機械料斗的結(jié)構(gòu)整合

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0引言

料斗是工程機械中常用的一種儲料裝置，廣泛應(yīng)用在建筑、冶金、采礦等行業(yè)的機械設(shè)備當(dāng)中。雖然在不同的工況下料斗結(jié)構(gòu)、功能會有一些區(qū)別，但是從力學(xué)模型上看，則具有很大的相似性，都是薄壁鋼板類型的力學(xué)問題。由于這類問題不屬于材料力學(xué)中的典型力學(xué)模型，因此其設(shè)計校核過程比較復(fù)雜。工程中較多的利用試湊法和實驗法來進(jìn)行相關(guān)設(shè)計，計算過程繁瑣同時精度也不高。隨著計算機技術(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)和研究所的實驗室逐走進(jìn)了企業(yè)研發(fā)第一線。本文就介紹了基于有限元技術(shù)實現(xiàn)對某款筑路機械料斗結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化的思路和方法。

1有限單元法的數(shù)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修補。從該機械的使用目的可以看出，其外出作業(yè)時必須能同時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)展開對該料斗的精確分析。有限元法是基于數(shù)值計算方法求得工程問題近似解的一種現(xiàn)代設(shè)計方法。該方法的基本思路如下：先把連續(xù)幾何體離散成有限個單元，每個單元設(shè)定有限個節(jié)點，這些單元在節(jié)點上彼此聯(lián)結(jié)，每一單元所受的力都按靜力等效原則移置到節(jié)點上，成為節(jié)點荷載，選定場函數(shù)節(jié)點值作為未知量，在力學(xué)分析中常取節(jié)點的位移分量{δ}為基本未知量。再建立單元中應(yīng)力與節(jié)點位移的關(guān)系，具體步驟為：先利用彈性力學(xué)的幾何方程寫出單元應(yīng)變與節(jié)點位移的關(guān)系矩陣，稱應(yīng)變矩陣[Β]，即：{ε}=[B]{δ}（1）由材料的本構(gòu)關(guān)系可以得到單元彈性矩陣，由此可得單元應(yīng)力表達(dá)式：{σ}=[D]{ε}=[D][B]{δ}=[S]{δ}（2）其中，[S]=[D][B]（3）[S]即為應(yīng)力轉(zhuǎn)換矩陣。然后根據(jù)節(jié)點平衡求得單元節(jié)點力與節(jié)點位移的關(guān)系，由剛度矩陣[k]表示。根據(jù)虛功原理或最小勢能原理可得節(jié)點力{F}的表達(dá)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)逐個單元逐個節(jié)點疊加其貢獻(xiàn)予以集合后，生成結(jié)構(gòu)剛度矩陣[K]、荷載{F}和結(jié)構(gòu)節(jié)點位移{δ}，并利用平衡條件建立表達(dá)結(jié)構(gòu)的力-位移的關(guān)系式：[K]{δ}={F}（6）考慮幾何邊界條件作適當(dāng)修改后，利用式（6）和已求出的節(jié)點位移計算各個單元的應(yīng)力，最后經(jīng)后處理軟件整理、顯示計算結(jié)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(shù)、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ANSYS的建模功能使用不是很方便，可以借助專業(yè)的三維設(shè)計軟件UG建模，再通過數(shù)據(jù)接口將模型導(dǎo)入ANSYS，如圖2（a）所示。需要說明的是：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°的那一邊增加一個便于導(dǎo)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(yīng)性。經(jīng)過ANSYS前處理的自動劃分，共劃分得到95272個節(jié)點，如圖2（c）所示。第三步是施加載荷。為了簡化分析工作同時保證安全，料斗的載荷類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軸距離的增加線性增大，其滿足的規(guī)律為：p（x）=ρgx（7）其中：ρ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承載情況，同時也比真實承載的情況要稍大一些，能保證分析結(jié)果安全可靠。第四步是對料斗模型施加約束。由于料斗是通過支撐板與底架進(jìn)行焊接連接，因此支撐板的底面可以認(rèn)為是參考基準(zhǔn)，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(shù)。選用性價比較好，焊接性能也較優(yōu)良的A3鋼，本次結(jié)構(gòu)分析需要用的到參數(shù)主要有兩個，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(jié)果文件。后處理提供了包括位移、應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變能等多項結(jié)果。在所有的計算結(jié)果中，最需要關(guān)注的有兩個，一個是變形，一個是應(yīng)力。變形量和應(yīng)力是判斷設(shè)計方案是否滿足剛度強度標(biāo)準(zhǔn)和剛度標(biāo)準(zhǔn)的最直接的判斷依據(jù)。通過圖3可以看出該料斗在滿載時的分析結(jié)果。圖3（a）所示的是料斗外圍鋼板應(yīng)力分布情況，可以清楚看到在鋼板的邊緣處應(yīng)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(jié)構(gòu)突變造成一定程度的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力已經(jīng)高達(dá)303Mpa，這已經(jīng)超過了A3鋼材料的屈服極限235Mpa。圖3（b）所反映的是料斗內(nèi)部的應(yīng)力分布情況，也可以直觀的看到導(dǎo)流板的邊緣應(yīng)力很高，也達(dá)到了200Mpa。這是由于導(dǎo)流板上承受的載荷實際上是由焊接部分的焊縫來承擔(dān)。因此可以得出結(jié)論，這個料斗不能滿足強度要求。接下來再通過觀察料斗節(jié)點的位移云圖來分析變形情況。圖3（c）反映的是料斗外圍鋼板的變形。其中最大變形的區(qū)域是側(cè)面鋼板上邊緣的中間。這個區(qū)域是結(jié)構(gòu)受約束最少的地方，也就是結(jié)構(gòu)最薄弱的區(qū)域，因此最大變形出現(xiàn)在該區(qū)域是合情合理的。該區(qū)域的最大變形高達(dá)64mm，這個變形量已經(jīng)十分可觀了，超過該料斗在這個方向上總尺寸的3%。根據(jù)圖3（d）也可以看到在導(dǎo)流板的中部區(qū)域也是變形較大的地方，變形量也在20mm左右。這是因為導(dǎo)流板完全是靠其邊緣與周圍鋼板焊接的焊縫來固定的，中間完全是懸空的，所以結(jié)果剛度較差?？傊ㄟ^對料斗變形的分析，可以得出結(jié)論：變形量太大，剛度要求也不能滿足。

3對料斗的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對原方案中有問題的區(qū)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(jié)構(gòu)剛度性能和強度性能都不高，因此可以采用角鋼和扁鋼來強化這個結(jié)構(gòu)。即沿料斗口部固定一圈角鋼，并且在中間結(jié)構(gòu)剛度最差的地方用扁鋼連接，通過增加結(jié)構(gòu)約束提高結(jié)構(gòu)的剛度，如圖4（a）所示。針對于原設(shè)計方案中導(dǎo)流板僅靠周圍的焊縫固定使得結(jié)構(gòu)剛度較差的情況，改進(jìn)方案中在導(dǎo)流板與底板之間加設(shè)三片加強筋，以起到增加約束提高結(jié)構(gòu)剛度的目的，如圖4（b）所示。對原設(shè)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(rèn)改進(jìn)方案是否能滿足使用要求。對改進(jìn)方案的分析過程與前面的分析過程完全一樣，惟一有所區(qū)別的是網(wǎng)格的劃分。由于多了一些結(jié)構(gòu)，同樣采用的是solid92這種四面體網(wǎng)格，共劃分得到102512個節(jié)點。需要說明的是新增加的結(jié)構(gòu)均為焊接聯(lián)結(jié)。但是為了簡化分析工作，同時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，即作為一個整體的模型劃分網(wǎng)格。經(jīng)過解算可以得到料斗改進(jìn)設(shè)計方案的分析結(jié)果，如圖5（a）所示，料斗改進(jìn)方案外部鋼板的應(yīng)力的分布已經(jīng)比原方案要均勻多了，雖然邊緣的應(yīng)力仍然較大，但是已經(jīng)降到了95Mpa以下。最大應(yīng)力的位置現(xiàn)在是出現(xiàn)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(dǎo)流板下設(shè)置的三片加強筋已經(jīng)已到了支持的作用，導(dǎo)流板邊緣焊縫處的最大應(yīng)力降到了47.8Mpa，導(dǎo)流板整體的應(yīng)力分布也更加均勻。相比較另一側(cè)的斜板焊縫的應(yīng)力顯得要大些，但最高也不超過95Mpa。因此可以看出料斗改進(jìn)方案的最大應(yīng)力也遠(yuǎn)低于材料的屈服極限，因此改進(jìn)方案滿足了結(jié)構(gòu)的強度要求。接下來考慮料斗改進(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強化結(jié)構(gòu)，原方案中結(jié)構(gòu)剛度較差的區(qū)域都被大大的強化。在原方案中變形量超過60mm的區(qū)域在改進(jìn)方案中變形量僅為1mm左右。相比這個區(qū)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(dǎo)流板下的加強筋已經(jīng)充分的起到強化結(jié)構(gòu)的作用，這一區(qū)域的最大變形量不超過2mm。而在原方案中，這個變形量是超過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，是能夠滿足安全性能要求的。因此可見通過有限元分析有效的實現(xiàn)了料斗結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

4結(jié)束語

本文基于有限元技術(shù)對一款料斗進(jìn)行了精確的結(jié)構(gòu)分析，通過分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)該料斗具有強度和剛度不足的問題。采取針對性的措施加以改進(jìn)優(yōu)化，并再次通過有限元分析，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。