斗杆强度分析

斗杆的三维结构模型如图6所示：斗杆由左右侧板、上下盖板、铲斗铰接座、动臂铰接座、摇臂铰接座、铲斗缸铰接座、斗杆缸铰接座及其它辅助结构件等焊接而成，各铰接座孔分别通过销轴与其他部件铰接。

2.1 建立几何模型

产品设计阶段是用Solid Edge软件先进行三维零件设计(*.par格式),然后装配成部

图6 斗杆三维实体模型 件(*.asm格式),再转化为二维工程图的

(*.dft格式),所以三维装配部件已经存在。

在UG中打开“斗杆·asm”文件（所要进行有限元分析的装配部件），得一“斗杆_asm·prt”文件；在同步建模状态，进行模型修改：删除小孔、小部分突起或凹陷等，以免由于分析部件局部曲率半径太小，网格划分后所计算的应力值有奇异点；实际制造过程是零件开焊接坡口，然后进行焊接，分析模型建立时简化成面与面结合，所以删除焊缝所开坡口，零件间结合面进行“替换面”等操作；进行“布尔加——求和”操作，使所需分析的装配部件变成一个整体“prt”零件。

0.2 材料确定及网格划分

斗杆构件钢板都是Q345A，铸件材料机械性能与Q345A接近，所以材料选取为Q345A。

表1 材料性能参数

材料

杨氏模量(MPa) 泊松比 屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 密度(kg /m3)

0. 3 345 480 7.85×109 Q345A 206000 由于构件板厚在10~16mm，所以网格选取三维四面体网格，自动单元大小，网络划分信息如表2所示。

表2 网格参数

网格

单元族

单元总数 节点总数 71173 140296 3d_mesh(1) Tetra10

2.3载荷及约束条件确定

挖掘机斗杆通过与动臂铰点及斗杆缸铰点连接在一起，因此可以将动臂铰点作为斗杆的支点，把斗杆缸作用力、铲斗缸作用力作为载荷加在斗杆上；斗杆与铲斗、斗杆与摇臂的铰点将视为外载荷处理，斗杆受力图如图4所示。将载荷作为轴承力—方向与某轴成一角度，加载于模型各对应孔，由于斗杆各受力基本平衡，动臂铰接孔作固定约束；

将斗杆所受侧向力加载于斗杆铲斗铰接座的端面上，力偶作为大小相等、方向相反的轴承力分别加载在铲斗铰接孔两侧轴套位置上。

1 斗杆有限元结果分析

有限元分析软件使用UG6.0中NASTRAN分析模块。 输出的应力图有两个——基本应力和单元节点应力，基本应力是经过平均处理后的应力，一般比节点应力小，安全起见，取单元节点应力。

图7 最大和最小应力点

图7为斗杆的最大和最小应力点分析结果，分析结果表明最大应力点出现在加强筋板的端点，而实际上附近应力并不大，应该是体积突变时的奇异点，因为从基本应力云图中看，该点应力不大。

图8 应力最大部位云图 图9 支座应力云图 图8和图9为斗杆应力云图结果，图8中斗杆应力最大区域在斗杆与动臂铰接部位前下部及铰接座与侧板的连接处，且在左侧，约200MPa（安全系数约1.725），表明是侧向载荷及力偶所致，由此可知侧向载荷所引起的破坏性最大；图9分析结果表明斗杆缸支座及铲斗缸支座应力最大处亦约200MPa，因此支座安全。

图10 斗杆位移图 图11 铲斗缸支座位移图

图12斗杆缸支座位移图

图10~图11为斗杆位移图。斗杆前端位移达8mm之多（如图10），但绝对坐标x方向为6.2mm、y方向为5.4mm、z方向为1.4mm，说明位移主要是由于侧向载荷及力偶、挖掘时连杆向上的合力所引起；油缸支座位移较小（如图11、12），约2mm左右，且变形向内，不会引起支座损坏。

从斗杆应力和位移图的从分析结果可知所设计的斗杆结构满足最大危险工况的强度要求，表明斗杆结构设计合理。

2 .结论

（1） 确定了斗杆危险工况，并用矢量法对斗杆进行了受力分析，用SolidEdge建立了斗杆的3D模型；

（2） 采用Nastran对斗杆进行了有限元分析，分析结果表明斗杆最大受力区域发生在斗杆油缸支座处，其结果与实际使用情况一致，实际斗杆损坏经常发生在与动臂铰接的支座和侧板焊缝处，提示了斗杆下盖板尽量不要有拼接焊缝；

（3） 分析结果表明斗杆最大受力小于结构强度，故所设计的斗杆结构安全可靠；

（4） 试验结果表明采用UG可有效对SolidEdge模型进行结构分析，为结构设计提供了一可靠分析方法。