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有限元分析在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)計(jì)算分析中得到了廣泛的應(yīng)用，但是絕大多數(shù)應(yīng)用僅限于對某個(gè)關(guān)鍵部件或者部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及模態(tài)分析，由于結(jié)構(gòu)件分開計(jì)算時(shí)，存在邊界條件及載荷難以確定、結(jié)構(gòu)簡化等問題，從而會(huì)影響有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。
工作裝置是挖掘機(jī)直接承受工作載荷的主要構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接影響到挖掘機(jī)的可靠性和工作性能。為了實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)度設(shè)計(jì)及對危險(xiǎn)截面和應(yīng)力集中部位的加強(qiáng)作用，一般將動(dòng)臂和斗桿設(shè)計(jì)成不規(guī)則箱型焊接結(jié)構(gòu)。由于這種不對稱性及各部件間的耦合作用，不應(yīng)該采用解析法計(jì)算結(jié)構(gòu)上任意一點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移，用有限元法卻相對容易實(shí)現(xiàn)。長期以來，國內(nèi)采用有限元法對挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行了大量的研究，包括對動(dòng)臂、斗桿及鏟斗分別進(jìn)行有限元強(qiáng)度、剛度及模態(tài)分析，對工作裝置各組成部件間的連接銷軸進(jìn)行有限元分析等。但是，目前針對工作裝置整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行集成有限元分析的研究成果較為少見。
本研究從系統(tǒng)集成的角度，以挖掘機(jī)的整個(gè)工作裝置為研究對象，建立完整的工作裝置三維集成有限元模型液壓挖掘機(jī)工作裝置由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗及油缸等組成，依據(jù)某液壓挖掘機(jī)的參數(shù)，利用UG軟件建立車架、動(dòng)臂、斗桿、鏟斗的三維幾何模型。在建模過程中，去掉了螺紋孔、不會(huì)影響有限元結(jié)果的倒角、運(yùn)輸?shù)醵纫亍Ｔ趯?shí)際模型中焊縫處均按連續(xù)處理，其材料按照與母材相同處理，將以上各個(gè)部分裝配到一起的幾何模型如圖所示。
由于工作裝置的實(shí)際結(jié)構(gòu)主要是由薄鋼板焊接成的，且?guī)缀文Ｐ秃軓?fù)雜，故劃分有限元模型的單元類型選擇三維實(shí)體單元Solid45，油缸采用link8單元模擬。然后利用UG中GFEM模塊提供的面向ANSYS軟件的有限元前處理功能生成有限元模型。圖為某一工作位置集成有限元模型。根據(jù)原GB/T9141-88《液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)方法》，挖掘機(jī)工作裝置分為5種計(jì)算工況：
(1)計(jì)算工況1：動(dòng)臂液壓缸全縮，斗桿液壓缸作用力臂最大，斗齒尖位于鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)和斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)連線的延長線上。該工況下載荷為重力、切向力和側(cè)向力。
(2)計(jì)算工況2：動(dòng)臂和斗桿液壓缸作用力臂最大，斗齒尖位于鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)和斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)連線的延長線上。該工況下載荷為重力和切向力。
(3)計(jì)算工況3：動(dòng)臂和斗桿液壓缸作用力臂最大，鏟斗液壓缸以最大當(dāng)量力臂工作。該工況下載為重力和切向力。
(4)計(jì)算工況4：動(dòng)臂液壓缸全縮，斗齒尖位于鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)和斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)連線的延長線上，且該3點(diǎn)所在的直線位于鉛垂線上。該工況下載荷為重力、切向力和側(cè)向力。
(5)計(jì)算工況5：斗桿油缸全縮，動(dòng)臂油缸保證使動(dòng)臂和斗桿展開的離上車架回轉(zhuǎn)中心線最遠(yuǎn)的位置。鏟斗油缸伸到最長，使鏟斗的位置能夠裝載物料。該工況下載荷為重力與慣性制動(dòng)力矩。
根據(jù)載荷作用，可以建立5種工況下工作裝置集成有限元模型。圖為計(jì)算工況1情況下整體有限元模型，圖為計(jì)算工況2情況下整體有限元模型。通過對部件間的角度旋轉(zhuǎn)及接合處結(jié)構(gòu)的調(diào)整，可獲得不同姿態(tài)工況的有限元模型，從而進(jìn)行不同工況下的強(qiáng)度、剛度及模態(tài)分析研究。通過對各種工況下的有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到不同工況下應(yīng)力集中部位、危險(xiǎn)截面發(fā)生部位及變形量最大部位。
對于不同工況，根據(jù)工作裝置承受載荷的不同，有限元分析結(jié)果存在差異。本研究主要以不同的典型工況為例，對工作裝置進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及模態(tài)分析。
以計(jì)算工況2為例，對工作裝置進(jìn)行整體集成強(qiáng)度分析。該工況是動(dòng)臂和斗桿液壓缸作用力臂最大，斗齒尖位于鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)和斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)連線的延長線上，方向垂直于鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)和斗桿與動(dòng)臂鉸點(diǎn)的連線，載荷為重力和切向力，作用在中齒齒尖上，這時(shí)動(dòng)臂油缸所承受的拉力和斗桿油缸所承受的壓力都達(dá)到了最大值。具體的加載方式如圖所示。圖為切向載荷和自身重力載荷作用時(shí)計(jì)算得到的工作裝置整體應(yīng)力圖。表表示工作裝置最大應(yīng)力位置分布情況，斗桿和動(dòng)臂均出現(xiàn)了大應(yīng)力的位置。如圖所示，從工作裝置整體應(yīng)力圖中提取斗桿與動(dòng)臂局部應(yīng)力位置圖，可以得到該工況下斗桿、動(dòng)臂的應(yīng)力分布情況，斗桿應(yīng)力最大的位置在斗桿與動(dòng)臂的連接處以及鏟斗油缸的支座處；動(dòng)臂大應(yīng)力的位置主要是在斗桿油缸支座處、連接蓋的根部以及動(dòng)臂下蓋板前端。
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