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1、2016 届本科毕业设计（修正版）课题名称：某型挖掘机大臂的结构优化设计专 业：机械设计制造及其自动化姓 名：学 号：指导教师：机械与电气工程学院2016 年 6 月 8日安徽建筑大学本科毕业设计摘 要挖掘机大臂（其术语称作动臂）是工作装置中的主要承力部件，动臂的设计优劣对挖掘机工作效率及使用寿命影响极大。挖掘机工作过程中，动臂由于会受到复杂的瞬态冲击载荷，使造成其结构出现变形、裂纹等，而动臂所要求满足的强度、刚度对于挖掘机能否正常工作有着重大影响。对动臂进行优化设计，分析动臂在工作过程中承载时的应力、应变水平和刚度、强度分布情况，发现其薄弱环节应减少应力集中，对于过剩部分可以减轻重量。能够提
2、高挖掘机动臂的性能及使用寿命。对于改进动臂的结构具有十分重要的作用。本文通过对挖掘机的市场需求和技术现状的了解，提出了提高挖掘机产品质量的重要性与意义。针对挖掘机动臂设计存在的问题，进行优化。本课题研究的对象为挖掘机动臂。首先用Pro-E对挖掘机动臂进行三维建模，其次对其进行数学建模，最后利用HyperWorks的OptiStruct对挖掘机动臂进行拓扑优化，HyperMesh可以在任意工作领域与Pro-E进行无缝连接工作，提高了有限元分析的精度。为挖掘机动臂的设计提供一定的理论支持。关键词：挖掘机动臂；三维建模；优化设计；有限元分析I安徽建筑大学本科毕业设计AbstractExcavator
3、 boom (which term referred to the boom) is working equipment load-bearing parts, excavator boom design merits of efficiency and service life of a great impact. Excavator working process, the boom will be complicated due to the transient impact load, so that its structure causing deformation, cracks,
4、 etc., and the boom required to meet the strength and stiffness for the excavator can work properly has a significant impact. To optimize the design of the boom, boom bearing stress analysis in the course of their work time, the level of strain and stiffness, intensity distribution, find its weaknes
5、ses should reduce stress concentration, the excess portion may reduce weight. Can improve the performance and service life of the excavator boom. To improve the structure of the boom has a very important role.Based on the market demand and the state of the art understanding of excavators, excavator
6、proposed to improve product quality, importance and significance. For the excavator boom design problems to be optimized.The object of the research for the excavator boom. First with Pro-E excavator boom for three-dimensional modeling, followed by its mathematical modeling, and finally the use of Hy
7、perWorks OptiStruct excavator boom topology optimization, HyperMesh can work seamlessly in any field and Pro-E connection work to improve the accuracy of the finite element analysis. It provides a theoretical support for the excavator boom design.Key words： Excavator boom Three-dimensional modeling
8、Design Optimization Finite Element AnalysisII目录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 引言11.2 课题的研究背景11.3 挖掘机的发展现状与趋势21.3.1 国外挖掘机发展概况21.3.2 国内挖掘机发展概况41.3.3 挖掘机的发展趋势61.4 对课题的构思6第二章 优化软件的发展状况92.1 有限元概述92.1.1 有限元起源92.1.2 有限元分析过程102.2 软件介绍112.2.1 HyperMesh简介112.2.1 12第三章 液压挖掘机工作原理和特点133.1 单斗液压挖掘机基本组成133.2 工作装置的工作原理和基本
9、组成153.2.1 工作装置简介153.3.2 挖掘机动臂的作业工况163.3.3 挖掘机动臂的失效形式和部位17第四章 挖掘机动臂的三维建模184.1 建模前的处理184.2 建模具体过程18第五章 动臂的力学分析及计算215.1 工况的确定及其相关计算215.2 工况的确定及其相关计算25第六章 挖掘机动臂的结构分析286.1 动臂的有限元模型286.2 结构有限元分析296.2.1 定义材料属性、约束和载荷306.2.2查看结构变形316.2.3查看密度结果云图336.2.4结果分析34总结39致谢40参考文献41附录 文献翻译第一章 绪论1.1 引言第挖掘机是土方工程中的主要施工机械，
10、可用来开挖和装卸土石方、采石和其他建筑材料，它是土石方工程施工机械化中应用最广泛的机械设备之一。在交通建设、石油化工、矿山开采、水利电力修建以及城乡民用建设等方面，挖掘机现在已成为施工工程的首选机种。随着中国富民政策的提出，农村城市化，在其辽阔的土地上正在进行大规模的经济建设，需要大量的土石方施工机械，挖掘机在基础建设领域里的作用至关重要，挖掘机高效快速施工作业特点能够得到广大的人民群众的认可。因此存在着一个巨大的挖掘机现市场。与此同时，挖掘机用户对挖掘机性能、寿命等要求越来越高，性价比作为选择机型的一个重要参数，以获取最大的经济与社会效益。在设计挖掘机的过程中，工作装置的设计是重要内容之一，
11、其中动臂又是挖掘机工作装置中主要的承载受载受力部件，动臂的设计是否满足要求，对挖掘机工作效率及使用寿命有着举足轻重的作用。传统的液压控掘机动臂的强度计算，通常是采用材料力学的方法，把动臂假定为梁，计算若干截面的弯曲强度。但由于动臂的结构与理想梁相差甚远，受力复杂，假定为梁来计算存在较大的误差，并且无法反映结构整体的变形和应力情况，难以指导设计。在生产实践中，以传统方法设计生产的挖掘机，在使用过程中动臂结构往往会发生失效现象，如出现疲劳裂纹、开焊等。综合上述原因，本课题对一向在国内较少研究的液压挖掘机动臂优化设计问题进行了探讨，根据挖掘机工作装置的工作原理和发展趋势，确定所需要优化的结构参数，建
12、立液压挖掘机动臂优化设计的数学模型，同时采用OptiStruct软件对模型进行求解。这样做有利于克服传统挖掘机动臂重量大、体积大、防共振性能差的缺点，从而降低了挖掘机动臂生产成本，提高了其性能。1.2 课题的研究背景随着我国国民经济的发展，对于挖掘机需求的增大，我国挖掘机市场走势比较乐观，现已成为世界上最大的挖掘机市场，及世界挖掘机的制造中心。首先是国内基础设施建设项目的陆续启动，投资不断加大，扩大了内需；其次是按照国外同一标准生产的合资、独资企业的挖掘机产品，在不降低质量要求的前提下，随着国产化率的提高，产品成本有所下降，其性价比逐渐提高得到广大用户的认可。另外，各级施工单位逐渐认识到了挖掘
13、机在施工中的不可或缺的地位，用挖掘机在众多施工工程中替代装载机、推土机进施工作业行的合理性也越来越明显。同时，在我国的综合实力达到一定程度，我们的强势产品必将走出国门的大趋势下，国产挖掘机在第三世界具有非常广阔的国际市场空间。本课题研究的目的是出于对新型挖掘机研发的需要，对动臂结构进行优化分析。动臂是挖掘机的关键部件，也是主要承载受力部分。挖掘机工作过程中，动臂由于会受到复杂的瞬态冲击载荷，使造成其结构出现变形、裂纹等，而动臂的强度、刚度是否满足设计要求，对于挖掘机能否正常工作有着重大影响。因此对动臂进行优化设计，分析动臂在工作过程中承载时的应力、应变水平和刚度、强度分布情况，发现其薄弱环节应
14、减少应力集中，对于过剩部分可以减轻重量。能够提高挖掘机动臂的性能及使用寿命。对于改进动臂的结构具有十分重要的作用。1.3 挖掘机的发展现状与趋势1.3.1 国外挖掘机发展概况第一台手动挖掘机问世至今已有130多年的历史，期间经历了由蒸汽驱动半回转挖掘机到电力驱动和内燃机驱动全回转挖掘机、应用机电液一体化技术的全自动液压挖掘机的逐步发展过程。期间实现了挖掘机的多功能化，挖掘机的紧凑型发展，挖掘机的智能化。由于液压技术的应用，20世纪40年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机，20世纪50年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机。初期研制的液压挖掘机采用的是飞机和机床
15、的液压技术，缺少适用于挖掘机各种工况的液压元件，制造质量不够稳定，配套件也不齐全。从20世纪60年代起，液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快产量猛增。19681970年间，液压挖掘机产量已占挖掘机总产量的83，目前已接近100。工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、美国、俄罗斯、日本等是斗容量3.5-40m3单斗液压挖掘机的主要生产国，从20世纪80年代开始生产特大型挖掘机。例如，美国马利昂公司生产的斗容量50-150m3的剥离用挖掘机，斗容量132m3的步行式拉铲挖掘机；B-E(布比赛路斯一伊利)公司生产的斗容量168.2m3的步行式拉铲挖掘机，斗容量107m
16、3的剥离用挖掘机等，是世界上目前最大的挖掘机。从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展。 （1）开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。为满足市政建设和农田建设的需要，国外发展了斗容量在0.25m3以下的微型挖掘机，最小的斗容量仅0.01m3。另外，数量最多的中、小型挖掘机趋向于一机多能，配备了多种工作装置除正铲、反铲外，还配备了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、振捣器、推土板、冲击铲、集装叉、高空作业架、铰盘及拉铲等，以满足各种施工的需要。与此同时，发展专门用途的特种挖掘机，如低比压、低噪声、水下专用和水陆两用挖
17、掘机等。 （2）迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制。在危险地区或水下作业采用无线电操纵，利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，实现挖掘机作业操纵的完全自动化。所有这一切，挖掘机的全液压化为其奠定了基础和创造了良好前提。 （3）重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度。例如，德国阿特拉斯公司生产的挖掘机装有新型的发动机转速调节装置，使挖掘机按最适合其作业要求的速度来工作；美国林肯一贝尔特公司新C系列LS-5800 型液压挖掘机安装了全自动控制液压系
18、统，可自动调节流量，避免了驱动功率的浪费。还安装了CAPS(计算机辅助功率系统)，提高挖掘机的作业功率，更好地发挥液压系统的功能；日本住友公司生产的FJ系列五种新型号挖掘机配有与液压回路连接的计算机辅助的功率控制系统，利用精控模式选择系统，减少燃油、发动机功率和液压功率的消耗，并延长了零部件的使用寿命；德国奥加凯(O&K)公司生产的挖掘机的油泵调节系统具有合流特性，使油泵具有最大的工作效率；日本神钢公司在新型的904、905、907、909型液压挖掘机上采用智能型控制系统，即使无经验的驾驶员也能进行复杂的作业操作；德国利勃海尔公司开发了ECO(电子控制作业)的操纵装置，可根据作业要求调节挖掘机
19、的作业性能，取得了高效率、低油耗的效果；美国卡特匹勒公司在新型B系统挖掘机上采用最新的3114T型柴油机以及扭矩载荷传感压力系统、功率方式选择器等，进一步提高了挖掘机的作业效率和稳定性。韩国大宇公司在DH280型挖掘机上采用了EPOS电子功率优化系统，根据发动机负荷的变化，自动调节液压泵所吸收的功率，使发动机转速始终保持在额定转速附近，即发动机始终以全功率运转，这样既充分利用了发动机的功率、提高挖掘机的作业效率，又防止了发动机因过载而熄火。 （4）更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。美、英、日等国家推广采用有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤累积理论、断裂力学
20、、有限元法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究方面，促进了产品的优质高效率和竞争力。美国提出了考核动强度的动态设计分析方法，并创立了预测产品失效和更新的理论。日本制定了液压挖掘机构件的强度评定程序，研制了可靠性信息处理系统。在上述基础理论的指导下，借助于大量试验，缩短了新产品的研究周期，加速了液压挖掘机更新换代的进程，并提高其可靠性和耐久性。例如，液压挖掘机的运转率达到8595，使用寿命超过1万小时。（5）加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。液压挖掘机采用带有坠物保护结构和倾翻保护结构的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，用
21、隔音措施降低噪声干扰。（6）进一步改进液压系统。中、小型液压挖掘机的液压系统有向变量系统转变的明显趋势。因为变量系统在油泵工作过程中，压力减小时用增大流量来补偿，使液压泵功率保持恒定，亦即装有变量泵的液压挖掘机可经常性地充分利用油泵的最大功率。当外阻力增大时则减少流量(降低速度)，使挖掘力成倍增加；采用三回路液压系统。产生三个互不影响的独立工作运动。实现与回转机构的功率匹配。将第三泵在其他工作运动上接通，成为开式回路第二个独立的快速运动。此外，液压技术在挖掘机上普遍使用，为电子技术、自动控制技术在挖掘机的应用与推广创造了条件。 （7）迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。20世纪70年代
22、，为了节省能源消耗和减少对环境污染，使挖掘机的操作轻便和安全作业，降低挖掘机噪音，改善驾驶员工作条件，逐步在挖掘上应用电子和自动控制技术。随着对挖掘机的工作效率、节能环保、操作轻便、安全舒适、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了机电液一体化在挖掘机上的应用，随着机电一体化技术在工程机械上的广泛应用，智能化已经成为工程机械的一种发展趋势，并使其各种性能有了质的飞跃。20世纪80年代，以微电子技术为核心的高新技术，特别是微机、微处理器、传感器和检测仪表在挖掘机上的应用，推动了电子控制技术在挖掘机上应用和推广，并已成为挖掘机现代化的重要标志，亦即目前先进的挖掘上设有发动机自动怠速及油门控制系统、功率
23、优化系统、工作模式控制系统、监控系统等电控系统。（8） 更注重环境保护，CAT、小松等厂家纷纷推出满足三次排放要求的挖掘机。1.3.2 国内挖掘机发展概况我国的挖掘机生产起步较晚，从1954年抚顺挖掘机厂生产第一台斗容量为1m3的机械式单斗挖掘机至今，大体上经历了测绘仿制、自主研制开发和发展提高等三个阶段。新中国成立初期，以测绘仿制前苏联20世纪3040年代的W501、W502、W1001、W1002 等型号的机械式单斗挖掘机为主，开始了我国的挖掘机生产历史。由于当时国家经济建设的需要，先后建立起十多家挖掘机生产厂。1967年开始，我国自主研制液压挖掘机。早期开发成功的产品主要有上海建筑机械厂
24、的WYl00型、贵阳矿山机器厂的W4-60型、合肥矿山机器厂的WY60型挖掘机等。随后又出现了长江挖掘机厂的WYl60 型和杭州重型机械厂的WY250型挖掘机等。它们为我国液压挖掘机行业的形成和发展迈出了极其重要的一步。到20世纪80年代末，我国挖掘机生产厂已有30多家，生产机型达40余种。中、小型液压挖掘机已形成系列，斗容有0.12.5 m3等12个等级、20多种型号，还生产0.5-4.0m3以及大型矿用10m3、12m3机械传动单斗挖掘机，1m3隧道挖掘机，4m3长臂挖掘机，1000m3h的排土机等，还开发了斗容量0.25m3的船用液压挖掘机，斗容量0.4m3、0.6m3、0.8m3的水陆
25、两用挖掘机等。但总的来说，我国挖掘机生产的批量小、分散，生产工艺及产品质量等与国际先进水平相比，有很大的差距。改革开放以来，积极引进、消化、吸收国外先进技术，以促进我国挖掘机行业的发展。其中贵阳矿山机器厂、上海建筑机械厂、合肥矿山机器厂、长江挖掘机厂等分别引进德国利勃海尔公司的A912、R912、R942、A922、R922、R962、R972、R982型液压挖掘机制造技术。稍后几年，杭州重型机械厂引进德国德玛克公司的H55和H85型液压挖掘机生产技术，北京建筑机械厂引进德国奥加凯(0&K)公司的RH6和MH6型液压挖掘机制造技术。与此同时，还有山东推土机总厂、黄河工程机械厂、江西长林机械厂、
26、山东临沂工程机械厂等联合引进了日本小松制作所的PC100、PC120、PC200、PC220、PC300、PC400 型液压挖掘机(除发动机外)的全套制造技术。这些厂通过数年引进技术的消化、吸收、移植，使国产液压挖掘机产品性能指标全面提高到20世纪80年代的国际水平，产量也逐年提高。由于国内对液压挖掘机需求量的不断增加且多样化，在国有大、中型企业产品结构的调整，牵动了一些其他机械行业的制造厂加入液压挖掘机行业。例如，中国第一拖拉机工程机械公司、广西玉柴股份有限公司、柳州工程机械厂等。这些企业经过几年的努力已达到一定的规模和水平。例如，玉柴机器股份有限公司在20世纪90年代初开发的小型液压挖掘机
27、，连续多年批量出口欧、美等国家，成为我国挖掘机行业能批量出口的企业。业内人士指出，我国单斗液压挖掘机应向全液压方向发展；斗容量宜控制在0.115m3；而对于大型及多斗挖掘机，由于液压元件的制造、装配精度要求高，施工现场维修条件差等，则仍以机械式为主。应着手研究、运用电液控制技术，以实现液压挖掘机操纵的自动化。1.3.3 挖掘机的发展趋势挖掘机在技术发展的阶段上经历了三次飞跃。第一次是柴油机的出现，使挖掘机有了较理想的动力装置；第二次是液压技术的广泛应用，使挖掘机有了较理想的控制系统；第三次是机电液一体化、智能化技术的应用，使挖掘机面貌焕然一新。挖掘机具有挖掘、装载、卸载和整机移动等功能，可连续
28、高效地工作。据统计，各种土方作业中约有65%-70%的土方量是由挖掘机来完成的。从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展。主要发展方向是采用遥控及微机控制的自动化技术，整个机组具有以下主要特点：功率增大；独立作业性强；配件标准化；能降低噪声、振动。同时，随着计算机技术和数值分析方法的发展，对挖掘机进行优化设计变得迫在眉睫，通过资料文献检索发现，国外不论在挖掘机的整机还是部件的设计上都有比较成熟的技术。国外挖掘机生产企业，利用优化设计进行结构的形状优化。它使液压挖掘机的设计从经验的、静止的、随意性较大的传统设计逐步发展到自动化程度高，设计周期短，
29、设计方案优越，计算精度高的现代化设计。我国从1958 年开始研制液压挖掘机，逐步形成了中小型液压挖掘机系列。然而在液压挖掘机机电一体化进程中，我国远远落后于技术先进国家。我国液压挖掘机工业在1983 年以后采用引进技术进行生产的方法，加快了液压挖掘机的发展，这种引进技术的方式，是在较高的起点上，在较短的时间内，用较少的资金提高技术水平，促进技术进步的捷径。计算机技术在液压挖掘机产品开发、研制中的作用愈来愈大。另外振动和噪声被认为是工程机械作业时的两大公害，随着动臂强度要求越来越高，机械重量如何减轻也显得越来越重要，因此对挖掘机动臂进行结构分析、试验验证以及进一步优化，显得越来越迫切。1.4 对
30、课题的构思本文主要针对挖掘机动臂进行结构动力学分析，重点分析其刚度、强度、振型等是否满足设计要求。思路如下： （1）根据实物的结构尺寸，利用Pro-E软件建立有限元模型；（2）利用HyperMesh对模型进行合理的网格划分；（3）OptiStruct对有限元模型进行优化计算等，分析出动臂模型在典型工况下的应力应变情况；（4）进行结构分析，对动臂结构进行改进优化。使得动臂结构更加合理，适用，满足工作的基本要求。主要研究内容是对动臂在工作状态下进行结构动力学分析，以全面了解动臂结构在工作时的应力、应变水平分,结合计算得出的应力云图，位移云图和密度分布云图和实际得出结论。图1.1 WY22挖掘机论文
31、选取现代某型号挖掘机进行分析（如图1-2），其基本参数和工作参数见表1-1、表1-2。表1.1挖掘机工作参数名称数值动臂长度（mm）5964斗杆长度（mm）3044最大挖掘深度（mm）6915最大垂直挖掘深度（mm）6410最大挖掘高度（mm）9535最大卸载高度（mm）6615最小回转半径（mm）3730表1.2挖掘机基本参数名称数值额定功率（KW）126整机质量（KG）22000铲斗容量（m3）1.0第二章 优化软件的发展状况2.1 有限元概述有限元分析（FEM)也叫有限单元法，作为一种非常有效的数值方法，是机械设计工程师需要掌握的重要工具。经过几十年的发展，FEM从建模、求解到程序实现，
32、各方面取得了重大进展。并且随着计算机软硬件技术的提高和有限元分析软件的不断改进，FEM的分析功能、效率显著提高，使得其在结构工程中，FEM更是成为不可或缺的工具。目前，在工程结构和机械系统及其他各类工程问题的数字建模、分析、设计、仿真等各方面都发挥着非常重要的作用。随着市场竞争的加剧，产品更新周期愈来愈短，企业对新技术的需求更加迫切，而有限元数值模拟技术是提升产品质量、缩短设计周期、提高产品竞争力的一项有效手段，所以，随着计算机技术和计算方法的发展，有限元法在工程设计和科研领域得到了越来越广泛的重视和应用，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径，从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开
33、有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源和科学研究等各个领域，在工程实践中，有限元分析软件与CAD系统的集成应用使设计水平发生质的变化。80年代后，由于数值方法的发展和一些复杂工程问题数值求解的需要，逐渐出现 并形成了一些新的有限元处理方法。如自适应有限元方法、随机有限元方法、并行有限 元方法、智能型有限元方法、超级有限元方法等。这些先进思想方法的发展，逐步克服 了传统的FEM在物理建模、计算效率和分析精度等方面所存在的一些不足。2.1.1 有限元起源有限元法的基本思想最旱出现于20世纪40年代初期，但是直到1960年，美国的
34、 克拉夫在一篇论文中首次使用“有限元法”这个名词。在20世纪60年代末70年代初，有限单元法在理论上己基本成熟，并开始逐渐出现在商处化的有限元分析软件中。有限元法的出现和发展有着深刻的工程背景。20世纪4050年代，美、英等国的飞机制造业有了大幅度的发展，随着飞机结构的逐渐变化，准确地了解飞机的静态特性和动态特性越来越显得迫切，但是传统的设计分析方法己经不能满足设计的需要，因此工程设计人员便开始寻找一种更适合分析的方法，于是出现了有限单元法的思想。有限单元法就是用一种离散化的方法来描述数学表述中的连续体问题。根据离散的观念，将连续体划分若干小的单元，每一个单元中设定有限个节点，将连续体看作是只
35、在节点处相连接的一组单元的集合体；同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律；进而利用力学中的某些变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元法方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的有限自由度问题。一经求解就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数。图2.1有限元程序图由于单元可以设计成不同的几何形状，因此可以模拟和逼近复杂的求解域。显然，如果函插值数满足一定要求，随着单元数目的增加，解的精度会逐渐提高而最终收敛于问题的精确解。虽然从理论上说，无限制地增加单元的数目可以使数值分析解最终收敛于问题的
36、精确解，但是这却增加了计算机计算所耗费的时间。在实际工程应用中，只要所得的数据能够满足工程需要就足够了。2.1.2 有限元分析过程（1）结构的模型化通过合理的假设，将实际物体简化为对应的物理模型。将几何模型中的修饰部分去掉以简化有限元模型。从物理模型中抽象出数学模型，仍然需要作一些合理的假设，如假定材料的特性是线性的，平板是大而薄，梁是长而细等。经过简化后，用偏微方程来描述物理模型。将偏微方程离散为代数方程进行求解。在有限元分析中表现为将几何模型划分为若干个小单元，即进行单元格的划分。（2）模型的求解选择适当的插值函数以表达单元内的场变量的变化规律。应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和
37、位移的方程式，推导出单元的刚度矩阵。利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按照原来的结构重新连接起来，形成整体的单元方程 （2-1） 式中，为整体结构的刚度矩阵；为节点整体结构位移列阵；为整体结构的载荷列阵。利用已经求解出的量，计算一些未知的参数。（3）有限元解的解释评价及模型修改将有限元分析的结果与原问题的物理征联系起来，验证假设和结果的是否合理，一般有限元初解能够满足要求得可能性很小，通常需要根据检验结果及设计要求多次修改数值模型，以达到满意的结果。2.2 软件介绍2.2.1 HyperMesh简介HyperMesh是一个高质量高效率的有限元处理器，它提供了高度交互的可视化环境帮助用户建
38、立产品的有限元模型。其开放的架构提供了最广泛的CAD、CAE和CFD软件接口，并且支持用户自定义，从而可以与任何仿真环境无缝集成。 HyperMesh强大的几何清理功能可以用于修正几何模型中的错误，修改几何模型，从而提升建模效率；高质量高效率的网格划分技术可以完成全面的杆梁、板壳、四面体、六面体网格的自动和半自动划分，大大简化了对复杂几何进行仿真建模的过程；先进的网格变形技术允许用户直接更现有网格，实现新的设计，无需重构几何模型，提高设计开发效率；功能强大的模型树视图能应对各种大模型的要素显示和分级管理需要，特别适合复杂机械装备的整体精细化建模。 HyperMesh的这些特点大大提高了CAE建
39、模的效率和质量，从而缩短了设计周期。2.2.1 OptiStruct简介OptiStruct是卓越的一个有限元结构分析和优化软件，覆盖金属和复合材料，静态和动态，线性和非线性优化应用领域，支持全面的优化类型，包括概念设计阶段的拓扑优化、形貌优化和自由尺寸优化，以及详细的设计阶段尺寸优化、形状优化和自由优化。优化设计有三要素，即设计变量、目标函数和约束条件。设计变量是发生改变从而提高性能的一组参数；目标函数要求最优的设计性能，是关于设计变量的函数；约束条件是对设计的限制，是对设计变量和其他性能的要求。优化数学模型可表述为 （2-2） （2-3） （2-4） （2-5） 其中，是设计变量，如产品的
40、结构尺寸等；是设计目标，如各种力学性能或者重量；和是需要进行约束的设计响应，如对产品工作时的变形和应力水平进行约束。第三章 液压挖掘机工作原理和特点3.1 单斗液压挖掘机基本组成单斗液压挖掘机是一种采用液压传动并以铲斗进行挖掘作业的机械，液压单斗挖掘机的工作装置常用的有反铲、正铲、抓斗。单斗液压挖掘机是一种间隙循环作业的挖掘、装载施工机械，作业循环包括挖土装载、满载回转、卸土和空斗转回转四个过程。单斗液压挖掘机的总体结构包括动力装置、工作装置、回转机构、操纵机构、传动系统、行走机构和辅助设备等，如图3.1所示。常用的全回转式液压挖掘机的动力装置、传动系统主要部分、回转机构、辅助设备和驾驶室等都
41、安装在可回转的平台上，称为上部转台。因此称单斗液压挖掘机由工作装置、转台和走行装置三大部分组成。三大组成部分的各自构造、性能的综合效果决定了挖掘机的基本性能。1-柴油机；2-机罩；3-油泵；4-多路阀；5-油箱；6-回转减速器；7-回转马达；8-回转接头；9-驾驶室；10-动臂；11-动臂油缸；12-操纵台；13-边齿；14-斗齿；15-铲斗；16-斗杆油缸；17-斗杆；18-铲斗油缸；19-配重；20-转台；21-行走减速器；22-行走马达；23-托链轮；24-履带；-工作装置；-上部转台；-行走机构。图3.1单斗液压挖掘机构成图单斗挖掘机的作业方法：（1）正铲作业：正向开挖。 挖掘机前进方
42、向挖土，运输车辆停在其后，这种作业方法挖掘机的回转角度大，作业循环的时间长，适合开挖施工区域的入口、场地狭小的路堑沟槽等。如图3.2所示。侧面开挖法。挖掘机沿前进方向挖土，运输车辆位于侧面，其行驶方向与挖掘机路线平行，这种作业方法挖掘机的回转角度一般小于90，运输车的行驶方便，作业功效较好，但注意避免铲斗与运输车的相碰，如图3.3所示。 图3.2 正向开挖法 图3.3 侧面开挖法中心开挖法。先从挖土区宽度的中心开始挖掘，当向前挖至转角超过90时，就转向两侧开挖，汽车都按：“八”字形停车待装。这种方法挖掘机位移方便，平均转角可以保持在90以内，而且两侧均可以装车，有利于提高作业效率。（2） 反铲
43、作业：沟端开挖法。挖掘机从沟端开始倒退挖土，当开挖宽度小于有效挖掘半径的2倍时，运输车辆可停在沟侧，装车时动臂的回转角度小，约为45；当开挖宽度大于有效挖掘半径的2倍时，运输车辆需停在挖掘机后两侧，装车时动臂的回转角度仅为90。这种作业方式便于运输车辆的行驶，可连续工作，效率高。沟侧开挖法。挖掘机沿沟槽一侧直线行驶挖掘，运输车辆停于挖掘机的侧前方和侧面，回转角度一般小于90，这种作业方式可将土弃置于沟槽较远处。且循环时间短，但沟槽宽度不可太宽，机身稳定性差。拉铲作业。与反铲作业相似，只是弃土范围较大，但挖掘能力较小。3.2 工作装置的工作原理和基本组成3.2.1 工作装置简介挖掘机动臂是常用作
44、业反铲的主要部件，按其结构可分为整体式和组合式两种。整体式动臂。优点是结构简单，质量小，刚度大。缺点是通用性相对较差，作业方式相对单一。整体式动臂按其构造分为直动臂和变动臂。直动臂的特点是结构简单、质量较轻，但限制了挖掘机的挖掘深度；弯动臂相对于直动臂而言具有较大的挖掘深度，降低卸土高度。反铲挖掘机动臂的形状，一般来讲都是有一定的弯位的，这样能较好的针对停机面以下的土壤进行强行挖掘。正铲挖掘机却一般都是直的，这样也能更好地针对停机面以上的土壤进行强行挖掘符合挖掘机反铲作业的要求。组合式动臂(如图3.5所示)。组合式动臂通过螺栓、连杆和液压缸连接。尽管结构和操作复杂化，但是挖掘机作业过程中可以通
45、过调整上、下动臂之间的夹角，从而而提高挖掘机的作业性能。组合式动臂机动性强，互换工作装置多样性，能够满足各种作业需求。但其制造成高，悬臂组件质量大，多用于中、小型挖掘机。 1-下动臂；2-上动臂；3-连杆、液压缸；图3.5 组合式动臂3.3.2 挖掘机动臂的作业工况挖掘机长期工作在较为恶劣的环境下，随着中国经济的发展，对于挖掘机性能的要求越来越高。随着经济发展建设的步伐加快，对于挖掘机性能要求越来越高，传统上开山碎石釆用爆破方式，对于较大石块采用振动破碎头破碎，导致其动臂、小臂承受较大的振动疲劳载荷。开山劈石所用的振动破碎头（如图3.6)。挖掘机在山区修路的作业环境下，其工作对象往往是山坡上的
46、原生土、山石，作业方式是沟坡作业（如图3.7）。它的主要受力部件动臂、小臂在承受挖掘载荷的同时，还要承受来自于沟坡的侧向载荷, 因而要求主要受力部位的抗弯、抗扭的能力较强。图 3.6 装有震动碎碎头的挖掘机图 3.7挖掘机承受侧向载荷的作业环境3.3.3 挖掘机动臂的失效形式和部位掘挖机在沟坡作业、破碎山石时，其主要受力元件，承受着交变载荷，在挖掘时构件受载荷作用使得的内应力加大，卸载外力时使构件的内应力减小。导致主要受力元件在应力集中区产生裂纹，最终导致主要受力元件断裂失效，使整机无法工作，不仅造成经济损失，严重时还会造成安全事故。动臂的失效形式以断裂为主（如图3.8）,失效部位易发生在应力集中区，交叉焊缝处(如T形焊缝处)和结构截面突变部位。图3.8 挖掘机受力结构件的失效形式第四章 挖掘机动臂的三维建模4.1 建模前的处理本次论文使用的是Pro/E 5.0版作为建模的平台，根据所测量的数据及网上查询的资料进行动臂的三维建模。考虑到后续要用到HperWorks有限元分析软件，为了使网格划分顺利，应适当简化很细小的几何形体，如细微的倒角、斜面等，对分析结果影响很小。具体说明如下：（1）在建模过程中，将动臂作为一个单一的零件进行建模。方便后续的有限元分析。（2）动臂钢结构内部的加强筋要做打孔处理。以防止在做有限元应力分析时OptiStruct