本發(fā)明涉及推土機(jī)結(jié)構(gòu)分析方法技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種推土機(jī)推桿的有限元分析方法

背景技術(shù)：

推土機(jī)作業(yè)環(huán)境較為惡劣，其設(shè)計(jì)參數(shù)一般都能滿足正常工況，但用戶操作不當(dāng)或者遇到惡劣工況，工作裝置的薄弱部位就會(huì)損壞，推桿焊縫處開焊是相對(duì)較容易發(fā)生的。為了使產(chǎn)品性能更加穩(wěn)定，對(duì)這些惡劣工況進(jìn)行有限元模擬分析，將薄弱部位避開應(yīng)力較大區(qū)域。

在整個(gè)的推桿有限元分析流程中，約束方式對(duì)分析結(jié)果有很大的影響。單個(gè)推桿的實(shí)際約束為3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副：推桿-鏟刀轉(zhuǎn)動(dòng)副，推桿-傾斜油缸轉(zhuǎn)動(dòng)副，推桿-斜支撐轉(zhuǎn)動(dòng)副；1個(gè)球鉸副：推桿-臺(tái)車球鉸副。目前，對(duì)推桿有限元模型添加約束時(shí)，多數(shù)按照實(shí)際約束方式對(duì)有限元模型添加約束，但經(jīng)過(guò)對(duì)照推桿的實(shí)際開焊或損壞位置及測(cè)試數(shù)據(jù)，這種約束方式下的有限元分析結(jié)果與實(shí)際偏差較大。此外，推桿在每種工況下，相對(duì)于其他部件的位置和姿態(tài)有所不同，如果按照實(shí)際約束方式約束有限元模型，就需要將與推桿相關(guān)的部件同時(shí)導(dǎo)入有限元環(huán)境，才能模擬分析不同的工況，這就需要多次處理模型及劃分網(wǎng)格，重復(fù)性工作大，效率低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種推土機(jī)結(jié)構(gòu)分析方法，解決了現(xiàn)有的推桿有限元分析結(jié)果與實(shí)際偏差較大、分析效率較低等問(wèn)題。

為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種推土機(jī)結(jié)構(gòu)分析方法：利用等效單元模擬有限元模型中的液壓缸和斜支撐；三維模型中的所述液壓缸和所述斜支撐的鉸點(diǎn)位置分別經(jīng)坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)化為有限元模型中所述等效單元的其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)位置；有限元模型中所述等效單元的一個(gè)節(jié)點(diǎn)位置相對(duì)不變，移動(dòng)另一個(gè)節(jié)點(diǎn)位置，進(jìn)行推桿不同工況下的有限元分析。

作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，所述等效單元為兩個(gè)彈簧單元，兩個(gè)所述彈簧單元分別模擬有限元模型中的所述液壓缸和所述斜支撐。

作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，所述方法具體包括下述步驟：

步驟s1、建立三維cad模型；

步驟s2、將已建立的模型進(jìn)行模型校核；

步驟s3、使校核后的模型運(yùn)動(dòng)至預(yù)設(shè)位置；

步驟s4、將所述步驟s3中獲得的模型導(dǎo)入有限元工作環(huán)境中；

步驟s5、定義材料參數(shù)、模型處理并劃分網(wǎng)格；

步驟s6、施加約束；

步驟s7、建立彈簧單元并添加載荷；

步驟s8、有限元分析及數(shù)據(jù)處理。

作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，所述彈簧單元的參數(shù)包括剛度k和阻尼系數(shù)cv；所述剛度k由等效剛度keq決定，所述阻尼系數(shù)cv為常數(shù)；

其中，a為斜支撐和液壓缸平均橫截面積；e為彈性模量；l為斜支撐或液壓缸兩端鉸點(diǎn)長(zhǎng)度，由兩個(gè)節(jié)點(diǎn)位置置決定。

作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，當(dāng)有限元模型的全局坐標(biāo)系σouxyz與cad模型的全局坐標(biāo)系σogabc不重合時(shí)，需進(jìn)行坐標(biāo)變換。

作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，坐標(biāo)系σogabc相對(duì)于坐標(biāo)系σouxyz的齊次變換矩陣^utg為：

其中：^upg為坐標(biāo)原點(diǎn)og在σouxyz中的位置；^urg為歐拉角坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換公式。

作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，所述^urg為歐拉角坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換公式為：

其中，θ、α、δ為坐標(biāo)系σogabc的坐標(biāo)軸相對(duì)于坐標(biāo)系σouxyz的旋轉(zhuǎn)角度。

作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，當(dāng)坐標(biāo)系σouxyz與σogabc重合時(shí)，^utg為單位矩陣。

作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，將所述步驟s3中獲得的模型導(dǎo)入有限元工作環(huán)境中，導(dǎo)入次數(shù)為一次。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明的推土機(jī)推桿的有限元分析方法利用等效單元模擬有限元模型中的液壓缸和斜支撐；三維模型中的所述液壓缸和所述斜支撐的鉸點(diǎn)位置分別經(jīng)坐標(biāo)變換后，轉(zhuǎn)化為有限元模型中所述等效單元的第一節(jié)點(diǎn)位置；有限元模型中所述等效單元的第二節(jié)點(diǎn)位置相對(duì)不變，移動(dòng)所述第一節(jié)點(diǎn)位置，進(jìn)行推桿不同工況下的有限元分析。在對(duì)推桿進(jìn)行多個(gè)工況的模擬分析時(shí)，只需要改變變換矩陣即可重新構(gòu)造另一工況的有限元模型，減少模型處理和網(wǎng)格劃分等重復(fù)性工作，提升了工作效率；對(duì)推桿進(jìn)行有限元分析時(shí)，不需要對(duì)推桿之外的其他部件進(jìn)行分析，計(jì)算速度提升，節(jié)省資源；分析結(jié)果的準(zhǔn)確性得到了提高。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例提供的推土機(jī)推桿的有限元分析方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例提供的彈簧單元的節(jié)點(diǎn)及坐標(biāo)圖；

圖3是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例提供的推桿的坐標(biāo)變換示意圖；

圖4是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例提供的推桿有限元模型中彈簧單元的建立與坐標(biāo)反轉(zhuǎn)示意圖。

圖中標(biāo)記為：

1、傾斜油缸；2、右推桿；3、斜支撐；4、左推桿；5、鏟刀；6、提升油缸。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并通過(guò)具體實(shí)施方式來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。

優(yōu)選實(shí)施例：

本優(yōu)選實(shí)施例公開一種推土機(jī)推桿的有限元分析方法。如圖3所示，推土機(jī)的工作模塊包括左推桿4、右推桿2、斜支撐3、傾斜油缸1、鏟刀5以及提升油缸6，其中，傾斜油缸1的一端與右推桿2連接，另一端與鏟刀5連接；斜支撐3的一端與右推桿2連接，另一端與鏟刀5連接。

為了更好地說(shuō)明本實(shí)施例的技術(shù)方案，相關(guān)術(shù)語(yǔ)的解釋如下：

推桿：又稱頂推梁，用于連接推土機(jī)的鏟刀與臺(tái)車。

斜支撐：一種廣泛應(yīng)用于鏟刀上的支撐結(jié)構(gòu)件，一端通過(guò)銷軸或球頭連接在推桿上，另一端通過(guò)球頭連接在鏟刀上。

彈簧單元：是仿真單元庫(kù)中的一種，具有軸向或扭轉(zhuǎn)性能。

齊次坐標(biāo)：齊次坐標(biāo)為是機(jī)器人學(xué)中的概念。一般地，描述兩坐標(biāo)系間的關(guān)系需要定義兩原點(diǎn)相對(duì)位置和坐標(biāo)軸間夾角，如笛卡爾坐標(biāo)系σouxyz中一點(diǎn)p可表示為p＝(px,py,pz)，p點(diǎn)處有坐標(biāo)系σpnoa，坐標(biāo)軸間的投影關(guān)系可用一個(gè)3×3階矩陣^urp表示，則坐標(biāo)系σpnoa相對(duì)于σouxyz的位置和姿態(tài)可以很方便用地用齊次坐標(biāo)表達(dá)為可表示為：

本實(shí)施例中，利用兩個(gè)彈簧單元分別模擬有限元模型中的液壓缸和斜支撐，如圖2所示，每個(gè)彈簧單元的兩端分別具有i節(jié)點(diǎn)和j節(jié)點(diǎn)，彈簧單元的參數(shù)還包括剛度k和阻尼系數(shù)cv；三維cad模型中的所述液壓缸和所述斜支撐的鉸點(diǎn)位置分別經(jīng)坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)化為有限元模型中所述等效單元的其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)(i節(jié)點(diǎn)或j節(jié)點(diǎn))位置；有限元模型中所述等效單元的一個(gè)節(jié)點(diǎn)(i節(jié)點(diǎn)或j節(jié)點(diǎn))位置相對(duì)不變，移動(dòng)另一個(gè)節(jié)點(diǎn)(j節(jié)點(diǎn)或i節(jié)點(diǎn))位置，進(jìn)行推桿不同工況下的有限元分析。

如圖1所示，推土機(jī)推桿的有限元分析方法具體包括下述步驟：

步驟s1、建立三維cad模型。

步驟s2、將已建立的模型進(jìn)行模型校核；步驟s1中所建立的cad模型大部分情況下是用于設(shè)計(jì)制造，與有限元分析所需模型的側(cè)重點(diǎn)不相同，因此需要校核模型，并處理一些細(xì)節(jié)。

步驟s3、使校核后的模型運(yùn)動(dòng)至預(yù)設(shè)位置；利用cad軟件的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真功能，將模型運(yùn)動(dòng)至特定位置，如果要分析多個(gè)工況，要分別運(yùn)動(dòng)至特定工況。

步驟s4、將所述步驟s3中獲得的模型導(dǎo)入有限元工作環(huán)境(ansysworkbench環(huán)境)中，僅導(dǎo)入一次即可。

步驟s5、定義材料參數(shù)、模型處理并劃分網(wǎng)格；定義推桿各部分零件的材料參數(shù)，處理模型中的較小的邊、面，便于網(wǎng)格劃分，手動(dòng)控制網(wǎng)格劃分，使其質(zhì)量更高。

步驟s6、施加約束；在圖3中的鉸點(diǎn)e處添加大地-推桿轉(zhuǎn)動(dòng)副，以模擬鏟刀-推桿轉(zhuǎn)動(dòng)副。

步驟s7、建立彈簧單元并添加載荷；位于推桿(左推桿4或右推桿2)上的鉸點(diǎn)不需要坐標(biāo)變換，在有限元模型中的相應(yīng)位置建立局部坐標(biāo)系并與i節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)即可；不與推桿直接相連的液壓缸(傾斜油缸1)及斜支撐3的另一端鉸點(diǎn)，需要經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后，確定該鉸點(diǎn)在有限元模型中的相應(yīng)位置，然后才能與j節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。在鉸點(diǎn)o處，即臺(tái)車-推桿球鉸副處添加載荷，需要在全局坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上進(jìn)行坐標(biāo)反轉(zhuǎn)，參考反轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)系添加載荷。

ansys單元庫(kù)中，彈簧單元具有軸向和扭轉(zhuǎn)性能，利用該彈簧單元的軸向性能，彈簧單元在workbench中名稱為spring，使用時(shí)需要確定的參數(shù)有：

1、i，j節(jié)點(diǎn)-用于彈簧單元的位置及長(zhǎng)度；

2、剛度k由等效剛度keq決定。在任一姿態(tài)下，可將液壓缸及斜支撐看作一拉桿或壓桿，在彈性區(qū)域，等效剛度可由下式近似求得：

其中：a為斜支撐和液壓缸平均橫截面積；e為彈性模量，取2.1e¹¹pa；l為斜支撐或液壓缸兩端鉸點(diǎn)長(zhǎng)度，由i，j節(jié)點(diǎn)位置決定；

3、阻尼系數(shù)cv用于計(jì)算阻尼力，可設(shè)定為常數(shù)，靜力學(xué)分析中阻尼力fc為零。原因可推導(dǎo)如下：

其中，v為上一子步計(jì)算得到的速度，ux為位移。

4、有限元模型的全局坐標(biāo)與cad模型的全局坐標(biāo)系重合或不重合時(shí)的齊次坐標(biāo)變換：

當(dāng)workbench環(huán)境下的全局坐標(biāo)系σouxyz與cad模型的全局坐標(biāo)系σogabc不重合時(shí)，需要進(jìn)行坐標(biāo)變換，以便下一步載荷方向定義和i、j節(jié)點(diǎn)位置確定，坐標(biāo)系σogabc相對(duì)于坐標(biāo)系σouxyz的齊次變換矩陣^utg：

其中：^upg為坐標(biāo)原點(diǎn)og在σouxyz中的位置；^urg為歐拉角坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換公式；

所述^urg為歐拉角坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換公式為：

其中，θ、α、δ為坐標(biāo)系σogabc的坐標(biāo)軸相對(duì)于坐標(biāo)系σouxyz的旋轉(zhuǎn)角度。

當(dāng)坐標(biāo)系σouxyz與σogabc重合時(shí)，^utg為4×4階單位矩陣。

5、載荷方向定義和j節(jié)點(diǎn)位置確定：

如圖3，如有限元模型和cad模型的的全局坐標(biāo)系重合，均以σouxyz表示，σomnk為固定在推桿上的坐標(biāo)系。有限元分析時(shí)，僅將右推桿2導(dǎo)入workbench，鏟刀5、液壓缸及斜支撐3等不再導(dǎo)入。

為了模擬推桿的某一工況，經(jīng)cad軟件的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，推桿坐標(biāo)系σomnk運(yùn)動(dòng)為σo'm'n'k'，鉸點(diǎn)d運(yùn)動(dòng)至d'，鉸點(diǎn)d'在有限元模型中的位置用于確定spring的j節(jié)點(diǎn)。而有限元模型中，推桿模型和全局坐標(biāo)系σouxyz都是不可運(yùn)動(dòng)的，所以直接參考有限元模型全局坐標(biāo)系σouxyz添加d'和施加載荷是不正確的。

將全局坐標(biāo)系σouxyz反轉(zhuǎn)為σou'x'y'z'，角度值與σo'm'n'k'相對(duì)于σomnk的角度大小相同，方向相反。所以，可以在cad環(huán)境中測(cè)量推桿幾何體相對(duì)于全局坐標(biāo)系轉(zhuǎn)動(dòng)的角度得到，再在有限元環(huán)境構(gòu)建反轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。當(dāng)施加載荷時(shí)，載荷的三個(gè)分量參考σou'x'y'z'施加。

cad模型中鉸點(diǎn)d運(yùn)動(dòng)至d'后，測(cè)量d'相對(duì)于全局坐標(biāo)系σouxyz的坐標(biāo)值，標(biāo)記為^ud'，但^ud'的值需要經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換才能在有限元環(huán)境中新建一個(gè)相應(yīng)的d'，該d'是相對(duì)于σou'x'y'z'而言的，標(biāo)記為^u'd'。坐標(biāo)系σouxyz相對(duì)于坐標(biāo)系σou'x'y'z'存在3×3階歐拉角的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換矩陣^u'ru，^u'ru的構(gòu)造參照^urg，則有限元模型中^u'd'有：^u'd'＝^u'ru^ud'。

步驟s8、有限元分析及數(shù)據(jù)處理。

本實(shí)施例中的等效單元包括但不限于是彈簧單元，還可以是beam等剛性單元。利用彈簧單元模擬有限元模型中的液壓缸與斜支撐；通過(guò)改變坐標(biāo)變換矩陣，改變彈簧單元相對(duì)于推桿的位姿，以模擬推桿的的不同工況。

為了更好地對(duì)上述方法進(jìn)行闡述，現(xiàn)舉例說(shuō)明如下：

推土機(jī)的鏟刀和推桿的cad模型如圖3所示，如cad模型和有限元模型的全局坐標(biāo)系重合，現(xiàn)對(duì)圖3中的右推桿2進(jìn)行有限元分析。按照?qǐng)D1中的操作流程，完成模型校核、右推桿2導(dǎo)入workbench、添加材料、模型處理及網(wǎng)格劃分等工作；

參照cad模型中鉸點(diǎn)o、a、b、e的位置，在workbench環(huán)境中分別建立相應(yīng)的局部坐標(biāo)系，a、b處兩個(gè)局部坐標(biāo)系分別確定spring1、spring2的一端的位置，如圖4所示(圖中箭頭1所指的是全局坐標(biāo)系，箭頭2所指的是坐標(biāo)反轉(zhuǎn)后的全局坐標(biāo)系)；

cad軟件中，將圖3中鏟刀5和推桿cad模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，到達(dá)特定位置后，測(cè)量推桿相對(duì)于全局坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，并在全局坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上新建一坐標(biāo)系并反轉(zhuǎn)，如圖4所示；

從cad環(huán)境下測(cè)量鉸點(diǎn)c、d相對(duì)于cad模型全局坐標(biāo)系的位置，將c、d點(diǎn)變換到反轉(zhuǎn)后的全局坐標(biāo)系中，最終確定的spring1和spring2的另一端位置，如圖4所示，spring的剛度由確定。

以上是結(jié)合附圖給出的實(shí)施例，僅是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選方案而非對(duì)其限制，任何對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者對(duì)部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)的技術(shù)方案范圍當(dāng)中。本發(fā)明的保護(hù)范圍還包括本領(lǐng)域技術(shù)人員不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)所能想到的任何替代技術(shù)方案。