基于UG的鉤臂車鉤臂的靜力學(xué)分析

牟江濤1 王斌2

MOU Jiang-tao et al

1. 山東五征集團(tuán)有限公司 山東日照 262306 2. 漢陽專用汽車研究所 湖北武漢 430056

基于UG的鉤臂車鉤臂的靜力學(xué)分析

牟江濤1 王斌2

MOU Jiang-tao et al

1. 山東五征集團(tuán)有限公司 山東日照 262306 2. 漢陽專用汽車研究所 湖北武漢 430056

為優(yōu)化鉤臂車鉤臂裝置的性能和質(zhì)量，采用UG軟件建立鉤臂裝置的數(shù)模，并對(duì)其進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析。通過簡化模擬鉤臂裝置的工作狀況，對(duì)其進(jìn)行受力分析，并根據(jù)鉤臂的材料屬性建立有限元分析模型，分析其變形和應(yīng)力分布情況，對(duì)鉤臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和安全工作提供了理論支持。

鉤臂裝置 UG軟件 有限元模型 應(yīng)力 應(yīng)變

1 前言

車廂可卸式垃圾車又稱為鉤臂式垃圾運(yùn)輸車，廣泛應(yīng)用于城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、街道、農(nóng)村、學(xué)校等生活垃圾的收集、轉(zhuǎn)運(yùn)和處理。其中，鉤臂裝置作為垃圾車的關(guān)鍵部件，其性能的好壞直接影響著整車的性能，因此，研究鉤臂裝置的性能，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的意義。

在UG NX系統(tǒng)的高級(jí)分析模塊中，可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)零部件的靜力學(xué)分析。UG的前處理功能比較強(qiáng)大，在高級(jí)分析模塊中可以直接轉(zhuǎn)化成有限元模型并對(duì)模型進(jìn)行簡化；與其他CAE軟件相比，此軟件不需要進(jìn)行模型的二次轉(zhuǎn)換，不僅可以提高工作效率，還可增加模型本身的正確率，為后續(xù)分析提供更加可靠的支持[1]。

本文以鉤臂車的鉤臂裝置為研究對(duì)象，利用UG軟件建立鉤臂裝置的靜力學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析，通過分析應(yīng)力、應(yīng)變的分布情況，不僅證明了結(jié)構(gòu)的可行性，也為相關(guān)設(shè)計(jì)工作提供了依據(jù)。

2 鉤臂的靜力學(xué)模型

鉤臂裝置是鉤臂車的重要組成部分，其中上端部分連接拉鉤，鉤起可移動(dòng)式垃圾箱，下端部分連接滑臂裝置，借助滑塊裝置實(shí)現(xiàn)滑移，從而調(diào)節(jié)鉤臂的長度實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾箱的掛接[2]。因此對(duì)鉤臂裝置進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到在不同工況下的應(yīng)力、應(yīng)變云圖，為其機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。圖1為鉤臂車的鉤臂模型。

圖1 鉤臂模型

3 前處理

在對(duì)模型進(jìn)行有限元分析前，需要對(duì)模型進(jìn)行簡化。經(jīng)過簡化后的模型有利于網(wǎng)格劃分，提高分析精度，縮短求解時(shí)間[3]。對(duì)模型簡化時(shí)應(yīng)遵循以下原則，保留原模型的關(guān)鍵特征和用戶認(rèn)為需要分析的特征，對(duì)一些外觀性的特征可以適當(dāng)進(jìn)行簡化，如小孔、圓角等。

由于鉤臂裝置本身是焊接而成，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分之前需要對(duì)焊縫進(jìn)行處理，在此模型中采用ID連接中節(jié)點(diǎn)的連接方式實(shí)現(xiàn)焊縫的處理，此過程比較麻煩，耗費(fèi)時(shí)間較長，這樣對(duì)焊縫進(jìn)行處理后，可以保證與原始模型焊接性能的相似性。

3.1 添加材料

在對(duì)模型進(jìn)行分析之前需要設(shè)置模型的材料。鉤臂裝置的材料為Q345B，厚度為8 mm，部分加強(qiáng)筋的厚度為6 mm。在高級(jí)仿真工具欄中的材料屬性中，指派零部件的材料屬性。材料指標(biāo)如表1所示。

表1 Q345B材料指標(biāo)

3.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元分析的關(guān)鍵步驟，網(wǎng)格劃分的好壞直接影響有限元分析的精度[4]。UG NX中網(wǎng)格類型包括零維網(wǎng)格、一維網(wǎng)格、二維網(wǎng)格、三維網(wǎng)格和連接網(wǎng)格五種類型。在本模型中大部分采用二維網(wǎng)格，對(duì)于關(guān)鍵部位采用三維網(wǎng)格進(jìn)行劃分。劃分完成之后的網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 鉤臂網(wǎng)格劃分

3.3 添加約束和載荷

模擬鉤臂的運(yùn)行工況，設(shè)置約束條件。在此文中主要分析鉤臂運(yùn)行狀態(tài)的極限位置。對(duì)鉤臂進(jìn)行整體分析時(shí)，在鉤臂下端部分選擇固定約束命令對(duì)其自由度進(jìn)行約束，如圖3所示。根據(jù)鉤臂的鉤心高度，鉤臂裝置運(yùn)行至極限狀態(tài)時(shí)，此時(shí)受到最大的力與力矩，以及力的作用點(diǎn)，對(duì)其添加載荷。約束與載荷添加完成之后對(duì)其進(jìn)行求解。

圖3 鉤臂固定約束

4 靜力學(xué)求解結(jié)果分析

在有限元模型的前處理工作完成后，利用求解器中相應(yīng)的結(jié)算類型，進(jìn)行后處理工作。在U G N X中利用N X NASTRAN求解器進(jìn)行相應(yīng)的求解。在本文中，為了更好地了解鉤臂裝置的受力情況，對(duì)其進(jìn)行十階模態(tài)分析，可從各階模態(tài)分析中清楚了解鉤臂的應(yīng)力、應(yīng)變的趨勢，可以更好地為后續(xù)鉤臂裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論依據(jù)[5-6]。圖4～7為某階模態(tài)下的位移-節(jié)點(diǎn)、旋轉(zhuǎn)-節(jié)點(diǎn)、應(yīng)力-單元、應(yīng)力-單元-節(jié)點(diǎn)的云圖。通過各階模態(tài)下的應(yīng)力、應(yīng)變情況分析，此工況下的應(yīng)力、應(yīng)變均在符合要求的范圍之內(nèi)。

圖4 位移-節(jié)點(diǎn)云圖

圖5 旋轉(zhuǎn)-節(jié)點(diǎn)云圖

圖6 應(yīng)力-單元云圖

圖7 應(yīng)力-單元-節(jié)點(diǎn)云圖

求解結(jié)構(gòu)完成之后，可利用UG NX自帶的動(dòng)畫功能顯示模型的變化情況，以便更好地可視化三維模型，并顯示相應(yīng)特定結(jié)算方案。圖8為利用動(dòng)畫顯示某階模態(tài)下的應(yīng)力變化狀態(tài)，可以通過設(shè)置幀數(shù)調(diào)節(jié)播放的速度，觀察應(yīng)力的變化趨勢。

5 結(jié)語

通過UG NX軟件對(duì)鉤臂裝置進(jìn)行分析，得出應(yīng)力、應(yīng)變云圖。從而可知，鉤臂裝置在達(dá)到極限工況時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變均在允許的范圍內(nèi)。通過分析可以準(zhǔn)確快速得出產(chǎn)品的應(yīng)力、應(yīng)變等情況，為產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

圖8 動(dòng)畫狀態(tài)下的應(yīng)變云圖

[1]石超,楊然兵,尚書旗.基于UG的花生收獲機(jī)挖掘裝置有限元靜力學(xué)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015(01):18-21.

[2]朱冰,李偉,任淑燕,王凱.基于Optistruct的拉臂穩(wěn)定裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].專用汽車,2016(03):85-88.

[3]侯惠敏,蔣鵬,孫國強(qiáng)等. 250 mm伺服驅(qū)動(dòng)輥鍛機(jī)鍛輥有限元靜力學(xué)分析[J].鍛壓技術(shù),2016(05):101-105.

[4]鄭正,雷君相,羅宇舟.基于ANSYS對(duì)塑料齒輪的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2010(05):163-166.

[5]樊炳輝,焦浩,賈娜.基于Ansys WorkBench的排爆機(jī)器人機(jī)械手靜力學(xué)分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2014(04):34-36.

[6]姜振廷,鄭忠才,董旭.基于ANSYS WORKBENCH的六自由度機(jī)械臂有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2014(01):109-110+123.

Statics Analysis for Hook Arm Device Based on UG

In order to optimize the hook arm device performance and quality, a hook arm device was established by UG software, and also carried on the finite element statics analysis. By simplifying the working condition of hook arm device, having force analysis, and based on the material properties of the hook arm, finite element analysis model was established, and also having analysis of its deformation and stress distribution, which providing the theory support and security work for the structure optimization of hook arm.

hook arm device; UG; finite element; stress; deformation

U469.6+91.03

A

1004-0226(2017)08-0106-03

牟江濤，男，1979年生，工程師，主要從事專用車研發(fā)設(shè)計(jì)工作。

2017-05-30