機械料斗的結構整合論文

機械料斗的結構整合論文

　　引言

　　料斗是工程機械中常用的一種儲料裝置，廣泛應用在建筑、冶金、采礦等行業(yè)的機械設備當中。雖然在不同的工況下料斗結構、功能會(huì )有一些區別，但是從力學(xué)模型上看，則具有很大的相似性，都是薄壁鋼板類(lèi)型的力學(xué)問(wèn)題。由于這類(lèi)問(wèn)題不屬于材料力學(xué)中的典型力學(xué)模型，因此其設計校核過(guò)程比較復雜。工程中較多的利用試湊法和實(shí)驗法來(lái)進(jìn)行相關(guān)設計，計算過(guò)程繁瑣同時(shí)精度也不高。隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，有限元技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，也逐漸從大學(xué)和研究所的實(shí)驗室逐走進(jìn)了企業(yè)研發(fā)第一線(xiàn)。本文就介紹了基于有限元技術(shù)實(shí)現對某款筑路機械料斗結構分析和優(yōu)化的思路和方法。

　　1有限單元法的數學(xué)原理

　　如圖1所示，這一款集成式的筑路機械繼承了加熱、混合、下料等功能，主要是用作對路面病害的及時(shí)修補。從該機械的使用目的可以看出，其外出作業(yè)時(shí)必須能同時(shí)攜帶足量的石子骨料、乳化瀝青等物料。其中石子骨料就是由料斗承裝。為了保證安全，就基于有限元技術(shù)展開(kāi)對該料斗的精確分析。有限元法是基于數值計算方法求得工程問(wèn)題近似解的一種現代設計方法。該方法的基本思路如下：先把連續幾何體離散成有限個(gè)單元，每個(gè)單元設定有限個(gè)節點(diǎn)，這些單元在節點(diǎn)上彼此聯(lián)結，每一單元所受的力都按靜力等效原則移置到節點(diǎn)上，成為節點(diǎn)荷載，選定場(chǎng)函數節點(diǎn)值作為未知量，在力學(xué)分析中常取節點(diǎn)的位移分量{δ}為基本未知量。再建立單元中應力與節點(diǎn)位移的關(guān)系，具體步驟為：先利用彈性力學(xué)的幾何方程寫(xiě)出單元應變與節點(diǎn)位移的關(guān)系矩陣，稱(chēng)應變矩陣[Β]，即：{ε}=[B]{δ}（1）由材料的本構關(guān)系可以得到單元彈性矩陣，由此可得單元應力表達式：{σ}=[D]{ε}=[D][B]{δ}=[S]{δ}（2）其中，[S]=[D][B]（3）[S]即為應力轉換矩陣。然后根據節點(diǎn)平衡求得單元節點(diǎn)力與節點(diǎn)位移的關(guān)系，由剛度矩陣[k]表示。根據虛功原理或最小勢能原理可得節點(diǎn)力{F}的表達式：{F}=蓓[B]T[D][B]dxdeydz{δ}=[k]{δ}（4）其中，單元剛度矩陣：[k]=蓓[B]T[D][B]dxdeydz=[B]T[D][B]V（5）再經(jīng)逐個(gè)單元逐個(gè)節點(diǎn)疊加其貢獻予以集合后，生成結構剛度矩陣[K]、荷載{F}和結構節點(diǎn)位移{δ}，并利用平衡條件建立表達結構的力-位移的關(guān)系式：[K]{δ}={F}（6）考慮幾何邊界條件作適當修改后，利用式（6）和已求出的節點(diǎn)位移計算各個(gè)單元的應力，最后經(jīng)后處理軟件整理、顯示計算結果。

　　2對料斗的初步分析

　　對料斗有限元分析的前處理工作主要有幾何建模、劃分網(wǎng)格、確定材料物性參數、施加載荷和約束等步驟。本文選擇的分析軟件是ANSYS。第一步是建立幾何模型，由于A(yíng)NSYS的建模功能使用不是很方便，可以借助專(zhuān)業(yè)的三維設計軟件UG建模，再通過(guò)數據接口將模型導入ANSYS，如圖2（a）所示。需要說(shuō)明的是：由于料斗底部下料口偏置，使得料斗兩邊的斜壁傾斜角不一樣，為了保證石子能夠順利下料，需保證傾斜角大于40°，因此在傾斜角不夠40°的那一邊增加一個(gè)便于導流的鋼板，如圖2（b）所示。第二步是劃分網(wǎng)格。在本例分析中采用的是solid92這種四面體網(wǎng)格，這種網(wǎng)格具有很好的適應性。經(jīng)過(guò)ANSYS前處理的自動(dòng)劃分，共劃分得到95272個(gè)節點(diǎn)，如圖2（c）所示。第三步是施加載荷。為了簡(jiǎn)化分析工作同時(shí)保證安全，料斗的載荷類(lèi)型近似按照水壓的載荷去考慮，如圖2（d）所示。這種載荷的特點(diǎn)就是載荷的方向始終垂直于加載面，而且載荷的大小隨x軸距離的增加線(xiàn)性增大，其滿(mǎn)足的規律為：p（x）=gx（7）其中：記為石子骨料的密度。這樣的加載方式是最接近料斗的真實(shí)承載情況，同時(shí)也比真實(shí)承載的情況要稍大一些，能保證分析結果安全可靠。第四步是對料斗模型施加約束。由于料斗是通過(guò)支撐板與底架進(jìn)行焊接連接，因此支撐板的底面可以認為是參考基準，所以只要約束支撐板底面多有的自由度即可。最后確定材料的常數。選用性?xún)r(jià)比較好，焊接性能也較優(yōu)良的A3鋼，本次結構分析需要用的到參數主要有兩個(gè)，即金屬楊氏模量，取值2e11N/m2；泊松比，取值為0.3。以上即完成前處理工作，就可以進(jìn)行解算。經(jīng)過(guò)ANSYS計算再由軟件通用后處理模塊的處理就可以看到最終的結果文件。后處理提供了包括位移、應力、應變、應變能等多項結果。在所有的計算結果中，最需要關(guān)注的有兩個(gè)，一個(gè)是變形，一個(gè)是應力。變形量和應力是判斷設計方案是否滿(mǎn)足剛度強度標準和剛度標準的最直接的判斷依據。通過(guò)圖3可以看出該料斗在滿(mǎn)載時(shí)的分析結果。圖3（a）所示的是料斗外圍鋼板應力分布情況，可以清楚看到在鋼板的邊緣處應力最大。這是由于料斗承受載荷較大，加之鋼板連接部分幾何結構突變造成一定程度的應力集中，最大應力已經(jīng)高達303Mpa，這已經(jīng)超過(guò)了A3鋼材料的屈服極限235Mpa。圖3（b）所反映的是料斗內部的應力分布情況，也可以直觀(guān)的看到導流板的邊緣應力很高，也達到了200Mpa。這是由于導流板上承受的載荷實(shí)際上是由焊接部分的焊縫來(lái)承擔。因此可以得出結論，這個(gè)料斗不能滿(mǎn)足強度要求。接下來(lái)再通過(guò)觀(guān)察料斗節點(diǎn)的位移云圖來(lái)分析變形情況。圖3（c）反映的是料斗外圍鋼板的變形。其中最大變形的區域是側面鋼板上邊緣的中間。這個(gè)區域是結構受約束最少的地方，也就是結構最薄弱的區域，因此最大變形出現在該區域是合情合理的。該區域的最大變形高達64mm，這個(gè)變形量已經(jīng)十分可觀(guān)了，超過(guò)該料斗在這個(gè)方向上總尺寸的3%。根據圖3（d）也可以看到在導流板的中部區域也是變形較大的地方，變形量也在20mm左右。這是因為導流板完全是靠其邊緣與周?chē)�鋼板焊接的焊縫來(lái)固定的，中間完全是懸空的，所以結果剛度較差�？傊�通過(guò)對料斗變形的分析，可以得出結論：變形量太大，剛度要求也不能滿(mǎn)足。

　　3對料斗的結構優(yōu)化

　　針對原方案中有問(wèn)題的區域采取以下改進(jìn)措施。首先是料斗口部由于僅靠邊緣的焊縫固定，使得結構剛度性能和強度性能都不高，因此可以采用角鋼和扁鋼來(lái)強化這個(gè)結構。即沿料斗口部固定一圈角鋼，并且在中間結構剛度最差的地方用扁鋼連接，通過(guò)增加結構約束提高結構的剛度，如圖4（a）所示。針對于原設計方案中導流板僅靠周?chē)�的焊縫固定使得結構剛度較差的情況，改進(jìn)方案中在導流板與底板之間加設三片加強筋，以起到增加約束提高結構剛度的目的，如圖4（b）所示。對原設計方案進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化之后，還需要再次進(jìn)行分析，以確認改進(jìn)方案是否能滿(mǎn)足使用要求。對改進(jìn)方案的分析過(guò)程與前面的分析過(guò)程完全一樣，惟一有所區別的是網(wǎng)格的劃分。由于多了一些結構，同樣采用的是solid92這種四面體網(wǎng)格，共劃分得到102512個(gè)節點(diǎn)。需要說(shuō)明的是新增加的結構均為焊接聯(lián)結。但是為了簡(jiǎn)化分析工作，同時(shí)考慮到焊接也不是分析的主要矛盾，因此可以采取整體處理法，即作為一個(gè)整體的模型劃分網(wǎng)格。經(jīng)過(guò)解算可以得到料斗改進(jìn)設計方案的分析結果，如圖5（a）所示，料斗改進(jìn)方案外部鋼板的應力的分布已經(jīng)比原方案要均勻多了，雖然邊緣的應力仍然較大，但是已經(jīng)降到了95Mpa以下。最大應力的位置現在是出現在料斗底部與支撐板的連接處，為142Mpa。從圖5（b）中可以看到改進(jìn)方案中導流板下設置的三片加強筋已經(jīng)已到了支持的作用，導流板邊緣焊縫處的最大應力降到了47.8Mpa，導流板整體的應力分布也更加均勻。相比較另一側的斜板焊縫的應力顯得要大些，但最高也不超過(guò)95Mpa。因此可以看出料斗改進(jìn)方案的最大應力也遠低于材料的屈服極限，因此改進(jìn)方案滿(mǎn)足了結構的強度要求。接下來(lái)考慮料斗改進(jìn)方案的變形情況。在圖5（c）中可以看到料斗改進(jìn)方案中由于增加了角鋼和扁鋼來(lái)強化結構，原方案中結構剛度較差的區域都被大大的強化。在原方案中變形量超過(guò)60mm的區域在改進(jìn)方案中變形量?jì)H為1mm左右。相比這個(gè)區域，料斗的喇叭口邊緣的變形就比較大，但變形量也僅為5mm左右，這個(gè)變形量與其總體尺寸比較，相對變形量還不到0.3%，這樣就大大提高了料斗的剛度。另外從圖5（d）中可以看到，改進(jìn)方案中導流板下的加強筋已經(jīng)充分的起到強化結構的作用，這一區域的最大變形量不超過(guò)2mm。而在原方案中，這個(gè)變形量是超過(guò)40mm。最后可以看到改進(jìn)方案已經(jīng)能夠充分的保證強度要求和剛度要求，是能夠滿(mǎn)足安全性能要求的。因此可見(jiàn)通過(guò)有限元分析有效的實(shí)現了料斗結構優(yōu)化。

　　4結束語(yǔ)

　　本文基于有限元技術(shù)對一款料斗進(jìn)行了精確的結構分析，通過(guò)分析結果可以發(fā)現該料斗具有強度和剛度不足的問(wèn)題。采取針對性的措施加以改進(jìn)優(yōu)化，并再次通過(guò)有限元分析，驗證了改進(jìn)后的產(chǎn)品具有足夠的安全性。由此可見(jiàn)有限元技術(shù)能夠有效的幫助工程技術(shù)人員提高工作效率和產(chǎn)品可靠性。

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