工從年生產第一套挖掘，熏今已露十余年豹歷史，盡管挖掘機市場從最初的幾露臺增熱至現在鮑幾萬臺，但挪工的產銷量卻一直沒奄突破臺，究英藏因是產品的霹靠牲低，用戶的認可度低。近年來，柳工高層意識到，面對強大的國際競爭對手，柳工必須以全新的觀念來對特挖摭機。零部件不懊尋求專業醞套，藤鼠從革翻內怒套轉向豳際協律的設計思想上束。康明斯發動機，囊本東芝閥、川游泵、帝入行走馬達、的液原油觳等箍品質配套，都使產品的性能及可靠性均有大幅度的提高。但是，自制縮構件的質鲞及可靠性不高幫嚴重鍘終了整頓水平的提裔。尤其以工作裝置結構傳表現褥最為突攥，與先進靜配套牛形成極大的反差，

10、嚴藿縫影響了柳工產品的市場形象及柳工品簿的建設，間時也大大增加了產鼎的售后服務的成本。究其原因主要是挖掘楓技術研發能力較低，設計技術水平落藤，設計主要采取類艮試湊等傳統方法。這靜低水平的設計方法存在蓿很多、癱題，其中最主要的燕工作裝黌結構停強度等方面的問題。因為類魄試湊法在一定程度上存在畜目懂，容易形裁設計中的“人為”應力集中點，造成機構整體強度的削弱旗至破壞。按這種設計生產出的產品，外觀上看上去很強壯，剮性很查子，健卻存在潛在或杰在的設詩缺陷，使用過程中常因王作裝囂結構強度等琢因產生開裂，甚至斷裂，致使熬個梅件報廢，造成熏大經濟損失。隨麓國際化的步伐越來越快和圈外黼套市場的開放，給國內挖掘機

11、提供了前所未有的機遇，柳工離層也意識翻柳工要在競爭中處于有利地位，就必須不叛遺開發凝產品，以最快速度占領市場來滿足客戶戇需要。傳統的設計方法霸設詩體鍘綴難逶疲現代化生產的需要，眾業必須利用各種計算機設計軟件幫分橇軟件來提高產晶設計裁力扣，縮短產品研制周期，提高產品性能，改造傳統產業，提離企業的技術創新能力和技術實力。華中科技大學碩士學位論文挖搌視工作特點翔工作裝置設計要求。單斗液囂挖撼搬的特點單斗液壓挖掘機是裝有一只鏟斗并采用液壓傳動進行挖掘作她的機械。它是目前挖掘楓中重要韻楓種弘。零斗滾愿挖掘橇的作渡過程楚以鏟斗（一般裝蠢斗凌）的切潮刃切澍土壤并裝入斗內，斗裝滿后提舞，燕轉至蠲主垃藿進行卸土

12、，卸空露鏟斗褥轉豳并下降至挖撼露遴行下一次挖掘。當挖掰橇挖憲一段土藉，機械移動一段距離，以便繼續乍鼗。溜鼗攀斗液壓挖掘桃是種周期作業的垂行式主方極械【】。每一作業循環包括挖掘、闡轉、卸料和返回等四個過程。挖掘辯先將鏟斗向前伸出，動臂帶蓑鏟斗落在工作面上，然后鏟斗向羞挖掘楓方向拉轉，鏟斗農工手麗上挖出條弧形挖掇帶并裝滿士壤。隧后將鏟斗連同動甓一起舞起，上部轉念帶動鏟斗總成及凌甓翻轉到卸土處。將鏟斗良靜摧賚，使斗嗣朝下進行卸±。卸土屆將動臀及鏟萼圓轉并下放至工佟瓤，準備下一循環的挖擒佟業。葷斗液壓挖撼機的蒸本組成單斗液壓挖掘機為實現周期憔作業的要求，設裔下列基本組成部分：工作裝置、翻轉裝

13、置、動力裝置、傳動捺級枧構，行走裝囂嗣輔助設備等。挖掘機瓣基本性能決定予各組成郝分的構造、轂§及其綜會的效裂。常啜挖掘作業方武反鏟挖掘楓的纂本館業方式肖溝端挖掘、溝側挖掘、贏線挖箍、藏線挖掘、保持一定角度挖掘、超深溝挖擒和溝坡挖掘等【帆。溝端挖掘挖撼楓從溝橫的滿開始挖掘，然霜澄溝糟的中心線剩逐挖掘，整卸車停在溝禳一側，挖掘枕動臂及鏟斗回轉。即可幫料。童日聚溝寬為挖掘機最大圓轉半徑的兩倍時，自卸車只能停在挖掘機的側面，動臂及鏟斗簧瞄轉。方可卸料。若挖掘的溝槽較寬，可分段挖掘，德挖擒到盡頭時調頭挖掘毗鄰辯的一段。分段開挖的每段挖掘寬度不寰過大，默囊翻車戇在溝耩一側行駛為原則，這梯可減少作

14、業循環豹時間，提高作鼗效率。溝側挖掘溝側挖掘與溝漾挖掘不間的是，自卸車停在溝耩端幫，挖撅楓停在溝耩一倒，動髂及鏟斗固轉小于可卸料。溝側挖掘的作業循環時間短、效率離，健挖掘楓始終沿溝側行駛，藤此挖菰避的溝邊坡較大。壹線挖獬華中科技大學碩士學位論文當溝糟寬度與鏟斗寬度相同時，可將挖撼機羆于溝槽的中心線上，從正面進行直線挖掇。挖到蕊要求的深度愛再愿退撼搦，囊至挖完全郝長度。利用這釋挖掘方法撩攥淺溝槽對挖箍楓移動的遮度較快，反之剿較慢，僚都髓很好地使溝槽底部挖褥符合要求。曲線挖掘挖掘蘸線溝槽時可用短的蠢線挖搦相繼連接露成。為使溝廓有灝滑的藏線，需要將挖掘橇中心線稍微向鈐偏瓣，同時挖撩樁緩漫避肉矮移動。

15、保持一定角度的挖掘保持一定角度的挖掘方法通常用予鋪設管道的溝槽挖掘，多數情況下挖掘機與崴線溝槽保持一定的建度，露鯖線部分很小。超深溝挖撼當需要挖掘面積很大、深度也很大的溝槽時，可采用分層挖獺方法或正、反鏟雙橇聯合作業。溝坡挖撼挖掘溝坡肘將挖撼機位于溝槽一側，最好耀可調的加長斗杼進囂挖掘，這樣可以使挖出的溝坡不需要作任何修整。王作裝顯的工作原疆栩蒸本組成工作裝囂采用連桿機構原理，備部分的運動通過液壓缸的審縮來實現。液壓挖掘桃最普遍使用的是反鏟工彳乍裝置。它豳動臂、斗櫛、鏟斗、動臂液壓缸、斗軒液逶氟、鏟斗液疆教、遙耱、搖稈等組成（如圖卜）。各邦件之間的 聯系全部采用鉸接心。動鴦下鉸點鉸接在轉臺上，

16、并以動臂鍍來支承，通霪動髂缸瓣伸縮，使動臂漣翊整個工作裝置繞下鉸點轉動。斗杼鉸接于動臀上端，斗枵與動臂的楣對位囂由斗釋蠢控翻，當斗枵缸伸縮辯，斗杼可以繞動臀上鉸點轉動。鏟斗與斗稈前端鉸接，通過鏟斗缸伸縮饅鏟斗繞斗輯翁鉸點轉動囝。圈工作裝藿結構豳華中科技大學碩士學位論文。王傣裝霰構設計要求挖攘梳工佟裝爨的可靠性對熬棍絳熊影蛹綴大。挖撅槐雀工佟過程中，箕工露弱轉中心怒沿著疆帶行走機構的回轉中心進行工作的，其工作的穩定性取決于韻臀、勘臀、漆缸、斗杼、洼缸、斗拇、翻斗漓缸、鏟斗等綴合成的懋臂組傳的熏餐【。著這部分的組件較重，雖滿足了結梅強度剩余的需求，但麗轉貫性慰露轉機構豹可爨性豹影釃也是不富藤喻熬，

17、工佟裝囂藿爨過大會使其工俸能力下降，故為了滿足其工侔能力聚大限菠的發攆，就應該考慮到在滿足結孛奄設詩強度豹蔫提下，盡量減輕這部分懸鷲綴俘鵑結李每設計熏量、減薄其板傳板浮。所以如何使這部分結構件的設計達到最經濟合理而又可靠是我們工作裝置設計融首先要考慮的。挖掘枧動臀存在潤題零課遂是在年下半年開始開展靛，由于挖掘梳工作裝爨結構孛的鈐反饋較蠢，嚴囂的影響了市場的銷甾。年柳工年產贊孵黧挖掘飆儀食，根據市場反饋統計，動臀局部斷裂藏肖臺之多，市場反饋率。更為嚴重的楚黼試鎊樣機在試驗過穗中動甓就出現了開裂，嚴重地拖延了該產品的小批爨生產和市場導入的進度。挖掘機動臂的乍姨王況挖掘祝楚長期在較魏惡劣的工作環轆下

18、工作的，市場對產器的可纛瞧要求楚隨著經濟發展建設的步伐加快麗提高，開由劈石掰用豹振動破碎頭（覓圖），篡工況豹惡劣擺嶷胃恕囂知。傳統上，采鬻爆破方式將出石炸成碎塊，裝運撾走寵成作業，麓聞有較大的石塊直接用振動破碎頭皴碎，導致英動臂、斗杼承受較大的振動疲勞載荷。 豳裝有振動破碎頭的挖掘機圈一擦擒祝承受側淘載萄朗作攮環城華中科技大學碩士學位論文根據長期的用戶實際作業觀察，挖掘機在山區修路的作業環境下，其工作對象往往是山坡上的巍生±、出石，乍業方式是溝坡作業，它的主要受力部件動臀、斗釋，褒承受挖掘載禱的同時，還要承受來自于溝敬盼側翔載荷（覓圈），弱箍要求主要受力邦傳的抗彎、抗掇的熊力較強”。

19、挖搦機動譬的失效彩式和郝緞無論是裝有破稚頭的、還楚東溝玻作業豹挖掘楓，其主要受力元件，均楚崧承受著交交載荷，即挖掘時受載荷作用蔚使構件的肉應力加大，卸載時外力釋放廄使構件的內應力減小，如此周麗復始的工作，導致主要受力元俘在應力集中區 產生裂紋，最終使主要受力元俘斷裂失效，使整機無法工作，不但給用戶帶來虢誤工期所造成豹經濟損失，嚴重時還會造成設鑄、人身安全事故。往往用戶的作泣地點遠離能夠維修場贗，更換備件桶當困難，受到震戶抱怨，嚴熏影響產晶豹市場競爭能力。圖挖掘機受力結構件的失效形式動臂的失效形式以斷裂為主，失效部位易發生在廒力集中蘸，交叉焊縫處（如形焊縫處）和結構截囂突變酃位。論文的磊的近年來

20、，挖掘橇在匿家蒸本建設中發揮著其弛工程橇械產暴不熊所替代的作用，其溪肉市場逐猿增長，年銷量達，年增長率為。傻蘑孫合姿或獨資企業產品的市場占農率在，而豳內企業的市場占有率僅占。這是出予國內企業大郝分進入這個行業豹時聞較晚，技術研發能力較低、制造技術水平落題，特別是工乍裝囂結梅件的可靠性方面存在較大、西懟，如韻臀的疲勞、斗朽的疲勞壤裂等。藤結構件的可靠靛，從力學角度講，就是結構件的強度、剛度、穩定性要滿足使震工況麴要求。本課題所取得的研究成果在提嵩工作裝置結構強度和減少應力集中方面得到了較好成效。從現場施工表現看，在綴構件可靠矬方箍達爨或超過了韓國同類產品的品質，著囪舞美同類產赭靠近。以襁工挖掘視

21、近兩年來在國內市場占有搴穩步上舞，可為側誕。液玨挖掘機工作裝鬣的動臂、斗耗為了實現等強度設計及對危險截麗和應力集中部使豹加強作用，一般浚計成不規則的箱形焊接結構。瓶我們以往在漾行產品開發時，對動臂、斗枰的強度計算，通常采用材料力學的方法，把動臀、斗桿假定為梁，計算若干藏酒斡彎曲強度。健由予動臂、斗書結構與理想梁穗蓮旗遠，顯在工作時逶常承受拉（廈）、彎、扭等凡靜終力，斷西應力分布十分復雜【”。，按梁來計算澀然會蠢較大的誤差，并顯這種方法無法及姨練構整體的變形幫應力幘況，難以指導設計¨”。隨著世界先進水平的液筮挖掘機紛紛涌入中辮，柳工等鬻內挖掘槐毒逸商戩傳統設計方法和鍘造工藝生產出來的挖

22、掘機其可靠性蓑的缺點被暴露出來。本課題關于現代設計方法在挖掘機結構件設計中的爨體威用，使襁工在挖掘機結構傳設計方兩達至了一個贛的水平，蒸本滿足了與狼共舞的階段性要求。當然，羽宥鼴元法解決縮棗句饞強度設詩方灝的闖邋，只是現代設計方法在柳工產貂設計中的初步應用，隨著受多琥代設計方法被研究和應用，我們存信心使柳工的產品設計承平達到更離的高度。在對液羼挖掘機試鐿樣樾進行改進設計時，采用有限元方法束計算動臂和斗杼的強度，以準確校核英強度，評估設計的合理蠖。在本文后續章節中將以滾囂挖掘極的動臂為鋸，柬其體說明露羧元法在撼掘楓結構牛設計中的斑麓。論文的煮要內容在本文中，詳細介紹了挖掘極工乍裝鬣的設計分柝技術

23、，挖掘機工程學分糖、運動仿囊，強度計算秘綴秘優飽和有限元法和分豐廳步驟，以及魏褥運弼計算釩軟件對挖掘攤的動臂進行有限元分析的過程以及蝴關懿技術難點和解決辦法。首先利用挖掘橇運葶亍仿真模擬挖掘桃各種作妲王況，找出動臀的最不利工況作為巍限元分豐廳的計算工況，然后利用有限元分拆軟件分柝動臂在斃計算工況下的應力分布。最后對分祈結果進行評價，并對動甓結構進行改遴，以及改進屆的褥分柝。論文的主要組成本文分成阻下六個部分進行介緩：第一部分：緒論，通過分輯國內挖掘機市場的發展狀況和柳工挖掘機現狀和動臂存在婚題，以及傳統設計方法的茸囂餓，提出了論文研究的主要性稠必要性，闡述了諜題的磷究秘豹和主要工作；第二部分：

24、箍要介紹工作裝愛的工程分析計箕和套隈元分板方法及其榻關理論；第三部分：挖掘機動臂計算方法研究；第四部分：利用挖攘楓輔助設詩程序系統和有限元分析動臂豹應力分布，評價動臂綏構戇合理性，并稷據分耩結果對渤甓結構送行改遴，并對修改盾的緒棗每遞行再分椽翻評徐；第五部分；有戳元設計方法靜效巢謹嵇；第六部分：總續與矮整，憨紿了全文，弗對成采運翔鍛了鼴望。挖掘視工作裝置設計的分析技術挖掘機的工程分析計算挖掘橇的工程分析包括：挖掘枕運動仿真、動力學分孝斥幫主要結構件的強度計算鞠結梅饒純設計等【。王程分櫥在掇蕊產最掛艉鞠震璧過程中熬重要終稿越來越多遮被眾救和研究部門所認識，霹以幫助設計人員在新產赫建逡和成型之蘸，

25、在產品開發的早期就能了髂產赫的有關特性、整體矮豢水平、可纛性鞠安全憔，發現設計中豹閥蘧，勞及瓣勰決，珂續綴設計、研發時瀚，降氐產酷野發過程中對物理檬稅蘞賴稷度，降低產斑開發成本淵。挖援轆瓣遺動傍冀鞫動力學分凝在設計階段，慰生成的挖掘視的零部件和整橇盼三維嶷體給出邊界約束、動約柬和擒加工俸載穗等計算參數輸入計算桃，在物理樣楓沒有遴行制造前用計算機就能十分究善幫精確楚仿糞分掇擻挖掘機豹運凌援律，如運凌仿真、運動轅跡、經移、速度、加速度、力、力矩等參數計算和干涉檢查，從而把從蘸需要數月牙能完成整楓實體物理實驗，繯短到數小時就能在計冀機上完成】。強褒討冀葛縫褥優純在挖掇楓主要縫構搏設計對，設詩人員關心

26、的是綾搦件的安全系數、應力分布、交形大小、困番頻率等。為了使計算穗確，應猴礴遮確定：（）挖掘秘實際工作載萄；（）緒梅偉不利工作位露；（）枧掏計算模毯豹精確擒述；（）正確的計算方法。采用有陵元法，對挖掘機備部件進行靜力學分析、動力學分耩和結構優化。靜力學分析用來求解結擒與對潤無關的黲力學載荷捧用下熬晌應，并褥出所鬣節點豹位移、節點力、單元力、單元應力和廒變等】。動力學分析不同予靜力擘分析，常用來確定動載荷對整個臻掏辯部件的影響包括一般模態及復特征俊分板，頻率及瞬時響應分析等。通過動力學分析，褥到挖掘機工作桃構圈有的特性，為結構的設詩和修改提供依據。沒詩人灝邋過續鐫酌有限元分椽詩算結果，在強紙沒詩

27、鼢段藏可找蠢挖掘凝結構件設計中潛在麴缺陷和不足，根據這避缺陷和不足，再轉入優訖模塊，搬據設計要求，繪凄結擒饒倪的鼴檬邈數、約柬條停、性麓條件，對綴掏進行優化設計邵，對原有設詩缺陷或不筵進行修改，慰到最德豹結構和外形。這樣在設計初期，設計人員簸可借助予絡構優化模塊進行結構的饒佬設計，縮短了樣機制逑一測試改迸藤鎊造豹研制溺期，降低了產品研發的成本，弱時也使產品盡快的攙囪市場，加快了市場產鼯的更新換代。有限元概述睫蓑現代科學技零的發震，人們正在不斷建設更為快速的交遽工具、更大援模的建筑物、蔓大跨度豹轎粱，更大功率的發電機綴和曼必精密的機械設備。這一切都要求工穰師在設計除段麟能精確璁預測戮產品和工程的

28、技術性能，需要對結構豹靜、動力強度以及溫度場、流場、電磁場等技術參數進行分析計算。近年來在計葬機技術數值分析方法支持下發鼴起來的有限元分轎方法則為解決這些復雜的工程分拆計算問題提供了蠢效豹途絳【冽。程工程實踐中，奇鞭元分橇軟俘與系統的集成巍用網，傻設詩水平發生質的飛躍。有限元方法（）作為一種非常有效的數德方法，已為工程界所普遍接受和廣泛使用【。經過幾十年的發展，從建模、求解到程序實現，都取季導了重大進展。尤其是隨著詩算楓軟硬牛技本的發震秘有限元分孝廳軟件的逐漸改進，的分析功能弱分櫥效率網豢掇離，在結構工程中，更是一張不可少的分櫥工爨。霞蔫，在工程結構和機械系統及其他各類工程瓣題的數字建模、分析

29、、設計、仿糞等各方菰都發擺著非常重要豹作用。年代羼，由于數值方法的發展和一黛復雜工稔潤題數值求解的霈要，逐漸出現并形成了一凜新的有鞭元處理方法。懿囊遙疲有限元方法、隧楓有限元方法、并行有袋元方法、智髓型鴦隈元方法、超級鴦限元方法等。這燕先進愚憨方法靜發展，逐步克服了傳統豹在物聯建模、計算效率和分析糖度等方面所存在豹一些不足。有限元法越源有鞭元法的基本愿想最早國璦予世紀年代初期，但是寞到年，莢溺鯰克撾夫在一篇論文中酋次使用“蠢限元法”這個名詞。在世紀年代末年代初，有限單元法在理論上濺基本成熟，并開始陸續出現商業他的有限元分板軟件。有限元法的出現與發展有著深刻的王程背景。擻紀每代，美、英等嗣的飛機

30、嘉造披存大幅度翡發展，隨蔫飛極績穩鮑逐激變純，準確蟪了解飛機的靜態特性鞠動態特性越來越皴褥迫切，僚是傳統的設計分析方法意經不自§滿足沒計靜需要，因茂工程設計人員便開始尋找一種更適合分析的方法，于是出現了有限單元法的思想。有限單元法的基本思想是將連續的結構離散成有限個單元”，著在每個單元中設定有限個節點，將連續體看作是只在節點處相連接的一續幫元的集合體；嗣對選定場遵數的節點值佟為纂零未熟量，勞在每一單元中鎂滾一近似搖僮函數戳表示單元中場函數的分布溉律；進兩剩露力學中的菜熊變分原理去建立粥以求解節點未知黛的有限元法方程，從而將個連續域中的無限留由度悶題化為離散域中的有限自由度問題。一經求

31、解就霹以羽髑解褥的節點鑲和設定購撬值舔數確定單元上以至熬個集合體上豹場函數。蠢漿元求解程序豹內部過程可從圖中看出。莖篷整墨塑！塞篷墼爰壁整黧鏖絲整÷，±一，鹽篡茭墊堂整垂塑窒壟麴毒限元程序強由于單元戮設計成不同的幾何形狀，因囂可靈活地模擬和邋近復雜的求躲域。照然，婦裂搖值函數滿足定要求，邋著攀元數疆的增加，解的精度會不斷掇嵩麗最終收斂予瓣題懿精確怨。恩然從壤論上說，無羧藩縫磺秀援攀元豹數強可以使數值分褥鰓最終收斂予隧鼷的精確解，但是這卻增加了計算機計算所耗費的對聞。在實際工程應用中，哭瑟所得的數據能夠滿足工程需要就足夠了，因此，有限元分析方法的蒸本策路就是在分櫥的耪度和分析

32、靛辯閹上找到一個最佳平衡點。商限元鬻閹求語（）氅元結攙單元的網袼翊分中的每一個小豹塊體稱炎一個摹元。常覓的馨元類型蠢線段妻華中科技大學碩士學位論文單元、三角形單元、四邊形單元、四箍體單元和六兩體孽元幾種。出于單元是組成套限元模型的基礎，因此單元的類型對于有限元分析是至關重瑟的。一個有限元程序所提供豹單元種類越多，這個程序豹功能則越強大。（）節點確定單元形狀的點就列節點。例如線段擎元只蠢兩個節點，三角形零元有三個或囂六個節點，唾邊形單元至少有翻個節點等。（）載荷工程結構所受到的外在施加的力稱為載荷。包括集中力幫分布力等。在不同的學科中，載荷的含義也不盡穗同。（）邊界條件邊界條饞就是攙結構邊賽上掰

33、受到的外加約束。在有限元分據中，邊界條件的礁定是非常重要的因素。錯誤的邊界條件的選擇往徒使有限元中的剛度矩陣發生奇異，使程序無法正常運行。施加正確的邊界條件越獲褥正確的分析結槊和較高的分柝精度的重要條傳。禱限元輿體分析過程（）結構的模型化指從現實物理磚象中撼象出反映結構孝亍為特攝的理想他數學模黧【。涉及多個層次，包括根據對物璞悶趲豹璞解抽象懣物瑾模型弗轉化為適當弱計舞力學模型。郎包括物理模型化和數嬗摸懋優兩個階級朝。在物理模型化階段，需確定結構的所有典型的物理特征及基本的力舉特征，識別主要載荷等。在數值模黧憂階段，需定義結構的幾何形狀，選擇表達結構物理行為特征的數學摟述及攮型豹離散化。由于不受

34、幾何形狀謦秘邊界條件及材辯特征的限制，毅露適用瞧狠強。（）模型酶求解完成數僮模型驗求解，涉及計算方法、分折軟佟及模型參數的選擇和大鬣代數方程的求解運算【。數值模型求解還包括有限元的精度估計及據此修改模型后的黧新求解。（）有限元解豹解釋評價及摸懋修改勰釋評價是將存限元數傻維采與原聞題的物理征聯系越來驗涯模型中髓綴設及續巢的合璦羲，一般蘺次有限元鰓很少麓滿足要求，通常黌根撼檢驗結柴或設計要求修改數傻模型，良得到滿意的結糶。有限元先進算法華中科技大學碩士學位論文（）蠢適暾有限元方法趣遙應有限元方法是一種能通過自適瘦分櫥翔動調黎算法以改進求解遴程豹數值方法瞄”。根據求解的精度要求和誤麓容限裔適應選擇有

35、限元網格和形函數階次。它以傳統靜囂為蒸礎，以誤差估詩和蠡逶斑溺格改進技術為核心，是通避農鞭元網格和形函數的褒動選擇掇離求鰓豹精度積效率。鑫逶應豹發展，極大泡提高了裔隈元數壤分析的效率和精度。它幫、優豫設計、計算機可褫化等先進技術的綴合，饅工程設計的貊動純程度大掇贏。已成為發展的一個重要方向。鹺前對線瞧閥透崖適應性豹研究已較為成熟。對菲線性問題的磷究述較少。隨餐非線性工程問題的翻蘸突逝，譙此領域發腱露適應技術非常必要，也很奄意義。（）隨機有限元方法毽楓有限元方法燕一種利用常規的確定憾和概率分析技術求麟隨機結構潤題豹蘧梳數俊方法”。它霹以考慮奉季料特性、幾可特性、俸用載荷等客觀上的隧梳可交瞧。即禚

36、物壤建模上將客瘸不定性搐述為髓椒量，建立的是隨砜模型。其分撰過程主要包犄隨機結掏瓣離散純幫隨祝鴦限元控制方程靜求解，最終晷的在于傣計結構的霹靠性。隨機有隈元在物理建模上更加符合客觀實際。在模型級合理處瑗有關隧楓效廒，褥使結構的分析、設計更加合壤。（）并行有限元法隨著計算襁技術的發展，年代出現了采用新型體系結構的大越并行計算橇和可佟并幸予處理的微機網格，使詩算機的運算速成度有了大幅的提嘉。因時，各種數值分孝廳算法的并行純得弱快速發展。為適疲并幸亍雛的優點，逐漸形成了并彳亍有限元輿法御。著行蠢限元瓣發展在于提贏存羧元分櫥能運算速度。由予工程菲線健問題瓣態閆遂和大燮麓雜結梅麴分輯囂常耗眩，在這些領域

37、研究和應角勢行蠢限霓綴套意義猙戤。（）智能型鴦鞭元方法般指以計算力學和特定工程領域的集體知識為襖據豹有限元專家系統，楚集模墅化過程、有限元分豐廳和解釋評價予一體的智能純分析系統。匿前的專家按其功能分，霉包括智能化前溻系統和模型化系統鼴炎。智能仡前端系統主要幫助用戶根據闖題的物聯特性進行分析決策、準備輸入文件、選擇適當的求解方法和軟件等。模型化系統則幫助用戶輾據問題的掇撲特性和載荷特性，模型化物理聞題，建立有限元樓黧，并結合蘸端系統生藏輸入文牛。（）超級有限元法怒級裔限元法是將原多掏牛系統假設為連續體，按實體翊傳統有隈元的離散方法離華中科技大學碩士學位論文散結構，使每個單元含大量構件，同辯選取總

38、體自由度。再對每個構件進行一般有限元分輯】。由于結構離教所形成的每個擎元中包含大爨構牛，因麗稱為越級元，越級單元肉任一點的力學量和所存內都構件豹自由度被總體自由度敷約寒，可將所有肉郝自由度轉化為系統的總體自由度求解。從而可有效地降低求解模，減少計算工作量。有黻囂分撰軟件余臻（）作為檄癸藩名的大型通用工程仿真軟件，被廣泛疲耀于各個行效的設計、有限元分櫥、機械運動仿真巾包括靜力、動力、流體、熱傳導、電磁場、管道、工芑滾搖設計等，§§夠幫助設計入員頸溺和撿驗在真實狀態下的各耱情況，快遽、低成本完成更安全更可靠的設計項目。以其分析功熊齊全，使用操作簡便和對硬件的要求低，在從事設計分

39、析和科技工作者中享有感譽。作為中高檔分板工具的代表之一，在汽車、電予、航空航天、醫學、翻用品生產、軍事、電力系統、石油、大型建筑以及徽魄予機械系統等諸多領域中均蠢廣泛應愛。工程師懿逐過使懲乙進行設計，虛擬測試和健能分析，縮短了產品投入市場的雕間，并能以更低的成本制造出優質藤可靠的產菇。（）州￥程序楚美圜刪￥公磷司鍘瓣大型鴦限元分析軟傍，現在已發展成為念球范圍一個多用途豹設計分析軟傳。程凈是一個功能強大的設計分櫥及優優軟件包。怒完全的程序，從麗使應用熙加方便，產鼎系列由一整套可擴展的、靈活集成的各模塊組成，函而蘸滿足備行各業的工程需要。不僅可以進行線性分櫥，述霹毆進行備類罪線性分輯，是一個綜合的

40、多物理場藕合分掇軟譬，用戶不但可用其進行結構、熱、流體流動、電磁等豹單獨研究，還可以進褥這熙分毒斥的稆互影響研究【”。挖掘機工作裝墨設計方法現狀分析隨麓科舉技術的發熊各種分孝廳技術秘分零斤軟件的發展，挖藏梳瓣設計承平發生了蔟的飛躍。但跫我公司挖掘機的設計卻沒有跟上科學技術的發展，尤其是工作裝鬣的設計常落后。多年寒，工作裝鬟的設計一壹采藤類比法，這靜設計方法在一定程凄上存在鬻蠢囂譙，容易形成設計中的“人為”虛力集中點，造成結構整體強度的削弱甚至破壞。弼工作裝置備結構件的強度校核魄一直沿用材料力學等提供的傳統計算方法。雖然這些方法蠢一定的科學惶和霹靠性，侄由于各構件結構院較復雜，在遴行詩算對對計算

41、模型要進行許多簡化，計算精度較茇，應懲時印使取較大酌安全系數，也沒法游除人為的應力集中點。按這種方法設計生產出來的產赭，只是外觀上看上去很強壯，剛性很好，假在使華中科技大學碩士學位論文閔過程中鬻發慧殲焊、開裂等現象，致使整個工俸裝鬻報廢，造成重大綴濟損失。從（現在明一）的工俸裝黌設計程使用情況就是以說明這種設計方法存在很多閼遂。孵工偉裝置設計時，各結構件援楗厚度，裁露形狀簿都是參照國外間類先進承平挖搬楓進行設計的，趟其佼震效采去】遠邋沒有達到先進挖掘機的水平。動臀茬支廉、中支座，油缸霉板處甚黧板材都出現開裂；斗稈厥支座、油缸鮮板處也出現開裂璐象；鬟嚴黧的怒鏟斗鍘板農切測板、鍘板鞠斗底板焊縫經常

42、開裂。其中鍘逡水平低是其中個因素外，像露莛要的是設計方法落螽，特別是工作裝置結梅件豹載穩鄢強度計算方法落后。王佟裝爨動臀、斗釋、鏟斗激及透枵楓桷秘各種王傳液愿缸綴戲。對這些續構傳豹分析計冀，首先廒確定備結構件的最不利工況，邸在這工況下對萊一構件可熊出現最大的應力，以這工況作為設計該結構譬游依據，巍藏是強度設詩中計露像置能選耩，計算鬻式和載萄的確定。然慝根據這一計籜位矍，對構件進行捧腭力分析，進萼亍強度的校核。從這可以蓉出最不利工況瓣選取成為縮褥設計和強度校孩煞關鍵，最不稠工況選淑的準礁與否識靛關系列強度校核的準確性。其次怒強度校核的準確憔，尤其楚結構件中新面突變、外形突變處的準確性是結構睪設計

43、的另一羹要方藤。科工佟裝囂設計辯，工囂裝鬟各結構體的最不鍘王況校撰教科書提供的方法避行選取。動臂、斗杼備選取兩個典型位置作為最不利工況。如動臀選取以下兩個位置：動禱波筵缸全縮，韻臂穰予最低，斗齒尖、鏟斗與斗糨鉸點、斗杼與動臀鉸點三點盈予穗贏線上，鏟斗挖掘，斗逸翡遇到障薅辯；動甓經于渤臀液題缸你用力劈最大馕處，斗杼渡滕缸侔用力髂最大（斗檉蕊緞與萼稃怒部軸線夾焦痰對），鏟斗發攆最大挖掘力僚鬣，進行正常挖擒。國予影響挖掘極挖掇力馳因素很多，如三個工佟液壓瀣的題配、整機穩定瞧聞題等，并且各釩型腦工依裝囂備鱧擒傳戇形式不一，這兩個典受便鬣不一定愚翮動臀斑璐最大應力的位援。按這樣選取崗來的工況俸為最不利王

44、況滋行強度校核，其計繁的準確性當然不能保歪。蝌設詩時，工作裝置動臂、斗稈的強度校核墩哭怒選取幾個躲藏（鉸點掰在敝蕊、外形突變處以及內力較大的斷蕊）進行強度的授核，然后根據這幾個斷西的強度推斷整個掬牛的強度。設計入員不能準確遺了解熬個構釋麴應力水平，更發琥不了構傍的應力集中煮，沒法消除設計的內在缺陷。這樣設計出來瓣動鷲、斗釋蹬現斷裂是難免的。鏟斗南予雛形復雜，加上載荷情況較復雜，設計辯根本就沒有道矛亍強度校核。因戴實際工終辯蠲嬤烊縫開裂。從以上分毒慝可以謄出：要想提禽挖掘機王作裝鬣的設計水平，蘺先最不嗣工況的選華中科技大學碩士學位論文取要準確，其次楚提高各構件的強度分析計辣精度。要找出最不利工況

45、，最好的辦法是對挖掘機所有王況及其挖掘過程中的干酉個位麓進行作用力分櫥和對備結構件送行較多豹霹熊怒陵斷謠進行應力計算，從露找搬陂力最大的工況。箍著電子計纂機的普及和疲用，這已經可以實現。我公司和太琢熏整機械學院聯合研制的液壓挖糖楓驤助設計程事系統（筒稱），其中有一矮廉用稷序運動妨真分櫥，可以模薹實舔挖掘工凝，遴行工佟裝囂器構傳的受力分析和挖獺全過程酌強度普查。透進該軟孛豹邋動彷爨分析可以受準確地我出最不稍工況。隧潛有限元分櫥方法的發展幫各種分豐廳軟傳的出現，對于斷露變化較大，外形復雜的工佟裝置備結構件，不僅可通過毒限元法進行分析會西媳了解整個構件的應力水平，箍置能找出皮力集中點予以消除，饅工作

46、裝羆的結構設計獲褥可靠弼又經濟的結構尺寸和形狀。本耄小結酋斃麓要介紹挖掘機工作裝鼗設計分析的工狂分析計算和有限元法檄述。然聰筵癸分撬現有工作裝置設計方法垂尊缺點，著攢出提離設詩水平的方法。華中科技大學碩士學位論文挖掘動臂計算方法研究挖撼機動甓計算王咒選取由予挖掘機工佟裝囂佟業速度比較氐，試驗結栗表明靜瘟力測試值與動態測試的高峰德狠按近，所以工俸裝置結構的強度分析主要采用靜強度法，西鼗確定綾棗黿的最大應力或最危險載葡成為縮構設計和強度校核的關鍵。關于挖獺機動臂載荷及強度計算，過去基本上都是采用典塑王況方法。一般認為在挖掘工作中，以下兩彈工況動臀可能出現最大載蘅：（）動臀液巫數全縮，動臂瘦子簸低，

47、斗齒尖、鏟斗與斗釋鉸點、斗釋與凌臀鉸點三點位子纛豪線上，鏟斗挖掘，斗邊齒遇到障礙辯；（）動臂位于動臀液疆缸作用力臀最大值處，斗杼液疆缸作熊力臂最大（斗栝壓缸與斗稈尾部軸線夾角度時），鏟斗發揮最大挖掘力位囂，進行正常挖掘。所以傳統方法計算時將這兩干孛作業位囂和載穗工況作為動臂強度計算的典型工況。但實際作業辯，真的是這兩種王況動膂的應力最大褥？壹觀分拆會提出這樣的疑問，對于不同的動臂的結梭參數秘動力學參數，冀所有部位最大應力所對皮的工況都一定是上遮的“典型工況”嗎？通過對多種挖掘楓及不同作業方式、作熊位囂和載猿型式遴行仿真，絡采顯示上述典型工況不一定楚最大應力工況，由于動臂機構尺寸鞠動力學參數的不

48、蠲以及結構特征不弼，最大疲力工況也不一樣。運動傍糞運動仿糞髖楚殿用計算楓方法，模擬各種作業造程，將挖掘稅作業時的真實性態反映班來，醬蠢和分析渤臀在作業過程中的載荷稻強度狀況。方法及模型如下：（）將連續作渡過程離散化。挖掇楓工作裝囂商三組油氛構成了三個彥由度，因此律渡方式（互況）變化多樣。采用愉當的援劃方法，將憑限個辛逆工況織納為有限個工況，將每個王況的作業性態計算出來，就能反映挖掘楓的實際作業性能。如將動臂、斗枵、鏟斗作業過程中的轉角范圍離散化為個轉角位凝，整個工作裝置麟有個作業位鼴，也就代表罄個作渡工況。詩舞每個作業位髓動黎的載菏和紿構繪定部位昀應力，整個作潼過程動鷲的強度情況就能反映出來。（）載荷型式取三糖典型的組合挖掘阻力均稚在切削叛上，按集中載荷彳乍用于斗刃的中部（巨）；挖掘照力作用于鏟斗的邊滾，作罔于鏟斗的外側圖）；華中科技大學頸士學位論文挖搦阻力作用于鏟斗的邊蓬，同時有橫辯力的作雕（圈一）。（，）式中：；，§一圓轉制動力矩；斗齒到圈轉中心的水平距離；卜機器黧量對一調履帶的重力矩注：三種載旖均不考慮法向阻力。強一蘭秘典型動臂載荷綴合圈第靜載旖組合可以麓純為第一種載藕縫合靜基礎上再辮加一個力偶矩，第種載穗組合又是在第種載合組合上多了個力。仿真時，分剮按三種載荷綴合方式，個動臂、斗杼、鏟斗轉角進行，綴合起來就有個作鼗工況。盛然，取鑲越大，就越接近連續乍渡過