《推土機(jī)有限元分析》課件

推土機(jī)有限元分析有限元分析是一種強(qiáng)大的工具，可以用于模擬和預(yù)測推土機(jī)結(jié)構(gòu)的性能和行為。它可以幫助工程師優(yōu)化設(shè)計、減少重量、提高可靠性，并預(yù)測故障。課程目標(biāo)和內(nèi)容簡介課程目標(biāo)掌握推土機(jī)有限元分析的基本原理和方法。課程內(nèi)容推土機(jī)工作原理和組成推土機(jī)主要參數(shù)和工作性能推土機(jī)關(guān)鍵零部件簡介有限元分析概述推土機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元分析流程推土機(jī)有限元建模載荷條件的確定邊界條件的設(shè)置材料性能參數(shù)的選取有限元網(wǎng)格劃分分析求解過程分析結(jié)果解讀優(yōu)化設(shè)計方案仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比有限元分析的局限性有限元分析在推土機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用推土機(jī)的工作原理和組成推土機(jī)是一種大型工程機(jī)械，主要用于土方工程。推土機(jī)通過刀具將土方推至指定位置，主要依靠發(fā)動機(jī)提供的動力和液壓系統(tǒng)驅(qū)動。推土機(jī)的主要組成部分包括發(fā)動機(jī)、傳動系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、刀具、駕駛室等。推土機(jī)主要參數(shù)和工作性能推土機(jī)的主要參數(shù)和工作性能對于評估其作業(yè)效率和適用范圍至關(guān)重要。150馬力推土機(jī)通常配備大功率發(fā)動機(jī)，其馬力決定了推土機(jī)的牽引力和推土能力。100鏟斗容量鏟斗容量指的是推土機(jī)一次可以容納的土方量，影響推土機(jī)的作業(yè)效率。20行駛速度推土機(jī)的行駛速度影響其作業(yè)效率，在開闊地帶，行駛速度可以達(dá)到20公里/小時。30爬坡能力推土機(jī)的爬坡能力反映了其在坡地上的工作能力，通常用爬坡角度表示。推土機(jī)關(guān)鍵零部件簡介發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)是推土機(jī)的核心部件，提供動力。它通常為柴油發(fā)動機(jī)，具有強(qiáng)勁的扭矩和可靠性。傳動系統(tǒng)傳動系統(tǒng)將發(fā)動機(jī)動力傳遞到履帶，包括變速箱、差速器和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。它使推土機(jī)能夠高效移動和轉(zhuǎn)向。履帶系統(tǒng)履帶系統(tǒng)是推土機(jī)的主要運動部件，提供強(qiáng)大的牽引力和穩(wěn)定性，使推土機(jī)能夠在各種地形上移動和工作。工作裝置工作裝置包括刀具和刀架，用于推土、鏟土和挖掘等作業(yè)。它是推土機(jī)發(fā)揮功能的關(guān)鍵部分。有限元分析概述基本原理將連續(xù)體離散為有限個單元，每個單元用有限個節(jié)點表示，在每個節(jié)點上定義有限個自由度，通過建立單元剛度矩陣和質(zhì)量矩陣，將整個結(jié)構(gòu)的運動方程轉(zhuǎn)化為線性代數(shù)方程組，進(jìn)而求解結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。優(yōu)勢能夠處理復(fù)雜幾何形狀、非線性材料和載荷，可以精確模擬結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，為結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供可靠的依據(jù)。應(yīng)用范圍廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、機(jī)械、土木工程、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，用于結(jié)構(gòu)分析、強(qiáng)度分析、疲勞分析、熱分析、振動分析等。發(fā)展趨勢隨著計算機(jī)技術(shù)和算法的進(jìn)步，有限元分析方法不斷發(fā)展，應(yīng)用范圍不斷拓展，例如多尺度建模、大規(guī)模并行計算、人工智能等。有限元分析的應(yīng)用領(lǐng)域汽車設(shè)計汽車設(shè)計中，有限元分析可用于優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)，提高安全性和舒適性。橋梁設(shè)計有限元分析可幫助評估橋梁結(jié)構(gòu)的承載力，確保橋梁的安全性和穩(wěn)定性。航空航天有限元分析在飛機(jī)和火箭的設(shè)計中發(fā)揮關(guān)鍵作用，確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和飛行安全。推土機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元分析流程1模型建立推土機(jī)幾何模型2網(wǎng)格劃分有限元網(wǎng)格3材料屬性材料參數(shù)4邊界條件載荷和約束5求解分析應(yīng)力、位移推土機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元分析流程，從建立模型開始，經(jīng)過網(wǎng)格劃分、材料屬性設(shè)置、邊界條件定義，最終進(jìn)行求解分析，得到應(yīng)力和位移等結(jié)果。推土機(jī)機(jī)身有限元建模幾何建模使用CAD軟件建立推土機(jī)機(jī)身的三維幾何模型，準(zhǔn)確描述其外形尺寸和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征。材料屬性定義根據(jù)推土機(jī)機(jī)身材料的種類和特性，設(shè)置相應(yīng)的材料參數(shù)，例如彈性模量、泊松比和密度等。網(wǎng)格劃分將機(jī)身模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將連續(xù)的模型離散化，形成有限元網(wǎng)格。網(wǎng)格的密度和類型應(yīng)根據(jù)分析需求進(jìn)行選擇。邊界條件設(shè)置根據(jù)推土機(jī)的實際工作狀態(tài)和約束情況，設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，包括固定約束、載荷施加和接觸面定義等。車架有限元建模1模型創(chuàng)建使用三維建模軟件，根據(jù)推土機(jī)車架的尺寸和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模型創(chuàng)建。車架模型應(yīng)包含所有關(guān)鍵零部件，例如縱梁、橫梁、支架等。2材料屬性定義將車架材料的屬性，如彈性模量、泊松比、密度等，輸入到有限元軟件中。3網(wǎng)格劃分對車架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將模型分解成許多小的單元，每個單元都具有特定的形狀和尺寸。網(wǎng)格的質(zhì)量會影響分析結(jié)果的精度，因此要選擇合適的網(wǎng)格劃分方法和網(wǎng)格尺寸。懸架系統(tǒng)有限元建模1幾何模型構(gòu)建建立懸架系統(tǒng)各零部件的幾何模型2材料屬性定義定義懸架系統(tǒng)各零部件的材料屬性3邊界條件設(shè)定設(shè)置懸架系統(tǒng)與車架之間的連接約束4載荷施加施加工況載荷模擬實際工況懸架系統(tǒng)有限元建模是推土機(jī)整車有限元分析的重要組成部分。通過對懸架系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析，可以評估其強(qiáng)度、剛度和疲勞壽命，并優(yōu)化懸架系統(tǒng)設(shè)計。發(fā)動機(jī)支撐有限元建模1幾何建?；贑AD軟件創(chuàng)建發(fā)動機(jī)支撐幾何模型2材料屬性設(shè)置發(fā)動機(jī)支撐材料的彈性模量和泊松比3網(wǎng)格劃分將發(fā)動機(jī)支撐模型劃分成有限元網(wǎng)格4邊界條件定義發(fā)動機(jī)支撐的約束和載荷條件5求解分析使用有限元軟件進(jìn)行求解，獲得應(yīng)力、位移等結(jié)果發(fā)動機(jī)支撐有限元建模是推土機(jī)有限元分析的重要步驟之一。通過對發(fā)動機(jī)支撐進(jìn)行建模和分析，可以評估其在工作過程中的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。刀具組件有限元建模1幾何建模首先，根據(jù)刀具組件的實際尺寸和形狀進(jìn)行幾何建模。需要考慮刀具的形狀、尺寸、材料等因素。可以使用專業(yè)的CAD軟件進(jìn)行建模。2網(wǎng)格劃分對刀具組件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將模型分割成有限個單元，每個單元代表一個小的幾何體。網(wǎng)格劃分要盡可能細(xì)致，才能更準(zhǔn)確地模擬刀具組件的受力情況。3材料屬性定義根據(jù)刀具組件的材質(zhì)，定義材料的屬性，例如彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度等，這些屬性將用于有限元分析。載荷條件的確定11.工作載荷推土機(jī)進(jìn)行推土作業(yè)時，刀具會承受來自土壤的阻力，這是主要載荷。不同土質(zhì)，阻力不同。22.行駛載荷推土機(jī)行駛時，車體受到的重力，包括自身重量和負(fù)載重量。33.振動載荷推土機(jī)在不平整地面行駛，會產(chǎn)生振動，對車體產(chǎn)生額外應(yīng)力。44.沖擊載荷推土機(jī)在作業(yè)過程中，遇到障礙物會發(fā)生沖擊，對車體造成瞬時沖擊力。邊界條件的設(shè)置11.固定邊界條件模擬推土機(jī)機(jī)身與地面的接觸，將機(jī)身底部的節(jié)點固定，防止其發(fā)生位移。22.載荷邊界條件將推土機(jī)刀具施加推土力，模擬推土機(jī)工作時的實際載荷情況。33.對稱邊界條件利用對稱性簡化模型，減少計算量，提高分析效率。44.約束邊界條件根據(jù)推土機(jī)結(jié)構(gòu)的實際情況，對某些關(guān)鍵部位進(jìn)行約束，以模擬實際工況。材料性能參數(shù)的選取材料強(qiáng)度推土機(jī)的結(jié)構(gòu)材料需要具備高強(qiáng)度和韌性，以承受工作過程中產(chǎn)生的巨大壓力和沖擊。彈性模量彈性模量決定了材料的剛度，影響著推土機(jī)的整體剛度和振動特性。泊松比泊松比反映了材料在拉伸或壓縮時的橫向變形，對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形規(guī)律有影響。抗疲勞性能推土機(jī)長期在復(fù)雜工況下工作，材料需具備良好的抗疲勞性能，防止疲勞損傷。有限元網(wǎng)格劃分網(wǎng)格類型推土機(jī)模型可以采用四面體網(wǎng)格或六面體網(wǎng)格，根據(jù)模型復(fù)雜程度和分析精度選擇合適的網(wǎng)格類型。網(wǎng)格密度關(guān)鍵部位如刀具、車架、懸架系統(tǒng)等需要劃分更密的網(wǎng)格，確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格質(zhì)量保證網(wǎng)格質(zhì)量是有限元分析的關(guān)鍵，網(wǎng)格扭曲度、長寬比等指標(biāo)影響分析結(jié)果。網(wǎng)格劃分軟件常用的有限元分析軟件，例如ANSYS、Abaqus等，都具備強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能。分析求解過程1網(wǎng)格劃分將推土機(jī)模型分成許多小的單元2方程求解根據(jù)有限元方法建立方程3結(jié)果后處理對求解結(jié)果進(jìn)行分析有限元分析軟件會自動進(jìn)行計算，得到推土機(jī)各個部位的應(yīng)力、變形等信息。應(yīng)力分析結(jié)果應(yīng)力分析結(jié)果顯示推土機(jī)關(guān)鍵部位的應(yīng)力分布情況。部位最大應(yīng)力值應(yīng)力集中區(qū)域車架100MPa車架連接處刀具200MPa刀具尖端位移分析結(jié)果最大位移(mm)最小位移(mm)有限元分析結(jié)果表明，推土機(jī)在工作過程中，各部件的位移均在安全范圍內(nèi)。最大位移出現(xiàn)在刀具組件，最小位移出現(xiàn)在發(fā)動機(jī)支撐。頻率分析結(jié)果頻率分析結(jié)果可以揭示推土機(jī)在不同工況下的振動特性。通過分析頻率響應(yīng)，可以識別出潛在的共振頻率，并采取措施進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，防止共振現(xiàn)象發(fā)生。10Hz推土機(jī)發(fā)動機(jī)運行頻率20Hz推土機(jī)車架共振頻率30Hz推土機(jī)刀具振動頻率疲勞壽命分析結(jié)果分析結(jié)果顯示，推土機(jī)關(guān)鍵零部件的疲勞壽命在10000個循環(huán)次數(shù)后，應(yīng)力幅值降至55。結(jié)果表明，推土機(jī)結(jié)構(gòu)具有良好的疲勞性能，能夠承受長時間的反復(fù)載荷。優(yōu)化設(shè)計方案結(jié)構(gòu)優(yōu)化有限元分析結(jié)果可以識別應(yīng)力集中區(qū)域。針對這些區(qū)域，可以調(diào)整材料類型、厚度或幾何形狀，以提高推土機(jī)的整體強(qiáng)度和剛度，并減少重量，降低運營成本。性能優(yōu)化可以通過改變刀具形狀、尺寸和角度，以及調(diào)整懸架系統(tǒng)參數(shù)，來優(yōu)化推土機(jī)的推土效率和工作效率。分析結(jié)果可幫助設(shè)計人員找到最優(yōu)參數(shù)。成本優(yōu)化優(yōu)化設(shè)計方案可以有效降低推土機(jī)的生產(chǎn)成本。通過合理地選擇材料、工藝和制造方法，可以減少材料浪費、降低加工成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比有限元分析結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比，驗證模型的準(zhǔn)確性。分析結(jié)果與實際情況基本一致，證明模型的可靠性，為推土機(jī)設(shè)計提供參考。對比分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，模型存在一定的誤差，需要進(jìn)一步優(yōu)化模型參數(shù)和網(wǎng)格劃分。有限元分析的局限性簡化模型現(xiàn)實結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，有限元分析需要簡化模型，忽略一些細(xì)節(jié)，可能導(dǎo)致精度不足。建模精度與實際情況之間存在差距，影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。材料屬性有限元分析需要使用材料的力學(xué)性能參數(shù)，但實際材料屬性會隨溫度、應(yīng)力等因素而變化。材料參數(shù)的準(zhǔn)確性直接影響分析結(jié)果的可靠性。有限元分析在推土機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用有限元分析可用于優(yōu)化推土機(jī)結(jié)構(gòu)，提升其強(qiáng)度和剛度，降低應(yīng)力集中，提高推土機(jī)性能。通過仿真模擬不同工況下的應(yīng)力分布和位移變化，預(yù)測推土機(jī)在工作過程中的性能和可靠性。分析推土機(jī)關(guān)鍵零部件的疲勞壽命，預(yù)測其使用壽命，并改進(jìn)設(shè)計以提高耐久性。通過仿真模擬推土機(jī)在各種極端條件下的應(yīng)力應(yīng)變情況，確保其安全可靠性。總結(jié)與展望11.