一种研究挖掘机工作装置应力特性的三维图谱法的制作方法
本发明属于挖掘机工作装置技术领域，涉及一种研究挖掘机工作装置应力特性的三维图谱法。
背景技术：
工作装置是液压挖掘机执行部件，对整个液压挖掘机的性能有着重要的影响。因此，国内外学者对液压挖掘机工作装置进行了大量的研究。
通过总结已有研究可知，目前针对反复处理大量有限元分析时，大多数不能实现工作装置自动规则六面体网格划分；也有文献仅对工作装置单个部件进行研究，忽略了工作装置的整体性、协同性，增大了分析误差；传统分级和二维图谱在面对图1所示一个斗齿尖位置对应无穷姿态时，不能全面分析。此外，在查阅大量文献的基础上发现大部分结构分析都建立在危险工况之上，然而目前对危险工况却鲜有研究，大多数文献直接采用经典工况。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种一种研究挖掘机工作装置应力特性的三维图谱法，简称mbrs-3d法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种研究挖掘机工作装置应力特性的三维图谱法，包括以下步骤：
s1、测得挖掘机油缸的实时油压数据和动臂、斗杆和铲斗的相对转角数据；
s2、通过编制matlab程序反求出挖掘阻力模型中各个简化力，即挖掘阻力切向分力ft、挖掘阻力法向分力fn、阻力矩tr；
s3、按式(1)和式(2)计算出挖掘阻力系数ε和阻力矩系数σ的实时数据，得到ε和σ的最大概率值；
ε＝fn/ft(1)
σ＝tr/ft(2)；
s4、从系统集成角度对工作装置进行整体分析，具体包括：
s401、对工作装置的进行区域规划，定域监视；
s402、进行工作装置的参数化建模；
s403、对工作装置进行网格划分；
s404、工作装置载荷施加；
s5、通过以上的区域规划、模型建立、网格划分和载荷施加，运用apdl语言建立有限元模型；
s6、将该有限元模型和matlab编写的挖掘阻力模型集成到框架平台，得到整个工作装置、动臂、斗杆和铲斗上的最大应力以及事先标定的区域编号；
s7、绘制三维最大应力空间图谱和对应的区域空间图谱
s8、选取危险工况，以集成计算的全工作空间中工作装置最大应力值作为指标选取危险工况。
进一步，步骤s401中，对动臂划分出17个关键区域，斗杆划分出8个关键区域，铲斗划分出5个关键区域。
进一步，步骤s403中，对工作装置主要采用六面体进行网格划分，局部采用四面体补充，再由apdl语言结合集成框架平台实现自动划分。
进一步，步骤s404中，建立挖掘阻力模型，综合考虑液压挖掘机油缸闭锁能力、整机与地面附着、整机前倾和整机后倾等条件限制下，建立力学方程，再结合式(1)和式(2)两个系数算式和挖掘阻力系数、阻力矩系数的最大概率值，补充方程，求解出各个分力，用该分力作为有限元分析的施加载荷。
本发明的有益效果在于：
1、mbrs-3d法从系统集成角度综合三维建模软件和apdl语言能够有效地实现复杂结构的规则化网格划分，提高计算精度的同时降低计算规模，使有限元分析直接应用于复杂结构优化成为可能。
2、mbrs-3d法创新性地将区域规划应用于液压挖掘机工作装置的研究。在对最大应力研究时，能够很好地追踪、统计最大应力值所在部位，为结构设计和优化提供参考。
3、mbrs-3d法绘制的三维最大应力空间图谱和最大应力空间域图谱，能够直观反映工作装置及各部件在全工作空间内的应力特性，清晰地表达出工作装置的姿态与最大应力值和区域之间的关系。相对于传统平面图谱应对“一对多”问题时的不足，能够更全面的分析全工作空间特性，为工作装置结构设计和优化提供参考。
4、mbrs-3d法在更全面分析工作装置应力特性的基础上，按“应力越大越危险”准则选出危险工况与传统方法的经典工况对比，表明更具危险性。该方法选取的危险工况可以作为经典工况的补充，为结构优化提供参考。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为技术路线图；
图2为定点姿态图；
图3为铲斗挖掘工况的挖掘阻力简化模型；
图4为斗杆挖掘工况的挖掘阻力简化模型；
图5为挖掘阻力系数特性图；
图6为阻力矩系数特性图；
图7为动臂关键区域图；
图8为斗杆关键区域图；
图9为铲斗关键区域；
图10为挖机简图；
图11为铲斗挖掘工作装置最大应力空间图谱；
图12为斗杆挖掘工作装置最大应力空间图谱；
图13为铲斗挖掘工作装置最大应力区域空间图谱；
图14为斗杆挖掘工作装置最大应力区域空间图谱；
图15为铲斗挖掘动臂最大应力空间图谱；
图16为斗杆挖掘动臂最大应力空间图谱；
图17为铲斗挖掘动臂最大应力区域空间图谱；
图18为斗杆挖掘动臂最大应力区域空间图谱；
图19为铲斗挖掘斗杆最大应力空间图谱；
图20为斗杆挖掘斗杆最大应力空间图谱；
图21为铲斗挖掘斗杆最大应力区域空间图谱；
图22为斗杆挖掘斗杆最大应力区域空间图谱；
图23为铲斗挖掘铲斗最大应力空间图谱；
图24为斗杆挖掘铲斗最大应力空间图谱；
图25为铲斗挖掘铲斗最大应力区域空间图谱；
图26为斗杆挖掘铲斗最大应力区域空间图谱；
图27为铲斗挖掘最大应力所在区域柱状图；
图28为斗杆挖掘最大应力所在区域柱状图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本实施例结合某国产液压挖掘，提出一种研究挖掘机工作装置应力特性的三维图谱法，具体流程如图1所示,分析过程均考虑正载情况，假设铲斗斗齿所受载荷沿斗唇均匀分布。具体步骤如下：
s1、测得挖掘机油缸的实时油压数据和动臂、斗杆和铲斗的相对转角数据；测试中主要采用了ns-rb型角位移传感器、nsf型压力传感器和ns-dac3000多通道数据采集系统。主要参数如表1和表2：
s2、通过编制matlab程序反求出挖掘阻力模型中各个简化力，即挖掘阻力切向分力ft、挖掘阻力法向分力fn、阻力矩tr；
液压挖掘机工作装置在作业过程中受到了极其复杂的力，不同研究人员提出了不同的挖掘阻力模型。文献(s.
ε＝fn/ft(1)
σ＝tr/ft(2)
为便于求解，此处规定切向力的方向与切削刃运动方向相反，法向力方向垂直于切向力并指向铲斗斗体，力矩以逆时针方向为正方向。基于阻力模型系数假设，为使挖掘阻力系数更接近实际，同时考虑阻力矩的影响，采用ns-rb型角位移传感器、nsf型压力传感器和ns-dac3000多通道数据采集系统等装置实验，测得三组油缸的实时油压数据和动臂、斗杆和铲斗的相对转角数据。通过编制matlab程序反求出如图3和图4所示挖掘阻力模型中各个简化力。按式(1)和式(2)计算出挖掘阻力系数ε和阻力矩系数σ的实时数据，这些数据可以绘制成图5和6所示的系数特性图。由图5和图6得知，由于实际挖掘过程中存在诸多的不确定性因素，挖掘阻力系数和阻力矩系数波动较大，但相对比较集中。挖掘阻力系数的均值线基本水平，徘徊于零轴上下，该阻力系数数值表现与运动轨迹切线相反假设相一致。对于阻力矩系数，主要为负值且随着时间的推移逐渐变小，这符合土壤破碎过程中，土壤抗扭能力逐渐降低的特性。经过对实验数据的去噪、统计、计算可以得到如表3所示的ε和σ的最大概率值。基于阻力模型系数假设，将该最大概率值用于计算载荷，为后续的整体有限元分析做铺垫。
表3ε和σ的最大概率值
s3、按式(1)和式(2)计算出挖掘阻力系数ε和阻力矩系数σ的实时数据，得到ε和σ的最大概率值；
ε＝fn/ft(1)
σ＝tr/ft(2)；
s4、从系统集成角度对工作装置进行整体分析，具体包括：
s401、对工作装置的进行区域规划，定域监视；该步骤中，如图7-9所示，对动臂划分出17个关键区域，斗杆划分出8个关键区域，铲斗划分出5个关键区域。
表4动臂、斗杆、铲斗区域编号
s402、进行工作装置的参数化建模；本实施例鉴于液压挖掘机工作装置的复杂性和ug建模的便捷性，采用ug进行液压挖掘机工作装置的参数化建模，主要的可变参数如图10中的θ1、θ2、θ3、lab、lbg、lgj以及其他的机构结构参数。
s403、对工作装置进行网格划分；ansys是最常用的有限元分析软件之一，并且ansys有易于实现自动化的apdl语言。因此，本实施例采用ansys进行有限元分析。网格划分对有限元分析的准确性有着重要的意义，六面体网格与四面体网格相比，具有收敛速度快、变形特性好、单元数量少、求解精度高、计算成本低等优点。数值分析中，通常优先选择六面体网格。但是又因为挖掘机工作装置是一个特别复杂的箱体型结构，采用全六面体规则化网格，特别是实现全自动规则化网格非常困难。因此，本实施例中的网格主要采用六面体，局部采用四面体补充，再由apdl语言结合集成框架平台实现自动划分，减少繁杂的重复工作。
s404、工作装置载荷施加；建立如图3、4所示的挖掘阻力模型，在综合考虑液压挖掘机油缸闭锁能力、整机与地面附着、整机前倾和整机后倾等条件限制下，建立力学方程，再结合表3中的两个系数算式和挖掘阻力系数、阻力矩系数的最大概率值，补充方程。可以求解出图4、5所示各个分力。该分力即可作为有限元分析的施加载荷。
s5、通过以上的区域规划、模型建立、网格划分和载荷施加，运用apdl语言建立易于参数化控制、计算规模小、计算精度高的有限元模型；
s6、将该有限元模型和matlab编写的挖掘阻力模型集成到框架平台，得到整个工作装置、动臂、斗杆和铲斗上的最大应力以及事先标定的区域编号；
s7、绘制三维最大应力空间图谱和对应的区域空间图谱，传统的图谱分析方法指将三组油缸长度进行分级，并对其组合，在整个工作空间中确定若干种液压挖掘机的工作姿态，计算出这些姿态的理论挖掘力并生成相应图谱以评价挖掘机的性能。mbrs-3d法为解决图2所示“一对多”问题提供了新的途径。采用表5中所示θ1,θ2,θ3的相互组合和图2所示仿真流程，得到整个工作装置、动臂、斗杆和铲斗的最大应力值以及其所在区域值，插值后可得三维最大应力空间图谱和应力域图谱，如图11至图25所示。
表5动臂、斗杆、铲斗之间夹角采样值
全工作空间图谱三个坐标分别为θ1,θ2,θ3。当动臂、斗杆和铲斗长度一定时，每一个斗齿尖所能到达的位置都可以由无数种θ1,θ2,θ3组合实现(图2、图10)，这些组合在上述图谱中可以表示为一个曲面，而这些曲面上所展现的属性即可以表示该斗齿尖所在位置的全部属性，实现图2所示的“一对多”研究。因此，mbrs-3d法能够很好而全面地展示液压挖掘机工作装置的最大应力特性以及最大应力所在区域特性。
从图谱中可以很容易得到姿态与最大应力之间关系的规律，明确危险姿态，指导挖掘操作；可以得到最大应力所在区域信息及其分布规律，明确工作装置薄弱部位，从而协助设计；同时，通过明确全工作空间最大应力值的分布，可以更方便、准确的选出工作装置的危险工况，从而为优化设计奠定基础。
对上述分析进行统计，得到如图26和27所示柱状图，该型液压挖掘机工作装置最大应力主要出现在2、3、6、16、17、18、22区域。31、32、33分别为动臂、斗杆和铲斗上除标定区外的其他区域。该三区域均未出现最大应力，因而说明所选关键区域已经很好的囊括了全工作空间最大应力可能出现的部位。对照图7、8、9可知，工作装置在可行域内作业时，最大应力主要出现在动臂后顶板突变处，动臂后顶板与顶板搭接处，动臂上斗杆油缸耳板前端与动臂本体焊接处，斗杆上斗杆油缸耳板后端与斗杆本体焊接处，斗杆上铲斗油缸耳板前端与斗杆本体焊接处，斗杆上前侧板、中侧板、顶板三者交汇焊接处，铲斗耳板与底板交界焊接处等共计7个区域。在该机型设计优化过程中应考虑这些部位加强和结构优化以实现工作装置所受应力更均衡，延长使用寿命。
s8、选取危险工况，以集成计算的全工作空间中工作装置最大应力值作为指标选取危险工况。
传统的危险工况通常被认为发生在油缸力臂最大姿态或者理论挖掘力最大的姿态。前者通常对单个部件进行研究，忽略了工作装置的整体效应以及它们之间的耦合；后者忽略了工作姿态等其他因素的影响，挖掘力大未必是最危险工况。以集成计算的全工作空间中工作装置最大应力值作为指标选取危险工况，能够很好地解决上述问题，从而准确地确定危险工况。
以某国产机型为研究对象，将最大应力值作为为指标，运用mbrs-3d方法得到空间最大应力图谱和应力空间域图谱。从图谱中遴选出全工作空间的几个最大应力关键值，如表6所示。
表6危险工况姿态
由上表可知，最大应力出现在铲斗挖掘工况。此时，姿态角为θ1＝-4.7°、θ2＝-144.5°、θ3＝39.7°，最大应力值为195.42mpa，按最大应力确定危险工况准则，该姿态即为该机型的危险工况。
表7危险工况对比
表7所示，按文献(陈国俊.液压挖掘机[m].武汉：华中科技大学出版社，2011)约定的危险工况，最大应力为109.4mpa，文献(国家标准局.gb9141-88.液压挖掘机强度试验方法)经典危险工况中最大应力最大为113.91mpa，而mbrs-3d法选出的危险工况最大应力值为195.42mpa。mbrs-3d法较传统方法危险工况最大应力值最少增大71.6％，表明mbrs-3d法选出的危险工况相较于传统方法更具危险性。
通过mbrs-3d对机型工作装置进行研究，发现铲斗挖掘时最大应力主要出现在动臂后顶板突变处，斗杆上斗杆油缸耳板后端与斗杆本体焊接处，斗杆上铲斗油缸耳板前端与斗杆本体焊接处，铲斗耳板与底板交界焊接处等4部位，概率分别为：21.83％、26.03％、19.01％、13.99％；斗杆挖掘时最大应力主要出现在动臂后顶板与顶板搭接处，斗杆上斗杆油缸耳板后端与斗杆本体焊接处，斗杆上铲斗油缸耳板前端与斗杆本体焊接处，铲斗耳板与底板交界焊接处，概率分别为：12.37％、54.10％、7.41％、19.44％。对于上述部位应该予以结构加强和优化。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
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