滑移裝載機(jī)結(jié)構(gòu)件有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、滑本論文東南大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究：作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同忠對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。研究生簽名：日期：講弓留東南大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明東南人學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)信息研究所、國家圖書館有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子文檔，可以采影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除住保密期內(nèi)的保密論文外，允許

2、論文被查閱和借閱，可以公布（包括以電子信息形式刊登）論文的全部內(nèi)容或中、英文摘要等部分內(nèi)容。論文的公布（包括以電子信息形式刊登）授權(quán)東南人學(xué)研究生院辦理。研名：塒翩躲塑酗糾：叢泣滑移裝載機(jī)結(jié)構(gòu)件有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)摘要滑移裝載機(jī)結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)的好壞直接影響著車輛的工作性能和作業(yè)安全性。本文結(jié)合江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“滑移裝載機(jī)研發(fā)”（編號(hào)：），對其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件進(jìn)行有限元分析及優(yōu)化，研究具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。論文的主要研究內(nèi)容如下：（）應(yīng)用三維軟件建立滑移裝載機(jī)的各零部件及整機(jī)的模型。在模塊中對工作裝置進(jìn)行初步的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和干涉檢測。（）應(yīng)用軟件建立動(dòng)臂和車架的有限元模型，進(jìn)行自由模態(tài)分析。應(yīng)用動(dòng)態(tài)

3、測試系統(tǒng)對動(dòng)臂和車架進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對有限元模型進(jìn)行修正。（）對工作裝置和車架進(jìn)行多工況下的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，得出了各工況下的最大應(yīng)力、位移分布云圖及其動(dòng)態(tài)特性，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。（）根據(jù)靜力學(xué)分析的結(jié)果，改進(jìn)了車架的結(jié)構(gòu)，使得應(yīng)力集中現(xiàn)象得到緩解。對動(dòng)臂和車架進(jìn)行了以輕量化為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化效果明顯。（）根據(jù)此款滑移裝載機(jī)的工作要求，建立了工作裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。提出了另外三種形式的工作裝置，為以后工作裝置的優(yōu)化提供了思路。關(guān)鍵詞：滑移裝載機(jī)；結(jié)構(gòu)件；有限元分析；模態(tài)分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)惱，”，；，；，：，目錄目錄摘要第一章緒論論文的研究背景。結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)

4、化的研究現(xiàn)狀。滑移裝載機(jī)工作裝置和車架有限元建模的研究現(xiàn)狀滑移裝載機(jī)工作裝置和車架靜態(tài)分析方面的研究現(xiàn)狀滑移裝載機(jī)工作裝置和車架的優(yōu)化研究現(xiàn)狀論文研究的目的與意義論文主要內(nèi)容第二章滑移裝載機(jī)三維模型的建立滑移裝載機(jī)模型的建立滑移裝載機(jī)模型的建立基于的滑移裝載機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真建模運(yùn)動(dòng)仿真分析本章小結(jié)。第三章結(jié)構(gòu)件有限元模型的建立工作裝置動(dòng)臂和車架有限元模型的建立一有限元法基本思想動(dòng)臂和車架有限元模型的建立。：動(dòng)臂和乍架自由模態(tài)分析模態(tài)分析理論動(dòng)臂和車架的自由模態(tài)分析上作裝置動(dòng)臂和車架的模態(tài)試驗(yàn)研究引言試驗(yàn)原理和儀器試驗(yàn)結(jié)果分析本章小結(jié)第四章結(jié)構(gòu)件典型工況的靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析：作裝置靜力學(xué)分析

5、計(jì)算位置和計(jì)算工況的確定工作裝置有限元模型的建立：。工作裝置的材料特性載荷的確定：作裝置靜力學(xué)分析結(jié)果對稱水平受力分析對稱垂直受力分析對稱聯(lián)合受力分析水平偏載分析垂直偏載分析聯(lián)合偏載分析，、右東南人學(xué)碩：學(xué)位論文工作裝置動(dòng)力學(xué)分析工作裝置模態(tài)分析工作裝置諧響應(yīng)分析滑移裝載機(jī)車架靜力學(xué)分析。鏟掘聯(lián)合工況車架分析車架扭轉(zhuǎn)工況分析車架動(dòng)力學(xué)分析車架約束模態(tài)分析車架諧響應(yīng)分析銷的強(qiáng)度校核銷軸彎曲和擠壓強(qiáng)度計(jì)算第五章滑移裝載機(jī)工作裝置和車架優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型及構(gòu)成要素工作裝置輕茸化優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)概述優(yōu)化設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)及建議工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的建立完成優(yōu)化分析優(yōu)化結(jié)果分析優(yōu)化

6、后動(dòng)態(tài)特性分析滑移裝載機(jī)車架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)車架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)護(hù)罩結(jié)構(gòu)的改變車架結(jié)構(gòu)改變后的靜力分析車架輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果分析。車架優(yōu)化后動(dòng)態(tài)特性分析本章小結(jié)第六章工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型及新型工作裝置初步設(shè)計(jì)：作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)斗油缸的運(yùn)動(dòng)斗齒尖的運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的建立目標(biāo)函數(shù)的建立設(shè)計(jì)變量的確定約束條件的確定，、結(jié)其它幾種形式的：作裝置初步設(shè)計(jì)正轉(zhuǎn)五桿機(jī)構(gòu)形式的工作裝置改變橫梁結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)斗油缸位置的工作裝置垂直舉升的工作裝置本章小結(jié)第七章結(jié)論與展望目錄論文總結(jié)論文展望致謝。參考文獻(xiàn)第一章緒論第一章緒論論文的研究背景滑移裝載機(jī)亦稱多功能工程車，是種利用兩側(cè)車輪線速度差而實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)

7、向的輪式專用底盤，采用輪式行走機(jī)構(gòu)、全輪驅(qū)動(dòng)、滑移轉(zhuǎn)向，可于作業(yè)現(xiàn)場隨機(jī)快速更換或掛接各種工作裝置，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境和作業(yè)內(nèi)容，具體類型非常多樣化，當(dāng)需要一種機(jī)械承擔(dān)多種工作，而且還需要操作快捷時(shí)，就應(yīng)該考慮使用滑移裝載機(jī)?；蒲b載機(jī)最大的特點(diǎn)是整機(jī)外形尺寸小，且可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，可在作業(yè)現(xiàn)場隨機(jī)快速更換或掛接各種工作裝置?；蒲b載機(jī)的主要用途為：城市基礎(chǔ)設(shè)施、道路或建筑工地、廠房車間、倉庫、碼頭、輪船甲板甚至船艙內(nèi)等狹窄場地的作業(yè)，在起伏不平的場地上進(jìn)行鏟運(yùn)、堆垛、起重、挖掘、鉆孔、破碎、抓取、推扒，松土、開溝、道路清掃和路面壓實(shí)等作業(yè)，或者用于大型工程機(jī)械的后勤保障、場地清理及工程收尾等

8、作業(yè)。目前，滑移裝載機(jī)在國外非常流行，尤其是在歐美，目前全世界的年產(chǎn)量基本維持在萬臺(tái)以上，并保持增長趨勢，歐洲本土的產(chǎn)量不大，以上需要進(jìn)口。滑移裝載機(jī)的國內(nèi)市場還處于起步階段，對該種機(jī)器施工的認(rèn)識(shí)還有一個(gè)過程，但參照小挖的發(fā)展歷程，發(fā)展將會(huì)很迅猛。年，在“十一五規(guī)劃的指引下，國家將會(huì)繼續(xù)加快新農(nóng)村建設(shè)的步伐，加大對鐵路、公路、港口、機(jī)場、水利等基礎(chǔ)設(shè)施的投資，這將極大地拉動(dòng)滑移裝載機(jī)的需求，虱年預(yù)計(jì)可以超過臺(tái)。工作裝置和車架是滑移裝載機(jī)的重要結(jié)構(gòu)件。裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)水平的高低直接影響其作業(yè)性能的好壞，進(jìn)而影響整機(jī)工作效率。因此，工作裝置設(shè)計(jì)的合理性直接影響裝載機(jī)的，產(chǎn)效率、工作負(fù)荷、動(dòng)力與運(yùn)

9、動(dòng)特性、不同工況下的作業(yè)效果、工作循環(huán)的時(shí)日、外型尺寸和發(fā)動(dòng)機(jī)功率等。裝載機(jī)工作裝置的強(qiáng)度計(jì)算，通常采用材料力學(xué)的方法，把動(dòng)臂和拉桿假定為梁，計(jì)算若干截面的彎曲強(qiáng)度比，但由于動(dòng)臂和拉桿的結(jié)構(gòu)與理想梁相差甚遠(yuǎn)，受力也較為復(fù)雜，按梁來計(jì)算顯然會(huì)有較大的誤差，并且無法反映結(jié)構(gòu)整體的變形和應(yīng)力情況，難以指導(dǎo)設(shè)計(jì)。車架是整個(gè)滑移裝載機(jī)的基體，裝載機(jī)的絕大多數(shù)部件和總成（如發(fā)動(dòng)機(jī)、駕駛室、工作裝置和有關(guān)操縱機(jī)構(gòu)）都是通過車架來固定其位置的。車架的功用是支撐連接滑移裝載機(jī)的各零部件，并承受來自車內(nèi)外的各種載荷。車架應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)膭偠?，為了使整車輕量化，要求車架質(zhì)量盡可能的小。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及

10、各種（，等）、（，等）軟件的應(yīng)用，裝載機(jī)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比較，有了很大的改變。利用、可以快捷、高效、精確地解決許多技術(shù)難題，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場競爭力，兇此應(yīng)用仿真技術(shù)進(jìn)行研究成為熱點(diǎn)問題。針對型滑移裝載機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，建立與實(shí)際情況吻合的三維有限元模型，在典型載荷工況下，進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)，對于提高裝載機(jī)的可靠性和作業(yè)效率有重要意義，并對工程機(jī)械及同類結(jié)構(gòu)也有一定的指導(dǎo)意義。結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化的研究現(xiàn)狀有限元分析是運(yùn)用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)有限元和邊界元等理論發(fā)展起來的結(jié)構(gòu)分析方法。目奎塑盔蘭堡：！蘭堡堡莖前，應(yīng)用有限元法進(jìn)行裝載機(jī)的研究，已經(jīng)成為一種較成

11、熟的方法。但現(xiàn)有的文獻(xiàn)大多是關(guān)于普通裝載機(jī)的，對滑移裝載機(jī)的研究比較少見，滑移裝載機(jī)和普通的輪式裝載機(jī)有以下不同點(diǎn)：（）在體積上滑移裝載機(jī)比普通裝載機(jī)小得多；（）由于車輪驅(qū)動(dòng)的方式不同，車架結(jié)構(gòu)也不相同；（）滑移裝載機(jī)的工作裝置和普通裝載機(jī)的有很大不同，主要體現(xiàn)在：輪式裝載機(jī)的工作裝置一般采用六桿機(jī)構(gòu)、八桿機(jī)構(gòu)及一些取得專利的新連桿機(jī)構(gòu)，總的來說結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜而小型滑移裝載機(jī)的工作裝置大都是四桿機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較簡單，前懸??；輪式裝載機(jī)動(dòng)臂支撐點(diǎn)一般都在車輛前半部分，而滑移裝載機(jī)動(dòng)臂支撐點(diǎn)一般都在車輛后上方；輪式裝載機(jī)的工作裝置一般為單轉(zhuǎn)斗缸，滑移裝載機(jī)一般為雙轉(zhuǎn)斗缸?；蒲b載機(jī)工作裝置和車架有限元

12、建模的研究現(xiàn)狀（）由于滑移裝載機(jī)的工作裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以一般先利用軟件建立模型再利用和的無縫接口功能，進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，建立有限元模型?；蒲b載機(jī)的工作裝置是由薄板件焊接而成，而王隸梓在論文中采用體單元建立工作裝置的有限元模型并且模型相對簡單，與實(shí)際結(jié)構(gòu)出入較大：張吳晗瞄在論文中采用殼單元建立有限元模型，但是沒有考慮大量焊接點(diǎn)處的影響，在焊接點(diǎn)處由于殘余應(yīng)力的存在，如果不加以考慮對計(jì)算精度影響較大；馮科梅在論文中探討了焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬的應(yīng)用和發(fā)展；陳亮口在軟件中建立了工作裝置的三維實(shí)體模型并且在軟件中直接進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，這樣的優(yōu)點(diǎn)是所有工作都在同一種軟件中進(jìn)行，省去了從軟件導(dǎo)入有限元后的

13、大量修補(bǔ)工作，軟件是專業(yè)的三維建模軟件，其有限元模塊的功能不是很強(qiáng)大，直接影響了以后計(jì)算的準(zhǔn)確性。（）在早期及現(xiàn)有的車架有限元資料中，多采用梁單元和板單元。以梁單元的截面特性來反映車架的結(jié)構(gòu)特性，但它不能正確反映車架縱、橫梁的截面形狀，無法仔細(xì)分析車架的應(yīng)力集中問題。而板單元在其節(jié)點(diǎn)處只有三個(gè)自由度，是用來模擬板件受垂直、平行于板平面的載荷產(chǎn)生彎曲的情況。但在實(shí)際情況中，車架縱梁和橫梁的腹板等結(jié)構(gòu)除了承受以上的力外，還存在扭轉(zhuǎn)、剪切等狀況，所以使用板單元也不能有效地模擬車架受載時(shí)的各種變形，而殼單元除有彎扭變形外，還存在中面的拉、壓和剪切變形，更接近于車架受力真實(shí)狀態(tài)。但在現(xiàn)有資料中應(yīng)用有限元

14、理論研究裝載機(jī)車架的比較少。袁淵在客車車身骨架的研究時(shí)，在中建立模型，導(dǎo)入有限元軟件中，用梁單元和桿單元建立有限元模型。唐應(yīng)時(shí)陽，在研究白卸車的車架靜動(dòng)態(tài)分析時(shí)，指出用殼單元建模比其他單元建立有限元模型要準(zhǔn)確得多?；蒲b載機(jī)工作裝置和車架靜態(tài)分析方面的研究現(xiàn)狀在建立精確、合理的有限元模型基礎(chǔ)上，國內(nèi)外學(xué)者對工作裝置和車架有限元分析方面做了大量的研究。在靜念載荷的計(jì)算和工況的選擇方面進(jìn)行了大量的研究。（）工作裝置強(qiáng)度計(jì)算中外載荷的確定和工況的選擇鄭永強(qiáng)州在輪式裝載機(jī)工作裝置靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析的外載荷研究中最早提出了分不同工況進(jìn)行有限元計(jì)算并且提出了幾種可能的最惡劣的工況，孟廣良在此基礎(chǔ)上進(jìn)一

15、步加以研究，最后確定了輪式裝載機(jī)工作中邊插入邊掘起工況為最惡劣工況，并且以后的論文中大多以此工況為計(jì)算工況。但是滑移裝載機(jī)和輪式裝載機(jī)的工作裝置是有很大不同的，所以對滑移裝載機(jī)進(jìn)行分析時(shí)要對各種工況加以研究。在楊第一章緒論占敏編著的輪式裝載機(jī)引一書中，對外載荷的選取提供了一種經(jīng)驗(yàn)公式，大多數(shù)計(jì)算也是以此經(jīng)驗(yàn)公式為依據(jù)的。由于偏載程度至今研究不是很清楚，大多數(shù)論文都是只計(jì)算了正載情況，姜峰副等通過對裝載機(jī)工作循環(huán)的分析，引入了偏載系數(shù)的概念，提出了裝載機(jī)受力計(jì)算的一種新方法。在對動(dòng)臂的斷裂分析中，¨鍆除進(jìn)行了力的計(jì)算外，還用電子顯微鏡觀測斷口處的材料金相組織，對斷裂機(jī)理進(jìn)行了分析；衣振

16、濤鄙在材料性能和斷口形式等方面對裝載機(jī)動(dòng)臂橫梁進(jìn)行了斷裂分析。（）車架強(qiáng)度計(jì)算在靜態(tài)的情況下，車架主要承受的載荷是各零部件自身的重量和在計(jì)算工況下由工作裝置傳遞給車架的載荷，許勝虎¨明對裝載機(jī)的強(qiáng)度進(jìn)行了理論分析，并通過實(shí)際測試驗(yàn)證了理論計(jì)算，作者只計(jì)算了車架的強(qiáng)度并沒有對剛度進(jìn)行計(jì)算并且模型太粗糙。唐應(yīng)時(shí)舊在分析自卸車的車架時(shí)采用了三種計(jì)算工況，用有限元算出了車架的應(yīng)力應(yīng)變。南新旭阻刀在早期的研究中就利用測試技術(shù)對裝載機(jī)車架的動(dòng)態(tài)載荷進(jìn)行了測試?；蒲b載機(jī)工作裝置和車架的優(yōu)化研究現(xiàn)狀關(guān)于滑移裝載機(jī)工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)幾乎沒有，現(xiàn)有的文獻(xiàn)大多是關(guān)于輪式裝載機(jī)工作裝置優(yōu)化的，主要是對

17、工作裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與分析，選用諸如蟻群算法、遺傳算法等進(jìn)行優(yōu)化分析。對滑移裝載機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析建模和輕量化優(yōu)化的論文很少，并且滑移裝載機(jī)的工作裝置和輪式裝載機(jī)的工作裝置也有很大的不同。車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是在輕量化方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，朱榮慶阻羽對重型載重汽車車架進(jìn)行了輕量化的研究，建立了簡單的車架梁單元模型，以車架縱梁截面尺寸作為設(shè)計(jì)變量，以車架總體積為設(shè)計(jì)目標(biāo)，應(yīng)用對車架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。韋志林乜對貨車車架減重設(shè)計(jì)中的若干技術(shù)措施進(jìn)行了探討，為同類問題的解決提供了有益的思路。論文研究的目的與意義我國裝載機(jī)行業(yè)起步較晚，其制造技術(shù)是陸續(xù)從美國、德國和同本等國家引進(jìn)的。目前，我國裝載機(jī)生產(chǎn)技術(shù)水平

18、只相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家世紀(jì)年代的生產(chǎn)制造水平。雖然目前國內(nèi)裝載機(jī)生產(chǎn)廠家群雄并立，并且有增無減，但國內(nèi)企業(yè)自主丌發(fā)創(chuàng)新能力較弱，產(chǎn)品更新?lián)Q代以適應(yīng)市場需求的能力較差，不能及時(shí)適應(yīng)市場的需求。在生產(chǎn)制造上，工藝裝備水平和生產(chǎn)能力低，制造關(guān)鍵零部件技術(shù)不過關(guān)，整機(jī)的可靠性、故障率、使用壽命、機(jī)電液一體化水平、外觀質(zhì)量、操作的靈活性和舒適性方面與發(fā)達(dá)國家產(chǎn)品相比差距較大¨。因此，本文采用有限元方法對滑移裝載機(jī)的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行分析和優(yōu)化，主要有四個(gè)方而的內(nèi)容：（）通過模念試驗(yàn)，對動(dòng)臂和車架有限元模型進(jìn)行修薩，得到能正確反映滑移裝載機(jī)工作裝置和車架動(dòng)力學(xué)特性的有限元計(jì)算模型。（）進(jìn)行靜力學(xué)分析，通過施加

19、最惡劣工況下的外載荷，計(jì)算工作裝置和車架的應(yīng)力和應(yīng)變，驗(yàn)證是否滿足工作要求并為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)和依據(jù)。（）提出工作裝置和車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。（）對工作裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)建模，并提出另外三種工作裝置結(jié)構(gòu)。本文的研究的意義在于：首先，驗(yàn)證滑移裝載機(jī)目前的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件性能是否滿足設(shè)計(jì)要求；再次，根據(jù)靜力分析的結(jié)果，對動(dòng)臂和車架進(jìn)行了輕量化優(yōu)化并且對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部改進(jìn)，緩和了局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高了整機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和安全性；最后建立滑移裝載機(jī)工作裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型并提出了三種改進(jìn)工作裝置結(jié)構(gòu)的方案，東南大學(xué)碩士學(xué)位論文為改良現(xiàn)有結(jié)構(gòu)提供了思路。論文主要內(nèi)容論文采用有限元分析方

20、法對滑移裝載機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，校核了結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度，降低了結(jié)構(gòu)的重量。本文的主要內(nèi)容如下：（）對滑移裝載機(jī)的工作裝置和車架，用軟件進(jìn)行精確建模。（）模型傳入軟件建立模型。（）模態(tài)試驗(yàn)，分別測定工作裝置和車架的模態(tài)參數(shù)。（）用實(shí)驗(yàn)結(jié)果對仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證并對結(jié)果進(jìn)行修正，建立能正確反映工作裝置和車架動(dòng)力學(xué)特性的有限元計(jì)算模型。（）分析滑移裝載機(jī)的各種工況并確定最惡劣工況，確定相應(yīng)的外載荷和邊界條件，計(jì)算工作裝置和車架的應(yīng)力和應(yīng)變。（）參考多種滑移裝載機(jī)車架的結(jié)構(gòu)形式，改進(jìn)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，消除應(yīng)力集中。（）在滿足強(qiáng)度和剛度條件下，對工作裝置和車架進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)。（）建立工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)

21、學(xué)模型，提出另外三種工作裝置結(jié)構(gòu)。第二二章滑移犍裁機(jī)三維模型的建；第二章滑移裝載機(jī)三維模型的建立滑移裝載機(jī)模型的建立滑移裝載機(jī)模型的建立本文采用軟件建立零、部件和整機(jī)的三維實(shí)體模型。目前將專業(yè)軟件生成的三維實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為模型還存在很多問題，許多復(fù)雜模型的直接傳遞會(huì)產(chǎn)生模型無法生成的問題，有可能會(huì)在有限元網(wǎng)格劃分時(shí)，產(chǎn)生大量的單元，加大計(jì)算量；或者會(huì)產(chǎn)生一些病態(tài)網(wǎng)格，造成網(wǎng)格質(zhì)量下降，影響結(jié)構(gòu)的分析精度。因此為了順利的進(jìn)行有限元仿真，節(jié)約計(jì)算時(shí)間，必須在建立模型時(shí)對結(jié)構(gòu)的相關(guān)細(xì)節(jié)進(jìn)行適當(dāng)簡化和修改曙，其基本原則為：（）在造型時(shí)力求精確，以真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的動(dòng)、靜態(tài)特性；（）忽略模型中的小特征，如倒角

22、、倒圓、小孔以及凸臺(tái)等；（）對模型中的小錐度、小曲率曲面進(jìn)行直線化和平面化處理；（）不考慮對整機(jī)動(dòng)、靜態(tài)特性影響小的零、部件結(jié)構(gòu)。如圖所示，滑移裝載機(jī)主要由五部分組成，分別為工作裝置、車架、駕駛室、傳動(dòng)裝置和其他。圖滑移裝載機(jī)基本組成圖（）工作裝置的模型工作裝置是滑移裝載機(jī)的最主要構(gòu)件之一，它由動(dòng)臂、鏟斗（或其他附件）、油缸組成，工作裝置的結(jié)構(gòu)和性能直接影響整機(jī)的工作尺寸和性能參數(shù)。動(dòng)臂是由不同厚度的鋼板焊接而成，兩條長臂為中空的箱體結(jié)構(gòu)，動(dòng)臂的前端和鏟斗連接處為實(shí)心結(jié)構(gòu)。中間的橫梁是一塊大面積的薄板，并且邊緣形狀復(fù)雜。轉(zhuǎn)斗油缸連接在橫梁下端的掛耳上。利用軟件根據(jù)上述簡化原則，對工作裝置進(jìn)行適

23、當(dāng)簡化，然后利用裝配模塊將三部分裝在一起，得到工作裝置的模型，如圖所示。東南大學(xué)碩七學(xué)位論文圖工作裝置模型（）車架的模型滑移裝載機(jī)的絕大多數(shù)部件和總成都是通過車架來固定其位置的，車架的功用是支撐連接裝載機(jī)的各零部件，并承受來自車內(nèi)外的各種載荷?；蒲b載機(jī)的車架和普通裝載機(jī)的車架有很大的不同，其不分前后橋而是一個(gè)整體。液壓油箱也是車架的一部分。利用軟件創(chuàng)建的車架模型如圖所示。圖滑移裝載機(jī)車架的模攖（）滑移裝載機(jī)整車模型滑移裝載機(jī)其它部件在本論文中不是重點(diǎn)分析對象，但是為了確定在不同工況時(shí)各鉸點(diǎn)的相對位置，及進(jìn)行初步的干涉檢測，利用軟件建立了各部分的模型，并利用組裝模塊根據(jù)實(shí)際的連接方式把各個(gè)部件

24、組裝成了一個(gè)整體，如圖所示。專鋤；廬圖滑移裝載機(jī)整車的模型第二章滑移裝載機(jī)三維模型的建龜基于的滑移裝載機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真建模是包含的運(yùn)動(dòng)分析模塊，能夠?qū)υO(shè)計(jì)進(jìn)行模擬仿真的校驗(yàn)，例如運(yùn)動(dòng)仿真顯示、運(yùn)動(dòng)干涉檢測、運(yùn)動(dòng)軌跡、位置、速度、加速度等。所建立的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，既可以導(dǎo)入中進(jìn)一步分析，也可以引入動(dòng)畫（）模塊中以創(chuàng)建更完善的仿真動(dòng)畫。用于運(yùn)動(dòng)分析，與無縫集成，無需單獨(dú)安裝，操作簡單易于使用，但功能并不是很強(qiáng)拉引。用模塊可以建立各種簡單的實(shí)際系統(tǒng)的精確運(yùn)動(dòng)仿真模型，對運(yùn)動(dòng)仿真的結(jié)果，可以通過多種方式來研究，滿足用戶對運(yùn)動(dòng)仿真分析的各種需求。在運(yùn)動(dòng)分析模塊中，每一種連接類型的一組約束都與指定的自由度有

25、關(guān)，平移和旋轉(zhuǎn)自由度用來指定機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式，下面介紹這幾種連接的類型和它們的自由度。（）剛性（）：剛性連接是將兩個(gè)零件粘結(jié)在一起，它的旋轉(zhuǎn)自由度和平移自由度都為零，完全固定。機(jī)座和機(jī)架等一般都采用這種約束。（）銷釘（）：采用銷釘連接的構(gòu)件旋轉(zhuǎn)自由度為，平移自由度為，構(gòu)件只能繞固定的軸旋轉(zhuǎn)。約束關(guān)系一般為軸對齊或偏移。（）滑動(dòng)桿（）：滑動(dòng)桿連接構(gòu)件只能沿直線方向平移，故其平移自由度為，旋轉(zhuǎn)自由度為，該直線是指定的軸或邊。約束關(guān)系一般為軸對齊和平面對齊。（）圓柱（）：圓柱連接時(shí)構(gòu)件可以沿指定軸平移并繞該軸旋轉(zhuǎn)，所以，它的總自由度為，旋轉(zhuǎn)和平移自由度分別為，約束關(guān)系一般為軸線對齊或面對齊。（）平面（

26、）：平面連接時(shí)構(gòu)件可以通過平面連接頭連接的主體在一個(gè)平面內(nèi)相對運(yùn)動(dòng)并相對于垂直于該平面的軸旋轉(zhuǎn)。故平面連接的總自由度為，其中旋轉(zhuǎn)自由度為，平移自由度為，約束關(guān)系一般為平面與平面對齊。（）球（）：采用球連接的構(gòu)件可以在任何方向上旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)自由度為，平移自由度為，約束關(guān)系一般為點(diǎn)對齊。在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中，用電動(dòng)機(jī)生成要進(jìn)行研究的運(yùn)動(dòng)類型。在該軟件中，電動(dòng)機(jī)包括伺服電動(dòng)機(jī)和執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。伺服電動(dòng)機(jī)可規(guī)定機(jī)構(gòu)以特定方式運(yùn)動(dòng)。伺服電動(dòng)機(jī)引起在兩個(gè)主體之間、單個(gè)自由度內(nèi)的特定運(yùn)動(dòng)類型的運(yùn)動(dòng)，向模型中添加伺服電動(dòng)機(jī)，以便為分析做準(zhǔn)備。執(zhí)行電動(dòng)機(jī)可向機(jī)構(gòu)施加特定的負(fù)荷，執(zhí)行電動(dòng)機(jī)引起在兩個(gè)主體之間，單個(gè)自由度內(nèi)產(chǎn)生

27、特定類型的負(fù)荷。伺服電動(dòng)機(jī)將位置、速度或加速度指定為時(shí)間的函數(shù)，并可控制平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。例如，伺服電機(jī)從某特定的配置開始，一秒鐘之后，為模型定義另一配置。兩者之間的差異即為模型的運(yùn)動(dòng)。通過指定伺服電動(dòng)機(jī)函數(shù)，如常數(shù)或線性函數(shù)，可以定義運(yùn)動(dòng)的輪廓。從預(yù)定義的函數(shù)中選取，也可輸入自定義的函數(shù)?？稍谝粋€(gè)圖元上定義任意多個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)。運(yùn)動(dòng)仿真分析一、仿真工況滑移裝載機(jī)的設(shè)計(jì)要求是三項(xiàng)時(shí)間和為秒、動(dòng)臂提升時(shí)間為小于秒，如圖所示。裝載機(jī)的插入工況為動(dòng)臂下放，鏟斗放置于地面，斗尖觸地，斗底板與地面成。、。傾角。開動(dòng)裝載機(jī)，鏟斗借助機(jī)器的牽引力插入料堆，設(shè)定時(shí)間為秒；鏟裝工況為鏟斗插入料堆后，轉(zhuǎn)動(dòng)鏟斗鏟取物料

28、，待鏟斗口翻至近似水平為止，設(shè)定時(shí)間為秒；舉升工況為在動(dòng)臂油缸的帶動(dòng)下舉升動(dòng)臂至需要的位置，設(shè)定時(shí)日為秒：卸載工況為動(dòng)臂油缸保持長度不變，轉(zhuǎn)斗油缸伸長翻轉(zhuǎn)鏟斗，向運(yùn)載車輛中卸載物料，東南火學(xué)碩一卜學(xué)位論文鏟斗物料卸載卸凈后，收縮轉(zhuǎn)斗油缸，設(shè)定時(shí)問為秒；工作裝置返回時(shí)間設(shè)定為秒。二、添加約束機(jī)構(gòu)是由構(gòu)件組合而成的，而每個(gè)構(gòu)件都以一定的方式至少與另一個(gè)構(gòu)件相連接。這種連接，即使兩個(gè)構(gòu)件直接接觸，又使兩個(gè)構(gòu)件能夠產(chǎn)生一定的相對運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)的連接，除了機(jī)架及固定零件外，其他部分的連接都是部分約束，如果完全約束，那么整個(gè)機(jī)構(gòu)就不能運(yùn)動(dòng)。根據(jù)滑移裝載機(jī)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，對各連接部分做了如下約束：動(dòng)臂與車架、動(dòng)

29、臂油缸缸筒與車架、動(dòng)臂油缸活塞桿與動(dòng)臂、動(dòng)臂與鏟斗、橫梁與轉(zhuǎn)斗油缸缸筒、鏟斗與轉(zhuǎn)斗油缸活塞桿之間采用旋轉(zhuǎn)副約束；動(dòng)臂油缸缸筒和動(dòng)臂油缸活塞桿、轉(zhuǎn)斗油缸缸筒和轉(zhuǎn)斗油缸活塞桿之間采用移動(dòng)副約束，如圖所示。幽曼琵磊；乏二：溢。滋。琵瀧。二二澀警緩鰳“名稱：蝴虹“蛆類墅優(yōu)先選項(xiàng)；電動(dòng)機(jī)“”；電動(dòng)機(jī)從至；￥開始￥州固固￥胡：；￥囤一圖各?。簺r電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間圖滑移裝載機(jī)的運(yùn)動(dòng)模型三、仿真分析使用運(yùn)動(dòng)分析可評估機(jī)構(gòu)在伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)，可以使用任何具有一定輪廓、能產(chǎn)生有限加速度的運(yùn)動(dòng)軸伺服電動(dòng)機(jī)。運(yùn)動(dòng)學(xué)是動(dòng)力學(xué)的一個(gè)分支，它考慮除質(zhì)量和力之外的運(yùn)動(dòng)所有方面。運(yùn)動(dòng)分析會(huì)模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，滿足伺服電動(dòng)機(jī)輪廓和

30、任何接頭、凸輪從動(dòng)機(jī)構(gòu)、槽從動(dòng)機(jī)構(gòu)或齒輪副連接的要求。運(yùn)動(dòng)分析不考慮受力，因此不能使用執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，也不必為機(jī)構(gòu)指定質(zhì)量屬性。使用運(yùn)動(dòng)分析可獲得以下信息：（）幾何圖元和連接的位置、速度以及加速度。（）元件問的干涉。（）機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的軌跡曲線。本章小結(jié)本章給出了在建立模型時(shí)對機(jī)構(gòu)的簡化原則，并根據(jù)此原則建立了滑移裝載的各個(gè)零件的模型，然后把這些零件的模型在軟件的轉(zhuǎn)配模塊里按照零件間的實(shí)際位置關(guān)系進(jìn)行了裝配，創(chuàng)建了滑移裝載機(jī)的整機(jī)的模型，為建立動(dòng)臂和車架的有限元模型打下了基礎(chǔ)。在闡述了運(yùn)動(dòng)仿真模塊功能的基礎(chǔ)上，對滑移裝載機(jī)進(jìn)行了干涉檢測，并根據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)三項(xiàng)時(shí)間總和的要求對工作裝置的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了簡單的仿真

31、分析。經(jīng)過分析，初步評價(jià)了此設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能。第三章結(jié)構(gòu)件有限兀模型的建、上第三章結(jié)構(gòu)件有限元模型的建立工作裝置動(dòng)臂和車架有限元模型的建立有限元法基本思想有限元法是一種基于變分法而發(fā)展起來的求解微分方程的數(shù)值計(jì)算方法，該方法以計(jì)算機(jī)為手段，采用分片近似，進(jìn)而逼近整體的研究思想求解物理問題。簡而言之，其基本思想就是里茲法加分片近似，可歸納如下晗利：首先，將物體或求解域離散為有限個(gè)互不重疊僅通過節(jié)點(diǎn)相互連接的子域（即單元），原始邊界條件也被轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)上的邊界條件，此過程稱為離散化。其次，在單元內(nèi)，選擇簡單近似函數(shù)來分片逼近未知的求解函數(shù)，即分片近似。具體做法是在單元上選擇一些合適的節(jié)點(diǎn)作為求解函數(shù)

32、的插值點(diǎn)，將微分方程中的變量改寫成由各變量或其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點(diǎn)值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達(dá)式，這是有限元法的創(chuàng)意和精華所在，而整體區(qū)域上的解函數(shù)就是這些單元上的近似函數(shù)的組合。最后，基于與原問題數(shù)學(xué)模型（基本方程和邊界條件）等效的變分原理或加權(quán)殘值法，建立有限元方程（即剛度方程），從而將微分方程轉(zhuǎn)化為一組以變量或其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點(diǎn)值為未知量的代數(shù)方程組。進(jìn)而借助矩陣表示和計(jì)算機(jī)求解代數(shù)方程組，得到原問題的近似解。在整個(gè)有限元分析過程中，離散化是分析的基礎(chǔ)。它借鑒了差分法的離散思想，并進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。差分法是對求解域進(jìn)行規(guī)則劃分，不適用于復(fù)雜求解域；有限元法的離散對單元形狀和大小沒有規(guī)則劃分的限制，

33、單元可以為不同形狀，且不同單元可以相互連接組合，所以，有限元法可以模型化任何復(fù)雜幾何形狀的物體或求解區(qū)域，離散精度高。分片近似是有限元法的核心，也是與里茲法和伽遼金殘值法的重要區(qū)別。罩茲法和伽遼金殘值法都是在整個(gè)求解域上構(gòu)造一個(gè)試探函數(shù)（或近似函數(shù)）來逼近真實(shí)解，當(dāng)試探函數(shù)與真實(shí)解的函數(shù)形態(tài)在求解域內(nèi)趨于一致時(shí)，則這種處理是合理的。若真實(shí)解的函數(shù)形態(tài)很復(fù)雜，則用一個(gè)近似函數(shù)逼近真實(shí)解難以達(dá)到較高精度，或由于不能在求解域的不同區(qū)域?qū)υ囂胶瘮?shù)提出不同的精度要求，造成局部精度的要求高使問題難于求解。因此，罩茲法一般只適用于求解函數(shù)和邊界條件較簡單的、題。有限元法是應(yīng)用局部的近似解來建立整個(gè)求解域的解

34、的一種方法，針對一個(gè)單元來選擇近似函數(shù)，積分計(jì)算也是在單元內(nèi)完成，由于單元形狀簡單，一般采用低階多項(xiàng)式函數(shù)就能較好的逼近真實(shí)函數(shù)在該單元上的解，此過程可認(rèn)為是旱茲法的一種局部化應(yīng)用。而整個(gè)求解域內(nèi)的解可以看做是所有單元近似解的組合。對于整個(gè)求解域，只要單元上的近似函數(shù)滿足收斂性要求，隨著單元尺寸的不斷縮小，有限元法提供的近似解將收斂于問題的精確解。動(dòng)臂和車架有限元模型的建立動(dòng)臂是滑移裝載機(jī)工作裝置中的主要部件，結(jié)構(gòu)對稱。車架是整個(gè)滑移裝載機(jī)的承重部件。它們主要由不同厚廑的板焊接而成，各板厚度與長和寬相比小得多。根據(jù)彈性（晌蟛）的口晌）一單元比三角形單元網(wǎng)格劃分，選擇四作用下的內(nèi)力既有單元的六個(gè)

35、面，、三個(gè)方向的線位移圖四節(jié)點(diǎn)彈性殼單元網(wǎng)格劃分時(shí)，應(yīng)考慮網(wǎng)格的形狀和尺寸，它需要考慮到模型的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力梯度和分析類型等。例如模態(tài)分析時(shí)，單元尺寸對分析結(jié)果敏感度不大，但靜態(tài)分析中，單元質(zhì)量的好壞對計(jì)算結(jié)果下確性至關(guān)重要。網(wǎng)格劃分應(yīng)滿足如下要求：（）合理性：一個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)不能落入其他單元內(nèi)部，在單元邊界上的節(jié)點(diǎn)均應(yīng)作為單元的節(jié)點(diǎn)，不可丟棄。（）相容性：單元必須落在待分區(qū)域內(nèi)部，不能落入外部，且單元并集等于待分區(qū)域。（）逼近精確性：待分區(qū)域的頂點(diǎn)（包括特殊點(diǎn)）必須是單元的節(jié)點(diǎn)，待分區(qū)域的邊界（包括特殊邊及面）被單元邊界所逼近。（）良好的單元形狀：單元最佳形狀是正多邊形或正多面體。（）良好的部分過

36、度性：單元之間過渡性應(yīng)相對平穩(wěn)，否則，將影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性甚至使有限元計(jì)算無法進(jìn)行下去。（）網(wǎng)格剖分的自適應(yīng)性：在幾何尖角處，應(yīng)力等變化大處網(wǎng)格應(yīng)密集，其他部位應(yīng)較稀疏，這樣可以保證計(jì)算的精度和收斂性。除以上指標(biāo)外，還需注意以下幾點(diǎn)：（）節(jié)點(diǎn)編號(hào)排布：節(jié)點(diǎn)編號(hào)對于求解過程中的總體剛度矩陣的元素分布，分析耗時(shí)，以及內(nèi)存空日有一定的影響。合理的節(jié)點(diǎn)編號(hào)有助于利用剛度矩陣的對稱，帶狀分布，稀疏矩陣等方法提高求解效率。（）刪除重復(fù)單元和節(jié)點(diǎn)。（）刪除自由節(jié)點(diǎn)并檢查單元的連續(xù)性。根據(jù)上述方法對動(dòng)臂進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到工作裝置動(dòng)臂有限元網(wǎng)格。整個(gè)動(dòng)臂模型共有節(jié)點(diǎn)個(gè)，個(gè)單元，如圖所示。車架模型共有節(jié)點(diǎn)個(gè)，個(gè)

37、單元，如圖所示。荷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。如果要進(jìn)行諧響應(yīng)分析、譜分析、模態(tài)疊加法諧響應(yīng)分析或瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，固有頻率和固有振型也是必要的。模態(tài)分析的必要性在于：根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)和不足之處，為車輛的開發(fā)提供依據(jù)；利用結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的變化可以用來診斷和預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障；有助于估算在瞬態(tài)分析求解的時(shí)間步長；同時(shí)也是控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲和識(shí)別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷的有效方法。模態(tài)分析理論在機(jī)械設(shè)計(jì)中，研究彈性體振動(dòng)問題的重要目的是避免共振，具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以看成多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，具有多個(gè)固有頻率，在阻抗實(shí)驗(yàn)中變現(xiàn)為多個(gè)共振區(qū)，這種在自由振動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)所具有的基本振動(dòng)特性稱為結(jié)構(gòu)的模態(tài)嘞。結(jié)構(gòu)模態(tài)是由結(jié)構(gòu)本身的特性與材料所決定的與外部載荷等條件無關(guān)。一個(gè)自由度線性系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)微分方程為：阻忙帖（）其中：阻】、【、醫(yī)分別為系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼及剛度矩陣，及）分別為系統(tǒng)各點(diǎn)的位移響應(yīng)向量及激勵(lì)力向量。、】通常為實(shí)系數(shù)對稱矩陣，而則為非對稱矩陣，因此式（）是一組耦合方程，當(dāng)系統(tǒng)自由度很大時(shí)，求解十分困難。能否將上述耦合方程變成非耦合的獨(dú)立方程組，這就是模念分析要解決的任務(wù)。對式（）兩邊進(jìn)行拉式變換，令，得到一組耦合的方程組，為了解耦引入東南人學(xué)碩上學(xué)位論文模態(tài)坐標(biāo)，令忸），其中：】為振型矩陣，口為模態(tài)坐標(biāo)，左乘陟】可得：（】阻。