基于Simulation 的395B 电铲动臂技术改造
引言
中钢集团衡阳重机有限公司是中国装备制造业中的大型骨干企业， 是业内有广泛影响的冶金、矿山成套设备供应商。在波澜壮阔的国企变革创新浪潮中，中钢衡重把握机遇，拼搏进取，通过整体改制和重组再造，完成了历史性的转变，成为中国中钢集团公司装备制造业务板块中的重要力量。
公司与神华准格尔能源有限责任公司签订了关于合作优化改造395B 电铲动臂的相关文件，该公司根据近年来395B 电铲在其矿山中的使用情况以及发现的相关问题，提出395B 型号的电动挖掘机的动臂存在多处结构上的缺陷。为了解决生产过程中的实际问题，神华准格尔能源有限责任公司与公司专业技术人员对电铲动臂结构上进行了重新设计，改造，具体设计要求如下：
a ：将天轮轴孔改为螺栓瓦座紧固装配形式，以便日常检修与换装。
b ：将动臂铸件部分以上底部和侧翼钢板进行加厚，以增强强度，加厚的尺寸及部位需达到用户要求。本文中主要分析将天轮轴孔设计优化成螺栓瓦座紧固装配形式，通过Simulation 软件分析瓦座在受到正常力的情况下，连接瓦座与动臂的螺栓的强度。
一 395B 电铲动臂的工况分析
395B 电铲铲斗的容量范围为26.7～53.52立方米，用户目前所使用的395B 电铲斗容是29.8立方米。电铲铲取物料过程中，提升钢丝绳绕在动臂天轮上以提升铲斗，同时推压钢丝绳推动铲斗工作，铲斗提升与推压同时动作，动臂上安装天轮的部分受提升钢丝绳垂直向下的分力。我们假定铲斗在满斗情况下保持平衡并且提升铲斗的钢丝绳垂直向下，以铲斗斗容30m3计算，，电铲所铲取的物料为煤，物料的容积比为1.5，物料总重为45t ，铲斗自身的重量为30t 。
请看天轮及天轮轴的受力简图。
当提升钢丝绳处于静止平衡状态，天轮轴所受的垂直方向的压力F=T+Tsin45°≈125t=1250000N ，将所受的力加载在经过改造设计的395B 动臂上，计算分析在受此力下，螺栓是否满足设计要求。
二 建立数字化三维分析模型
根据神华准格尔能源有限责任公司提出的相关要求以及经过公司专业技术人员的努力，将原395B 电铲动臂结构进行了设计更改并绘制出了动臂的三维模型。
下面两张图分别是395B 动臂改造前与改造后的结构。
(改造前) (改造后)
从上面两张图发现395B 原设计中，天轮安装位置与动臂是一个整体，在矿山实际使用过程中，天轮安装位置容易磨损，需要定期维护和更换零部件。整体结构使得动臂在维护和更换零部件上难度增加，并且增加了维护费用与保养难度。相比原设计，更改后的结构采用了螺栓连接形式，下瓦座与动臂经焊接连成一体，紧固用的螺母被放置在动臂上所设计的方孔中，巧妙的应用了六角螺母在方孔中无法转动的优势而使得螺栓不易松动并方便上瓦座的拆卸与维护。
三 利用Simulation 进行有限元分析
在使用Simulation 对动臂结构进行分析时，我们需要做一些准备工作。大家都知道，动臂是一个体积很大的部件，如果我们用整个动臂装配体进行分析，不仅浪费时间还可能因为模型的各种原因造成结果不真实。所以在学习有限元分析时，老师总是提醒我们在分析一个物体时，我们到底关心的是什么，我们想达到的目的是什么。别的物体出现什么状况都可以不管，只关心我们关注的物体的结果如何。所以，像今天我们分析的这个物体，关心的只是在对动臂进行设计改造后，采用的螺栓连接形式可不可靠，能不能用这种形式。因此我们需要将模型简化成易分析但又不影响结果的形式。请看模型图解。
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接下来就可以对物体进行有限元分析了。点击图标，新建一个静态算例。按照有限元分析软件的操作流程，依次对零部件添加材料，接触关系，夹具，载荷，划分网格。
在分析中的连接选项中，设定了8个螺栓接头，螺栓大小为M42，根据机械设计手册查得螺距为4.5mm,指定了螺栓为10.9级的强度，最低安全系数为2，施加的预紧力矩为5550Nm 。下图为添加螺栓接头的情况以及螺栓接头中的一些内容。
在划分网格后，采用Direct sparse 直接解算器进行求解。对结果启用销钉/螺栓检查，得出的结论证实螺栓强度完全能满足实际生产需要，请看下图。图一显示的是分析整个模型的应力情况，图二表示在受载荷情况下，螺栓强度的情况，绿色表示安全，即能够满足要求。
图(一)
图(二)
四 结论
经过Simulation 软件的分析，得出经过改造设计的395B 动臂结构是能够符合实际生产要求的。利用计算机辅助三维仿真设计代替传统的试验性设计，大大提高了设计效率，节省了研发费用，这将为我公司在机械设计制造领域的发展提供强有力的保障。
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行建模和分析是非常困难的，螺栓预紧力与剪切力很难考虑。进行结构设计时，设计人员通常只关注螺栓的规格及数量，对螺栓件本身的应力分布并不太关心。利用SolidWorks Simulation 提供的虚拟螺栓接头，对螺栓进行强度校核，可方便的确定螺栓的类型与数量。本节以泵上外接管与吐出弯管间法兰螺栓为例，简述虚拟螺栓接头在分析中的应用。
4.1分析过程
1、建模及单元处理
选取上外接管与吐出弯管组成装配体，螺栓组件无需建立实体模型。同时，由于模型结构、材质及边界条件对称，取模型的一半建立分析模型。筒体及筋板采用壳建模，法兰用实体建模。外接管、吐出弯管及法兰选用材料：Q235-A 。
3、边界条件
（1）载荷与约束
对上外接管顶面施加固定约束，限制该面各节点6个自由度；限制吐出弯管法向位移；由于去除了一半的模型，故在对称面添加“对称”约束，模拟去除部分的支撑作用；由于壳单元的厚度方向不能直接应用“对称” 约束，故利用“使用参考几何体”的约束方式来代替：限制壳边线关于对称面的法向位移与其余两个方向的旋转自由度。
对上外接管及吐出弯管内壁施加最大工作压力，将下部其余部件的重量及水对内壁的影响力施加到吐出弯管下法兰面。载荷和约束如图4所示。
（2）接触条件
在上外接管与吐出弯管间的法兰连接面添加“无穿透”接触
条件。图4载荷与约束
（3）螺栓接头
上外接管与吐出弯管间的法兰螺栓组件利用SolidWorks Simulation 提供的虚拟螺栓接头来模拟。软件提供了螺栓智能分析工具，设计人员只需定义几个必需的参数：螺栓类型、螺栓杆、螺母、螺栓直径、松紧配合方式、螺栓材料、强度数据、螺栓预载等，即可完成螺栓模拟。如图5所示
。
图5 螺栓接
对螺栓进行有限元分析时，预载荷是非常重要的参数，SolidWorks Simulation 中可选择两种方式定义预载：轴向力和螺栓预紧力矩。轴向力的大小可查阅相关手册与资料，在此不做过多论述。本例输入螺栓预紧力矩与摩擦系数，软件将根据如下公式自动换算轴向力与预紧力矩：
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不同的约束条件会改变模型的刚度矩阵，因此选择合理的约束条件能更真实体现模型实际工况，上、下轴在三处位置采用赛龙轴承支撑，轴承刚度对转子系统的频率有影响，不可忽略。轴承刚度参数可采用用实验的方法获得较为准确的数值（或通过查阅相关手册利用经验公式推算近似数值）。
SolidWorks Simulation提供了“轴承夹具”来模拟轴承的影响。输入径向及轴向的刚度来考虑轴承刚度对结果的影响，本文比较刚性轴承（假设轴承刚性非常大、接触面不能平移或变形）与柔性轴承（考虑轴承刚度大小）对结果的影响。如图7所示。
一般来说频率分析时，可不考虑载荷情况。但载荷会改变零部件的结构刚度，如拉力会增大抗弯刚度，增大结构的固有频率。反之，压力会减小的固有频率。因此，频率分析时设计人员应综合考虑载荷的影响，并对其进行比较。SolidWorks Simulation可以自动考虑具有预载荷的结构模态，系统会自动选择稀疏求解器代替迭代求解器，以保证求解精度。本文中，暂不考虑外载情况。
图7 轴承夹具
（2）接触条件
模态分析要求刚度矩阵和质量矩阵为线性，不可以考虑结构的非线性、包括材料非线性、几何非线性及状态非线性，故将所有零部件之间的接触条件定义为“结合”。
5.2结果分析
考虑结构振动问题时，通常只关心结构的低阶频率，故只研究系统的前5阶频率。本例中斜流泵的电机转速为370r/min，对应的频率及频率倍数为
6.1667；12.3334；18.5001；24.667；30.8335、3
7.0002 Hz。分析得到的转子系统前5阶的固有频率见表2。系统固有频率与激励频率（即电机频率）应远离20%以上。
表2：转轴系统前5阶频率
从表2可知，轴承刚度对频率有一定影响，但对应的振型基本类似，分析时应充分考虑轴承刚度，故以柔性轴承的频率结果做为最终分析结果。1阶频率为0，为结构周向的刚体频率。故结构的第1阶固有频率实质为27.041 Hz，对应的振型如图8 所示。1阶振型为YZ平面的弯曲振动；2阶振型为XY平面的弯曲振动；3阶为系统的局部弯曲振动；5阶周向振动。
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分析A ：一阶振型 B ：二阶振型 C ：五阶振型
图8 转轴系统部分阶次振型
一般来说，对泵轴的研究，只需要考察1、2阶的自振频率和振型即可满足工程设计的需要，由分析可知，激励的频率（6.1667 Hz ）远远小于转轴系统的基频27.041Hz 。故该泵的发生共振的可能性非常小，符合设计要求。
影响泵轴的固有频率及对应的振型的因素很多，如：轴的结构、长度、直径等参数影响；轴承支撑的跨距、外伸端情况、轴承的弹性、阻尼大小；离心力、扭矩、轴向力等影响。分析时应根据实际工况，合理考虑，来考察结构的固有特性。
结论
本文针对斜流泵设计中面临的问题，对斜流泵结构强度及振动特性分析方案进行了规划，以典型零部件分析为例，介绍了SolidWorks Simulation 在斜流泵有限元分析研究中的应用。
（1）利用SolidWorks Simulation 对电机支座进行了强度分析与结构参数优化，通过
SolidWorks 配置设计及SolidWorks Simulation 复制粘贴算例、批处理等方法，展示了设计仿真一体化的优势。
（2）运用虚拟螺栓接头模拟机械结构中的螺栓连接方式，分析预载荷对螺栓强度的影响，校核螺栓强度，确定螺栓的型号与数量，简化了分析过程。
（3）对泵转子系统和整体系统的振动特性进行分析，为电机选型提供了理论依据。
参考文献
[1] 关醒凡.现代泵技术手册[M].北京.宇航出版社.1995(5):579-584
[2] 许第洪,李仲阳，彭浩歌等.基于SolidWorks 的水泵创新设计平台[J].CAD/CAM 与制造业信息化.2007(2):87-90
[3]张俊. COSMOSWorks 装配体分析之高级连接技术
[4]桑一萌.基于有限元的泵轴强度分析[D].江苏：江苏大学.2007
[5] JB/T 10812—2007, 立式斜流泵[S].
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学生学号实验课成绩 学生实验报告书 实验课程名称材料成型数值模拟设计实验 开课学院材料学院 指导教师姓名 学生姓名 学生专业班级成型1001班 2012-- 2013学年第二学期
实验教学管理基本规范 实验是培养学生动手能力、分析解决问题能力的重要环节；实验报告是反映实验教学水平 与质量的重要依据。为加强实验过程管理，改革实验成绩考核方法，改善实验教学效果，提高 学生质量，特制定实验教学管理基本规范。 1、本规范适用于理工科类专业实验课程，文、经、管、计算机类实验课程可根据具体情况参 照执行或暂不执行。 2、每门实验课程一般会包括许多实验项目，除非常简单的验证演示性实验项目可以不写实验 报告外，其他实验项目均应按本格式完成实验报告。 3、实验报告应由实验预习、实验过程、结果分析三大部分组成。每部分均在实验成绩中占一 定比例。各部分成绩的观测点、考核目标、所占比例可参考附表执行。各专业也可以根据具体情况，调整考核内容和评分标准。 4、学生必须在完成实验预习内容的前提下进行实验。教师要在实验过程中抽查学生预习情况， 在学生离开实验室前，检查学生实验操作和记录情况，并在实验报告第二部分教师签字栏签名，以确保实验记录的真实性。 5、教师应及时评阅学生的实验报告并给出各实验项目成绩，完整保存实验报告。在完成所有 实验项目后，教师应按学生姓名将批改好的各实验项目实验报告装订成册，构成该实验课程总报告，按班级交课程承担单位（实验中心或实验室）保管存档。 6、实验课程成绩按其类型采取百分制或优、良、中、及格和不及格五级评定。 附表：实验考核参考内容及标准 观测点考核目标成绩组成 实验预习1．预习报告 2．提问 3．对于设计型实验，着重考查设计方案的 科学性、可行性和创新性 对实验目的和基本原理 的认识程度，对实验方 案的设计能力 20% 实验过程1．是否按时参加实验 2．对实验过程的熟悉程度 3．对基本操作的规范程度 4．对突发事件的应急处理能力 5．实验原始记录的完整程度 6．同学之间的团结协作精神 着重考查学生的实验态 度、基本操作技能；严 谨的治学态度、团结协 作精神 30% 结果分析1．所分析结果是否用原始记录数据 2．计算结果是否正确 3．实验结果分析是否合理 4．对于综合实验，各项内容之间是否有分 析、比较与判断等 考查学生对实验数据处 理和现象分析的能力； 对专业知识的综合应用 能力；事实求实的精神 50%
等以液态铸造成形，固态塑性成形和连续成形以及黏流态注射成形等为代表的材料加工工程。 将一个成形铸造过程定义为由一组控制方程加上边界条件构成的数学的有解的问题，是在计算机系统平台上利用数值方法仿真（虚拟）材料的成形过程。目的：帮助人们认识与掌握材料特性、成形方案、工艺参数等内在、外在因数对材料成形质量和工模具寿命 分）成有限个形状简单的子域单元②利用有限个节点将各子域连接起来，使其分别承受相应的等效节点载荷③借助子域插值函数和“平衡”条件构建各子域的物理场控制方程④将这些方程按规则组合⑤在给定的 载荷、建立边界初始条件②求解计算过程，内容：计算刚度曲线、节点位移、应变应力③后置处理过程， 件或曲面零件的一种冲压加工方法。②胀形：在模具作用下，迫使毛坯厚度减薄和表面积增大，以获得零件几何形状的冲压加工方法。③修边：指利用模具刃口切除拉深件上工艺补充部分材料的冲压加工方法。 ④翻边：指利用模具将板坯或制作上的内外边缘翻制成竖边的冲压加工方法。⑤弯曲：指在模具的作用下，将板料或板料局部按设计要求弯制成一定角度和一定曲率半径的冲压加工方法。⑥落料和冲孔：两者都是 利用模具刃口沿封闭轮廓曲线冲切毛坯而完成加工，落料获得平板零件或板坯， 具体有：①起皱缺陷模拟：起皱是薄板冲压成形中常见的缺陷之一，起皱严重到一定程度将使零件报废，仿真技术能较好地预测给定条件下冲压件可能产生的起皱，并通过修改模具或工艺参数予以消除。②拉裂：是冲压件成形失效的另一种形式，采用计算机仿真技术能够较为准确地计算材料在冲压成形中的流动情况，因而可较准确地预测变形体内的应变分布和板坯的减薄，为判断是否存在拉裂可能性提供科学、可靠的依据。③回弹：冲压成形件卸载后的回弹是不可避免的物理现象，冲压成形数值模拟技术的诞生为计算复杂冲压件的回弹提供了有 、①在UG 软件中生成零件模型，将生成零件另存为iges格式文件。②在Dynaform软件中点击菜单栏中的“文件”，出现下拉菜单，选择“导入”，弹出对话框，选择对象文件，点击“确定”。 2、零件网格划分：①打开后缀名为“.df“的零件，并设为当前零件。②点击菜单栏中“前处理”选择“单元”，弹出单元对话框。③点击对话框中“曲面网格化”，点击右上角“网格划分”按钮，弹出网格对话框。 ④在网格对话框中点击“选择曲面”，用十字光标点击曲面使之变白，点击确定。⑤点击“应用”，并接受自动网格划分结果即可。
数值模拟方法在材料成型中的应用。 数值方法主要包括有限元法、边界元法和有限差分法。这类方法能够模拟金属成形过程，直观描述材料的变形流动状况，定量地计算出工件内部的应力、应变和温度分布状态，适用于分析非常复杂的成形过程。在各种数值模拟方法中，有限元法由于能够准确描述变形过程的物理特性，全面考虑各种初、边值条件的影响，对复杂边界具有较高的拟合精度，并且可以求出全部物理量，因此得到了最为广泛的应用。根据金属成形过程中材料本构关系的不同，有限元法可分为两大类[78]：一类是固体型塑性有限元法，包括小变形弹塑性有限元法和大变形弹塑性有限元法，另一类是流动性塑性有限元法，包括刚塑性有限元法和刚(粘)塑性有限元法。 建立有限元时所采用的方法，及把问题表述为变分形式或加权残差形式，再把该表述进行有限元离散化，并有效的求解所导出的有限元方程，最终结果是在计算机上实现了一个完整的数值处理过程：有限元矩阵的表述，用来计算这些矩阵的数值积分，把单元矩阵集合成相应于整个有限元系统的矩阵，以及系统平衡方程组的数值求解。弹塑性有限元法由Marcal和King于1967年首先提出[78],它同时考虑弹性变形和塑性变形，弹性区采用Hook定律，塑性区采用Prandtl.Reuss 方程和Mises屈服准则。采用弹塑性有限元法分析金属塑性成过程，不仅能按照变形路径得到塑性区的变化、工件的应力、应变分布规律和大小以及几何形状的变化，而且还能有效地处理卸载问题、计算残余应力和残余应变，从而可以进行回弹预测及缺陷分析。但是弹塑性有限元法由于要考虑变形历史的相关性，需要采用增量加载，在每一增量加载步中，都须作弹性计算来判断原来处于弹性区的单元是否已进入屈服，对进入屈服后的单元就要采用弹塑性本构关系，从而改变了单元刚度矩阵。为了保证精度和解的收敛性，每次加载不能使很多单元同时屈服，这就使得每次计算时的变形增量不能太大。对于大变形问题计算时间较长、效率较低。板料成形问题多采用弹塑性有限元法。 刚塑性有限元法由Lee和Kobayashi于1973年提出[78]。它不考虑弹性变形，采用Levy—Mises方程作为本构方程，满足体积不变条件，并采用率方程描述。变形后的构形是通过对速度积分而获得的，由此避开了有限变形中的几何非线性问题。刚塑性有限元法不需要求解应力增量，在每一增量加载步都直接求出应力，所以没有应力的误差累积。与弹塑性有限元法相比，可采用较大的增量步长，从而减少计算时间，提高计算效率。但是由于忽略了弹性变形，刚塑性有限元法仅适合于塑性变形区的分析，不能直接分析弹性区的变形和应力状态，也无法处理卸载问题和计算残余应力、残余应变及回弹。ZiekiewiCZ等[78]提出了刚(粘)塑性有限元法，考虑了时间因素，适用于分析金属在高温下的流动过程或某些对