基于LS－DYNA的挖掘機工作裝置應力仿真分析

孫志星

（山西交通職業(yè)技術學院 工程機械系，山西 太原 030031）

0 引言

隨著社會的飛速發(fā)展，工程機械的運用也越來越廣泛，在諸多工程機械中，液壓挖掘機的應用尤為廣泛。挖掘機主要用于筑路工程中的溝壕開挖、建筑工程中的地基開挖、露天礦山的礦石開采等，據統(tǒng)計，工程施工中約65%的土石方作業(yè)是靠挖掘機完成的。除此之外，挖掘機更換工作裝置后還可以進行打樁、破碎等作業(yè)［1］。因此，研究挖掘機的綜合性能特別是安全性能就顯得尤為重要。

在模擬分析軟件方面，LS－DYNA以其強大的仿真功能和完善的模型材料庫，在眾多分析軟件中脫穎而出［2］。現在的顯式動力分析軟件LS－DYNA已被應用于很多復雜的工程問題模擬試驗中，如機械結構中的齒輪受力分析，汽車整車碰撞受力分析，甚至是軍事上的子彈穿透障礙物的情形分析。顯式動力分析軟件LS－DYNA對于一些復雜機械結構的受力分析結果極其接近真實值，且與真實試驗相比，可以大大降低人力、物力和財力的投入。

針對液壓挖掘機的實際工作情況，本文對挖掘機工作負載接近最大載荷時其工作裝置各部件所受載荷進行分析，所得結果對液壓挖掘機的研發(fā)、設計、生產具有一定的實際指導意義。

1 分析前處理準備

在進行仿真試驗之前，我們首先要建立液壓挖掘機的模型，由于Pro／E大型建模軟件具有良好的參數化性能，而且可以實現和LS－DYNA軟件的無縫鏈接，所以我們采用Pr o／E建立模型，然后將在Pr o／E中建好的模型導入LS－DYNA中進行仿真分析。圖1為在Pr o／E中建立的液壓挖掘機模型。

1.1 模型網格的劃分

將Pro／E中建好的液壓挖掘機模型導入LSDYNA中，之后對仿真模型進行網格劃分。顯式動力分析軟件LS－DYNA中對仿真模型的劃分主要考慮模型屬精密分析的零部件還是大型機械設備，對于精密分析的零部件，網格劃分的精度要求就相對高一些，而對于大型機械設備，我們要同時考慮到計算精度與計算速度兩方面的問題，既要保證分析計算的結果準確，又要保證計算的速度。對于本文的大型液壓挖掘機模型，我們在結構復雜處將網格控制在4 mm，其他部分設置為6 mm，整個仿真模型約有200萬個單元，網格劃分后的部分模型（工作部分）如圖2所示。

圖1 Pro／E中建立的液壓挖掘機仿真模型

圖2 網格劃分后的部分模型

1.2 處理模擬焊點

焊點焊縫是機械設備結構上的特殊部分，在仿真計算分析中良好合理地處理好焊點的設置對于計算分析尤為重要。本文對于液壓挖掘機仿真模型的焊點采用LS－DYNA中的模擬焊點，其中焊點直徑選擇2 mm。

1.3 處理單元

在LS－DYNA模擬試驗中，對于挖掘機整體結構選用5點積分；如果在液壓挖掘機仿真模型中部分PART的厚度≥4 mm，則要選用9個點。

1.4 處理仿真模型材料

在LS－DYNA仿真模擬試驗中，對模型材料的選擇非常重要，應盡量選用和真實材料完全相符的或接近真實材料的模擬材料。LS－DYNA中幾乎涵蓋了工業(yè)當中所有常用的材料，本文中我們對于液壓挖掘機的車體選用32號模擬材料，對于液壓挖掘機的大臂、小臂選用37號模擬材料，對于鏟斗選用34號材料，對于發(fā)動機、平衡重等在仿真試驗中不影響分析結果的部分，我們均采用理想剛體進行模擬。

2 仿真模型設置

2.1 液壓挖掘機大、小臂的設置

本試驗的仿真模擬對象是小松PC200－8液壓挖掘機，其大臂、小臂采用的材料為錳鋼，在LS－DYNA中具有錳鋼模擬材料，故保證了我們仿真模擬的參考價值。

2.2 液壓挖掘機鏟斗的設置

小松PC200－8液壓挖掘機鏟斗的易損部位齒座板和側刃板材料選用優(yōu)質高強度耐磨鋼NM360，在本文的模擬試驗中，對齒座板和側刃板材料選用35號模擬材料進行仿真。

3 設定仿真模型的接觸類型

在液壓挖掘機實際工作中，其工作對象多種多樣，如土方、礦石等等，在模擬分析試驗中我們要充分考慮到鏟斗與物料的接觸，本文為避免干涉滲透從而影響分析計算結果，按以下方式設置或選擇相關接觸：

（1）在用顯式動力分析軟件模擬挖掘機實際工作的試驗中，90%的接觸類型我們選用Automatic類型，因為這種接觸可以應對不同物料與鏟斗間不可預知的接觸狀況。

（2）用Tie接觸來定義液壓挖掘機常規(guī)構件的接觸，如動臂液壓缸與動臂之間的接觸、小臂與鏟斗之間的接觸等。

4 整體模型求解仿真

利用顯式動力分析軟件LS－DYNA進行模擬試驗，模擬液壓挖掘機的實際工況為其在挖掘露天鐵礦石時的工作情形，挖掘機回轉角度不超過60°，我們主要分析液壓挖掘機的大臂、小臂、鏟斗在挖掘過程中所受的動態(tài)應力。

5 分析仿真結果

在本文的試驗中，我們充分考慮了液壓挖掘機在挖掘過程中各種能量的變化，其中包括作業(yè)過程中的內能、動能以及分析能量誤差的沙漏能等；在液壓挖掘機挖掘礦石過程中，我們可以觀察到挖掘機的動能逐漸減小，內能逐漸增大，在整個模擬作業(yè)過程中沙漏能只占到總能量的0.8%，沙漏能微小可以充分說明我們模擬試驗的可靠性與準確性，模擬試驗所得數據對液壓挖掘機的研發(fā)設計具有一定的指導意義。

通過模擬試驗我們可以測出液壓挖掘機在工作過程中其工作裝置各機構所受的應力的具體數據，如大臂、小臂、鏟斗甚至是斗齒等小部件上所受的應力，用LS－DYNA模擬仿真測得的試驗數據符合經驗值，但比經驗值精確。

6 結論

本文的仿真模擬試驗利用了Pro／E軟件良好的建模功能和LS－DYNA良好的動態(tài)應力分析功能，并有機地使兩大軟件結合起來，在仿真分析過程中充分考慮了挖掘機工作裝置各結構部件的實際參數，動態(tài)分析所得結果比以往的靜態(tài)分析更加具有實際的參考意義。

［1］ 張鐵.液壓挖掘機結構原理及使用［M］.東營：中國石油大學出版社，2010.

［2］ 高陽宏，李燁凡.LS－DYNA應用技術 ［M］.北京：人民交通出版社，2011.