一种推土机推杆的有限元分析方法与流程

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一种推土机推杆的有限元分析方法与流程

本发明涉及推土机结构分析方法技术领域,具体涉及一种推土机推杆的有限元分析方法



背景技术:

推土机作业环境较为恶劣,其设计参数一般都能满足正常工况,但用户操作不当或者遇到恶劣工况,工作装置的薄弱部位就会损坏,推杆焊缝处开焊是相对较容易发生的。为了使产品性能更加稳定,对这些恶劣工况进行有限元模拟分析,将薄弱部位避开应力较大区域。

在整个的推杆有限元分析流程中,约束方式对分析结果有很大的影响。单个推杆的实际约束为3个转动副:推杆-铲刀转动副,推杆-倾斜油缸转动副,推杆-斜支撑转动副;1个球铰副:推杆-台车球铰副。目前,对推杆有限元模型添加约束时,多数按照实际约束方式对有限元模型添加约束,但经过对照推杆的实际开焊或损坏位置及测试数据,这种约束方式下的有限元分析结果与实际偏差较大。此外,推杆在每种工况下,相对于其他部件的位置和姿态有所不同,如果按照实际约束方式约束有限元模型,就需要将与推杆相关的部件同时导入有限元环境,才能模拟分析不同的工况,这就需要多次处理模型及划分网格,重复性工作大,效率低。



技术实现要素:

本发明的目的是提出一种推土机结构分析方法,解决了现有的推杆有限元分析结果与实际偏差较大、分析效率较低等问题。

为达此目的,本发明采用以下技术方案:

一种推土机结构分析方法:利用等效单元模拟有限元模型中的液压缸和斜支撑;三维模型中的所述液压缸和所述斜支撑的铰点位置分别经坐标变换,转化为有限元模型中所述等效单元的其中一个节点位置;有限元模型中所述等效单元的一个节点位置相对不变,移动另一个节点位置,进行推杆不同工况下的有限元分析。

作为本发明的一个优选方案,所述等效单元为两个弹簧单元,两个所述弹簧单元分别模拟有限元模型中的所述液压缸和所述斜支撑。

作为本发明的一个优选方案,所述方法具体包括下述步骤:

步骤s1、建立三维cad模型;

步骤s2、将已建立的模型进行模型校核;

步骤s3、使校核后的模型运动至预设位置;

步骤s4、将所述步骤s3中获得的模型导入有限元工作环境中;

步骤s5、定义材料参数、模型处理并划分网格;

步骤s6、施加约束;

步骤s7、建立弹簧单元并添加载荷;

步骤s8、有限元分析及数据处理。

作为本发明的一个优选方案,所述弹簧单元的参数包括刚度k和阻尼系数cv;所述刚度k由等效刚度keq决定,所述阻尼系数cv为常数;

其中,a为斜支撑和液压缸平均横截面积;e为弹性模量;l为斜支撑或液压缸两端铰点长度,由两个节点位置置决定。

作为本发明的一个优选方案,当有限元模型的全局坐标系σouxyz与cad模型的全局坐标系σogabc不重合时,需进行坐标变换。

作为本发明的一个优选方案,坐标系σogabc相对于坐标系σouxyz的齐次变换矩阵utg为:

其中:upg为坐标原点og在σouxyz中的位置;urg为欧拉角坐标旋转变换公式。

作为本发明的一个优选方案,所述urg为欧拉角坐标旋转变换公式为:

其中,θ、α、δ为坐标系σogabc的坐标轴相对于坐标系σouxyz的旋转角度。

作为本发明的一个优选方案,当坐标系σouxyz与σogabc重合时,utg为单位矩阵。

作为本发明的一个优选方案,将所述步骤s3中获得的模型导入有限元工作环境中,导入次数为一次。

本发明的有益效果为:

本发明的推土机推杆的有限元分析方法利用等效单元模拟有限元模型中的液压缸和斜支撑;三维模型中的所述液压缸和所述斜支撑的铰点位置分别经坐标变换后,转化为有限元模型中所述等效单元的第一节点位置;有限元模型中所述等效单元的第二节点位置相对不变,移动所述第一节点位置,进行推杆不同工况下的有限元分析。在对推杆进行多个工况的模拟分析时,只需要改变变换矩阵即可重新构造另一工况的有限元模型,减少模型处理和网格划分等重复性工作,提升了工作效率;对推杆进行有限元分析时,不需要对推杆之外的其他部件进行分析,计算速度提升,节省资源;分析结果的准确性得到了提高。

附图说明

图1是本发明优选实施例提供的推土机推杆的有限元分析方法的流程图;

图2是本发明优选实施例提供的弹簧单元的节点及坐标图;

图3是本发明优选实施例提供的推杆的坐标变换示意图;

图4是本发明优选实施例提供的推杆有限元模型中弹簧单元的建立与坐标反转示意图。

图中标记为:

1、倾斜油缸;2、右推杆;3、斜支撑;4、左推杆;5、铲刀;6、提升油缸。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

优选实施例:

本优选实施例公开一种推土机推杆的有限元分析方法。如图3所示,推土机的工作模块包括左推杆4、右推杆2、斜支撑3、倾斜油缸1、铲刀5以及提升油缸6,其中,倾斜油缸1的一端与右推杆2连接,另一端与铲刀5连接;斜支撑3的一端与右推杆2连接,另一端与铲刀5连接。

为了更好地说明本实施例的技术方案,相关术语的解释如下:

推杆:又称顶推梁,用于连接推土机的铲刀与台车。

斜支撑:一种广泛应用于铲刀上的支撑结构件,一端通过销轴或球头连接在推杆上,另一端通过球头连接在铲刀上。

弹簧单元:是仿真单元库中的一种,具有轴向或扭转性能。

齐次坐标:齐次坐标为是机器人学中的概念。一般地,描述两坐标系间的关系需要定义两原点相对位置和坐标轴间夹角,如笛卡尔坐标系σouxyz中一点p可表示为p=(px,py,pz),p点处有坐标系σpnoa,坐标轴间的投影关系可用一个3×3阶矩阵urp表示,则坐标系σpnoa相对于σouxyz的位置和姿态可以很方便用地用齐次坐标表达为可表示为:

本实施例中,利用两个弹簧单元分别模拟有限元模型中的液压缸和斜支撑,如图2所示,每个弹簧单元的两端分别具有i节点和j节点,弹簧单元的参数还包括刚度k和阻尼系数cv;三维cad模型中的所述液压缸和所述斜支撑的铰点位置分别经坐标变换,转化为有限元模型中所述等效单元的其中一个节点(i节点或j节点)位置;有限元模型中所述等效单元的一个节点(i节点或j节点)位置相对不变,移动另一个节点(j节点或i节点)位置,进行推杆不同工况下的有限元分析。

如图1所示,推土机推杆的有限元分析方法具体包括下述步骤:

步骤s1、建立三维cad模型。

步骤s2、将已建立的模型进行模型校核;步骤s1中所建立的cad模型大部分情况下是用于设计制造,与有限元分析所需模型的侧重点不相同,因此需要校核模型,并处理一些细节。

步骤s3、使校核后的模型运动至预设位置;利用cad软件的运动学仿真功能,将模型运动至特定位置,如果要分析多个工况,要分别运动至特定工况。

步骤s4、将所述步骤s3中获得的模型导入有限元工作环境(ansysworkbench环境)中,仅导入一次即可。

步骤s5、定义材料参数、模型处理并划分网格;定义推杆各部分零件的材料参数,处理模型中的较小的边、面,便于网格划分,手动控制网格划分,使其质量更高。

步骤s6、施加约束;在图3中的铰点e处添加大地-推杆转动副,以模拟铲刀-推杆转动副。

步骤s7、建立弹簧单元并添加载荷;位于推杆(左推杆4或右推杆2)上的铰点不需要坐标变换,在有限元模型中的相应位置建立局部坐标系并与i节点关联即可;不与推杆直接相连的液压缸(倾斜油缸1)及斜支撑3的另一端铰点,需要经过坐标变换后,确定该铰点在有限元模型中的相应位置,然后才能与j节点相关联。在铰点o处,即台车-推杆球铰副处添加载荷,需要在全局坐标系的基础上进行坐标反转,参考反转后的坐标系添加载荷。

ansys单元库中,弹簧单元具有轴向和扭转性能,利用该弹簧单元的轴向性能,弹簧单元在workbench中名称为spring,使用时需要确定的参数有:

1、i,j节点-用于弹簧单元的位置及长度;

2、刚度k由等效刚度keq决定。在任一姿态下,可将液压缸及斜支撑看作一拉杆或压杆,在弹性区域,等效刚度可由下式近似求得:

其中:a为斜支撑和液压缸平均横截面积;e为弹性模量,取2.1e11pa;l为斜支撑或液压缸两端铰点长度,由i,j节点位置决定;

3、阻尼系数cv用于计算阻尼力,可设定为常数,静力学分析中阻尼力fc为零。原因可推导如下:

其中,v为上一子步计算得到的速度,ux为位移。

4、有限元模型的全局坐标与cad模型的全局坐标系重合或不重合时的齐次坐标变换:

当workbench环境下的全局坐标系σouxyz与cad模型的全局坐标系σogabc不重合时,需要进行坐标变换,以便下一步载荷方向定义和i、j节点位置确定,坐标系σogabc相对于坐标系σouxyz的齐次变换矩阵utg:

其中:upg为坐标原点og在σouxyz中的位置;urg为欧拉角坐标旋转变换公式;

所述urg为欧拉角坐标旋转变换公式为:

其中,θ、α、δ为坐标系σogabc的坐标轴相对于坐标系σouxyz的旋转角度。

当坐标系σouxyz与σogabc重合时,utg为4×4阶单位矩阵。

5、载荷方向定义和j节点位置确定:

如图3,如有限元模型和cad模型的的全局坐标系重合,均以σouxyz表示,σomnk为固定在推杆上的坐标系。有限元分析时,仅将右推杆2导入workbench,铲刀5、液压缸及斜支撑3等不再导入。

为了模拟推杆的某一工况,经cad软件的运动学仿真,推杆坐标系σomnk运动为σo'm'n'k',铰点d运动至d',铰点d'在有限元模型中的位置用于确定spring的j节点。而有限元模型中,推杆模型和全局坐标系σouxyz都是不可运动的,所以直接参考有限元模型全局坐标系σouxyz添加d'和施加载荷是不正确的。

将全局坐标系σouxyz反转为σou'x'y'z',角度值与σo'm'n'k'相对于σomnk的角度大小相同,方向相反。所以,可以在cad环境中测量推杆几何体相对于全局坐标系转动的角度得到,再在有限元环境构建反转坐标系。当施加载荷时,载荷的三个分量参考σou'x'y'z'施加。

cad模型中铰点d运动至d'后,测量d'相对于全局坐标系σouxyz的坐标值,标记为ud',但ud'的值需要经过坐标变换才能在有限元环境中新建一个相应的d',该d'是相对于σou'x'y'z'而言的,标记为u'd'。坐标系σouxyz相对于坐标系σou'x'y'z'存在3×3阶欧拉角的坐标旋转变换矩阵u'ru,u'ru的构造参照urg,则有限元模型中u'd'有:u'd'=u'ruud'。

步骤s8、有限元分析及数据处理。

本实施例中的等效单元包括但不限于是弹簧单元,还可以是beam等刚性单元。利用弹簧单元模拟有限元模型中的液压缸与斜支撑;通过改变坐标变换矩阵,改变弹簧单元相对于推杆的位姿,以模拟推杆的的不同工况。

为了更好地对上述方法进行阐述,现举例说明如下:

推土机的铲刀和推杆的cad模型如图3所示,如cad模型和有限元模型的全局坐标系重合,现对图3中的右推杆2进行有限元分析。按照图1中的操作流程,完成模型校核、右推杆2导入workbench、添加材料、模型处理及网格划分等工作;

参照cad模型中铰点o、a、b、e的位置,在workbench环境中分别建立相应的局部坐标系,a、b处两个局部坐标系分别确定spring1、spring2的一端的位置,如图4所示(图中箭头1所指的是全局坐标系,箭头2所指的是坐标反转后的全局坐标系);

cad软件中,将图3中铲刀5和推杆cad模型进行运动学仿真,到达特定位置后,测量推杆相对于全局坐标系的转动角度,并在全局坐标系的基础上新建一坐标系并反转,如图4所示;

从cad环境下测量铰点c、d相对于cad模型全局坐标系的位置,将c、d点变换到反转后的全局坐标系中,最终确定的spring1和spring2的另一端位置,如图4所示,spring的刚度由确定。

以上是结合附图给出的实施例,仅是实现本发明的优选方案而非对其限制,任何对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神,均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。本发明的保护范围还包括本领域技术人员不付出创造性劳动所能想到的任何替代技术方案。

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