二手挖掘机工程机械设计中的整体结构有限元分

二手挖掘机市场本文综述了以北京航空制造工程研究所为技术依托单位的BQCIMS工程的整体结构分析技术，包括：工程背景与需求，基于ANSYS/APDL平台的结构模型参数化技术，整体结构的子结构分析与自动化分析流程。最后，整体结构分析在汽车起重机与矿用重型汽车设计中的成功应用，证明了这种技术的实用性。

1 工程背景与需求

以北京航空制造工程研究所为技术依托单位的北京起重机器厂CIMS 工程(简称BQCIMS工程)，是国家863CIMS工程资助的北京市信息技术推广示范项目之一。其中，汽车起重机与矿用重型汽车设计中的工程分析是该项目的核心创新技术与提高企业市场快速反映能力的重要手段。北京航空制造工程研究所推广应用航空结构设计中的先进分析技术与方法[1]，以国际上先进的工程分析平台—ANSYS系统[2]为基础，与北京起重机器厂的工程师们紧密合作，利用ANSYS/APDL语言进行二次开发，建立了适应汽车起重机[3]与矿用重型汽车[4]设计的整体结构工程分析方法。

汽车起重机与矿用重型汽车，作为一类“大力神”产品，具有其特殊的作业环境，要求良好的力学性能，包括刚度、应力水平、变形、抗干扰性能等。对于工程设计人员来说，零件、结构件及整机的力学性能如何?会不会因强度不够造成破坏事故?这些都是他们必须关心和回答的问题。

对于结构件设计来说，一般地说，它是零部件的组合设计。汽车起重机的主要承力结构件是吊臂、转台、车架。矿用重型汽车的主要承力骨架是整体车架，它又是许多结构件的组合，包括支撑架、前车架、中车架、尾架及若干子构件。结构件有限元分析是产品设计的基础性分析。最基本的分析是进行线性应力分析;对于有些结构件，例如吊臂与车架，还要进行稳定性分析，研究结构件失稳(屈曲)的条件。

对于整体结构设计来说，整体分析是工程师面临的最直接、最重要的问题。汽车起重机整机分析的对象包括若干个受力结构件和机构( 回转、变幅、伸缩、起升等);最危险的工况是起重作业工况，力的传递路线是：重物?吊臂?变幅油缸支撑?高架转台?回转支撑?底架?支腿?垂直油缸?地面;矿用重型汽车的传力路线实际上包括了整车的各严重工况(静满载、举升、刹车、转弯)。因此，整体分析往往非常复杂。设计人员在设计过程中要求较快地预测整体结构在不同工况(特别是严重工况)下结构应力水平与变形，以便完善与优化总体设计，变为最急迫而又难以实现的事情。

针对整体分析这一难点问题，本文论述的基于 ANSYS/APDL平台二次开发的整体结构分析技术，利用APDL语言的特点实现结构模型的参数化，采用子结构分析的技术策略，实现整体结构的剖分与结构件分析，实现结构件的变换与组装，最终完成整体结构分析。这种技术策略在汽车起重机与矿用重型汽车的成功应用说明了它的优越性。

2 基于APDL的结构模型参数化技术

2.1 参数化设计语言

对于结构的CAD模型(通常由点、线、面及实体组合而成)进行参数化特征设计，是现代CAD系统的基本功能。但是，对于有限元结构分析系统来说，对复杂组合结构的有限元模型要实现参数化设计，却并非易事。 先进的ANSYS系统为用户提供了一种建立参数化模型的基本工具__APDL语言。但是，使用APDL语言开发参数化的模型程序，却是用户自己的事情。APDL是一种面向工程的、结构化的解释性语言。它具有高级算法语言的基本特征与功能。它的表达方式是一系列基本的用户命令串。符合ANSYS_APDL语法规则的FEA参数模型程序，一般来说，它包括： 几何(点、线、面、实体 )定义与操作命令，有限元单元划分命令，逻辑控制命令，条件与循环命令，分析流程命令等。用户要对结构件的有限元模型进行参数化设计，必须熟练地掌握这种语言。所有复杂组合结构及整机的FEA模型都要用APDL语言进行二次开发。

2.2 结构件的参数化

结构件参数的提取是参数化设计的基础。这里的关键是选取能表述结构件几何特征的主要参数。一般地说，结构件的主要参数包括长、宽、高、关键点、连接条件、板厚、型材截面积、材料与物理特性等。我们将对这些参数规范化地命名，设置有关的参数名(或数组名)。例如，我们命名长度参数为a[1]，...a[n]，宽度参数为w[1]，...w[m]，高度参数为h[1]，...h[i]，厚度参数为t[1]，...t[j]，对于每一个结构件，它都具有这样一组参数。定义结构件名为相应参数组名，并以/EOF作为结束符，这就构成了一个APDL能够调用的结构件的参数模块。集成所有结构件的参数模块，便构成了产品结构的FEA参数库文件。

2.3 产品的FEA参数库与模型库

产品结构往往是由几个主要承力结构件组成的。产品参数文件包含了它们相应的参数模块。这些参数模块的任何参数值的改变，都会引起有关结构件的有限元模型的改变，也就引起整个结构的改变。系列化的产品便是这些参数的系列变化。产品结构性能的优化设计便是这些参数的优化。产品结构件与整体结构的FEA模型程序，正是利用ANSYS/APDL语言，引用参数库中相应参数模块，进行二次开发得到的。我们以型号名来命名产品的FEA模型库，它不仅包括产品的参数库文件，也包括结构件模型程序、载荷文件、工况控制文件等。这里，以六边形臂QY25D模型库为例，说明它的构成。

随着国民经济的腾飞,尤其是改革开放以来,对与工程机械方面,无论是工况的繁重程度,还是在工作的复杂程度,都提出了更高的要求,这一点在公路建设方面尤为明显。这些要求既是对道路工程机械的一种挑战,同时也是为我国道路工程机械前进提供了更多的空间,也促使我国相关的专家和学者们在吸取国外的经验和本国传统工程机械发展的基础上,对其进行积极的探索和改进。基于此,本文着重介绍在新时代,新技术引入对于工程机械的发展和应用的积极影响,同时对于此类问题的研究提供了借鉴资料。

一.发展概述二手挖掘机市场

1.1发展现状

伴随着工程机械的发展,其自身不但得到了进步,包括新技术和新理念的应用,同时,其应用空间遍布资源开发、交通建设、水利水电和市政工程等领域。就目前来说,工程机械的发展出现了一派繁荣局面。不但在于工程机械的整体性能,还包括使用寿命、技术含量和自主知识产权等方面,都有很大的提升空间[1]。在国内主要的工程机械企业和单位包括徐工、柳工、厦工和龙工等,在这一领域占据国内的领先位置,并为其发展做出了卓越的贡献。

从纵向来看,我国工程机械的理论研究阶段、设计论证阶段和制造阶段,都特别注重引入在国内外都较为领先的理论和经验,以满足国内市场的建设、生产等方面的需要。例如,在工程机械启动装置增加净化设备、驾驶室内安装空调等,对于工程机械和驾驶员来说,都是进步。因此,可以说,我国工程机械的发展道路还在前进。

1.2发展趋势

从上述可以看到我国工程机械的发展现状,在部分企业,已经可与世界领先水平进行媲美。然而,随着时代的发展,我国工程机械领域仍然需要不断的完善和发展,主要体现在以下的方面[2]。

1.2.1产业趋向国际化

与国际接轨,从国内外借鉴并吸取先进的经验、理论和技术,一直是我国工程机械发展的基本原则。在中国加入WTO之后,在未来的发展道路上,与国际上的领先工程机械企业进行竞争,既是机遇又是挑战。但是若要取得进步,必须使工程机械从理论到设计,再到制造等一系列产业过程进行国际化连接。

1.2.2产品趋向多元化

进入到20世纪90年代以后,我国工程机械领域蓬勃发展,不但企业数量增加,机械品种增多,而且机型的数量也明显增加,并应用于国民经济发展的各行各业。随着进入21世纪,这种趋势不但没有减弱,而且在未来的发展道路上,将会加快行进的步伐,为适应市场形式和工程环境的多样性,而趋向多元化,继续发展。

1.2.3结构趋向微小化

在工程机械的发展初期,主要以大型化甚至巨型化发展为标志,而进入到21世纪以后,随着工程更加复杂和工作流程更加细化,发展趋势的特点则转变为微小化和精细化。在这一过程中,工程机械不以其体积的减小而发生功能的降低,相反,在未来的发展道路上,微小型机械设备会更加灵活,并具有较好的机动性能,以满足诸如修道、建筑等领域的需要。

1.2.4操作趋向绿色化

节能减排一直是现阶段所有学科专业的主题,工程机械领域也不例外。在未来的发展道路上,不以破坏生态坏境为代价而换取经济的发展定会工程机械发展的主要原则和生产及应用的标志。对于超过使用年限的机械设备,也会有专门的回收部门进行处理,以确保对环境的破坏降到最低,达到绿色标准。

二.应用实例

在工程机械的发展道路中,以修路领域为例,装载机、挖掘机及压实机是其重要的代表类型,并在各种环境中进行工作。

2.1装载机

装载机属于工程机械中的基础成员。主要由驱动设备、传动设备、行走设备及工作设备和操作设备等组成;其标志性特征是工作设备主要有铲斗、动臂和摇臂等部分,主要应用在建筑、道路方面的土壤、石灰、煤炭、石块等物料对象。尤其是道路建设过程中,对于路基的填挖,沥青混合物料及水泥等的集料和装料作业等操作方面,具有重要意义。

2.2挖掘机

挖掘机与装载机的构造基本相同,惟一的区别在于工作装置主要由挖斗组成。其主要功效在于通过挖斗,对高于或者低于参考面的物料进行挖掘工作,并进行简单的装 车和运输操作。在这一过程中,主要针对土壤、煤炭和石块等对象进行开展。也属于工程机械中重要的形式之一。 2.3压实机 压实机通过对地面或者其他平面行走装置中巨大平整的圆柱形前轮和后轮等设备,进行碾压处理。在碾压过程中,对土壤、石块、沥青混合物等作用对象具有挤压、破碎和推平等作用,广泛应用于道路修筑工程

,对于增加路面的密实度和填埋具有不可替代的作用。

三.新技术应用

通过对上述工程机械几种重要机型的列举,在如今的发展过程中,均有不同程度的新技术应用。

3.1虚拟样机技术

虚拟样机技术是在计算机技术和软件领域的蓬勃发展的基础上提出并发展的。其基本思想是通过在计算机虚拟世界中对工程机械产品整车或者机构进行设计分析、运动分析、受力分析以及制造分析等。这种技术引入到工程机械中,立刻获得了广泛的关注和认可,不但减轻了繁重的现场试验工作和样品制造工作,大大提高了效率,同时大大降低了工程机械的研发成本。设计师或者技术人员能够通过计算机建模、运动、分析及优化过程,得到理想中的参数数据,有时甚至可代替人脑,对其进行改良。在未来的发展道路中,也是一项必不可少的技术[3]。

3.2电子、机群智能化技术

电子化和智能化控制技术主要在驾驶室中对工程机械工作装置进行控制应用[4]。在如今国外的多家工程机械企业的多种机型都进行微机控制技术,使机械的灵活程度大大增加,而且更具可靠性和稳定性优势。其中的全电子智能化控制,是将工程机械中的各项控制系统通过电子系统进行连接和操作,包括对行走装置、转向装置和工作装置等的耦合过程,能够大大简化现有的机械电路系统,而提高机械设备的性能和工作效用。同时还使工程机械达到部分自动判断等功能。

3.3混合动力技术

由于工程机械进行的工作大多繁重,因此也大多使用动力较大的燃油燃料,同时还具有较大的排油量和动力输出,尽管满足了生产所需,然而也大大增加了成本消耗;基于此,专家提出将混合动力技术引入到工程机械当中。其基本理论是在发动机输出动力的时候,会有混合动力系统将多余的动力进行能量转换,并保存下来。在工程机械抵挡行走或者待工前进的时候,便可消耗这部分能量,从而摆脱对发动机的依赖。主要包括串联和并联系统。这种技术大大减少了能量的消耗,同时还能够提高燃油资源的利用率,在未来的发展道路上,已经成为专家和学者们所研究的热点和难点领域[5]。

3.4无人驾驶技术

无人驾驶技术是基于电子化和智能化技术发展起来的,主要理论思想是使工程机械摆脱人工驾驶,通过远距离微机操作或者智能操作,使工程机械在不适宜人类工作的环境中进行工作,以道路工程举例,在盘山路等危险地区,通过技术人员在远处与工程机械设备机器人进行连接,进行无人驾驶操作来控制机械设备,从而完成道路修建工作。

3.5节能环保技术

二手挖掘机市场节能减排的思想已经深入到国民经济的方方面面,同时也涉及到工程机械领域。工程机械通过节能减排技术的应用,对资源的节约和环境的保护具有重要意义。上述的混合动力系统就是一种。除此之外,还包括环保材料应用、清洁能源使用等方面的技术,对工程机械的节能减排都起到了积极的作用。

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