铣刨机吊架的有限元分析及结构改进

铣刨机吊架的有限元分析及结构改进

铣刨机吊架是二级输料机的主要承载构件，承受着多个载荷的作用，因此应具有足够的刚度和强度。运用ANSYS Workbench和Pro/E集成研发平台，将在Pro/E中建立的三维模型导入ANSYS Workbench，进行CAE仿真分析和计算。结果表明，改进前的结构在摆动油缸支撑座处存在薄弱区域，改进后的结构满足工作要求，为产品改进设计提供了重要依据。

标签 铣刨机；吊架；有限元分析；ANSYS Workbench；Pro/E

铣刨机吊架是二级输料机的主要承载构件，一端与机架相连，另一端利用钢丝绳和油缸控制二级输料机的高度[1]，另外通过两侧的摆动油缸推动吊架绕机架旋转从而控制二级输料机的左右摆动角度。三一重工生产的某型号铣刨机曾由于二级输料机在转向中意外地碰到障碍物，摆动油缸来不及缩回，吊架的后护板被撞瘪，本文通过应用现代先进设计软件进行吊架此种工况的CAE力学分析，验证了吊架的力学特性，解析了存在薄弱区域的原因和改进后结构的合理性。

1 集成研发平台

ANSYS Workbench（简称AWP）友好的界面和便捷的操作方式赢得了广大CAE工作者的喜爱。PRO/E是个全方位的3D产品开发软件，它集合零件设计、产品组合、模具开发、造刑设计和应力分析等功能为一体[2]。AWP通过和PRO/E之间的无缝连接，AWP可以实现自动检测PRO/E装配体的装配关系和两者之间参数双向互动[3]，几何模型导入成功率高，且当PRO/E模型变化时，不需对所施加的载荷和支撑重新施加。在此环境下，为企业研发领域提供了全新的平台，又称为协同仿真平台，能有效提高建模速度和建模质量，简化分析工作，从而极大地提高了研发人员的效率[4]。

2 有限元分析

2.1 吊架实体模型的建立

在保证计算结果的准确性、尽量减少节点数量、保证总体结构不变和保留危险部位细节结构等四个原则下，对吊架三维实体模型进行适当简化，略去不重要的细节以降低网格划分的难度和提高计算速度[5]，改进前、后吊架进行简化后的实体模型如图1和图2所示。改进前、后的变化有：① 后护板1的厚度由6.0mm增加到8.0mm；② 改进前筋板4的位置离油缸座较远，改进后两者中心重合；③ 油缸座2因标准化改进由连接叉式改进为耳环式。

1-后护板 2-油缸座 3-转轴4-筋板 5 前护板

圖1吊架改进前的实体模型

1-后护板 2-油缸座 3-转轴 4-筋板 5 前护板

图2吊架改进后的实体模型

2.2 吊架有限元模型的建立

利用简化后的吊架三维实体模型，以有限元分析软件AWP为分析平台，全部实体以Hex Dominant Method进行网格划分，单元大小设置为13mm，材料密度7.8×106kg/mm3，弹性模量E=200 GPa，泊松比μ=0.3，屈服强度σs=345 MPa，抗拉强度σb=470 MPa[6]。系统自动选取合适的网格单元，建立吊架的有限元模型。

2.3 吊架边界条件的施加

为了简化分析难度和时间，这里忽略了输料主油缸的拉力作用，转轴处施加圆柱支撑A，两油缸耳座分别施加轴承力B和C，大小取摆动油缸最大工作载荷时的作用力105560N，底面施加无摩擦支撑，改进前后的边界条件相同。

2.4 计算结果和分析

2.4.1 改进前的结果和分析

从图3和图4可以看出，改进前的最大位移为11.65mm，最大von-Mises等效应力为3829.9MPa，1000MPa以上的区域在油缸座上部附近，显然不满足工作要求，变形位置与实际基本一致。

图3改进前的变形云图

图4改进前的von-Mises应力云图

2.4.2 改进后的结果和分析

从图5和图6可以看出，改进后的最大位移为0.9mm，最大von-Mises等效应力为637.2MPa，但该处为尺寸变化较大的地方，存在应力集中，故可以忽略，其余均在156MPa以下，安全系数至少为345/156＝2.2，显然满足工作要求。

图5改进后的变形云图

图6改进后的von-Mises应力云图

3结论

通过Pro/E软件建立了吊架的3D参数化模型，利用ANSYS Workbench进行有限元分析，计算结果表明，改进前的吊架油缸座处确实存在强度不满足工作的区域，改进后的吊架将筋板位置调整和后护板加厚较大地提高了结构强度，满足工作要求。

同时本文对ANSYS Workbench和Pro/E集成研发平台作了简要介绍，并以吊架的实例说明其在铣刨机分析及改进中的应用，实例说明，该集成研发平台为设计人员提供了强有力的设计和分析手段。

参考文献

[1]李述新,冉隆强.铣刨机[M].三一重工内部培训教材,2007

[2]林通,叶智彪,申宝成.Pro/E技术在工程机械仿真设计中的应用[J].筑路机械与施工机械化,2007,(5):62-64

[3]刘晓东,尹志宏,林天清,张明旭.ANSYS Workbench集成研发平台下的机床床身有限元分析[J].现代机械,2008,(6):1-2

[4]郝钟雄.ANSYS与CAD软件的接口问题研究[J].机械设计与制造,2007,(7):75-76

[5]高光华,杨红普,郭海乐.矿用汽车车架结构分析[J].工程机械,2009,40(5):41-43

[6]机械设计手册编委会编.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,2004.

唐晓华，男，1977年11月出生。籍贯：湖南邵阳。学历：大学本科。研究方向：机械研究，职务：工程师