液压挖掘机结构动态特性分析杨先平1,刘树道2(11广东省机械设备成套局,广州510030;21华南理工大学,广州510640摘要:为了研究液压挖掘机结构的动态特性,借助有限元软件ANSYS对液压挖掘机进行了模态分析。考察了其固有频率和振型,评估其动态特性,通过改进结构,改善了其动力学性能。关键词:液压挖掘机;模态分析;固有频率;有限元;结构动力学:TU621文献标识码:A:1001-3881(200511-087-2AnalysisonStructuralDynamicCharacteristicsofHydraulicShovelYANGXian2ping1,LIUShu2dao2(11GuangdongProvinceCompleteMachineryEquipmentBureau,Guangzhou510030,China;21SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,ChinaAbstract:Tostudythestructuraldynamiccharacteristicsofhydraulicshovel,themodeofhydraulicshovelwasanalyzedinvir2tueofANSYS,thenaturalfrequencyandthemodelofvibrationwerestudied,andthedynamiccharacteristicswasevaluatedandim2provedinvirtueofstructuraldynamicstheory1Keywords:Hydraulicshovel;Modalanalysis;Naturalfrequency;Finiteelement;Structuraldynamics振动特性是衡量液压挖掘机性能的一个重要指标,通过对液压挖掘机结构进行动态特性研究有利于了解液压挖掘机的振动特性,有限元法为液压挖掘机结构动态特性研究提供了有力的工具,借助ANSYS对液压挖掘机结构进行模态分析,找出结构设计上的薄弱环节,通过结构动力学修改来改善其结构动态特性。1建立有限元模型建立的有限元模型必须真实地反映挖掘机结构的力学特性,在有限元建模过程中须考虑实体模型的建立、单元类型的选取、单元数量的控制、连接方式的模拟等问题。由于液压挖掘机具有结构复杂、部件多、连接关系复杂等特点,因此采用混合建模的方法,即用PRO/E生成工作装置、行走装置、转台、液压件及连接件等主体部分,而像驾驶室、配重、发动机及水箱等非承载件直接在ANSYS中生成节点和单元,然后通过布尔操作,完成建模。像用钣金件焊接而成的部件,在Pro/E中建立surface特征来完成建模,而像液压件、连接件等部件,则建立cure特征来完成建模,而对于非承载件则在ANSYS中直接生成点模型。考虑到液压挖掘机结构的实际工况和力学特性,行走装置、回转台、工作装置用SHELL63单元模拟;驾驶室、配重、发动机及水箱等等非承载件用MASS21单元模拟;而液压件及连接件则用BEA单元模拟。在保证计算的目的和精度的前提下,单元数量的控制是出于减少计算对硬件的要求和节省计算费用的考虑。模态分析所关心的是整体结构的刚度、质量分布及约束关系,对结构的网格划分可以使网格密度尽量的低,不同的区域采用不同的网格密度,所关心的区域和变化梯度较大的区域,采用小尺寸的网格单元;而在非关心的区域和变化梯度较小的区域,则采用大尺寸的网格单元。因为液压挖掘机工作装置各部件之间、回转台与行走装置之间存在着传动关系,所以它们之间必须进行节点自由度耦合才能准确反映它们之间的力学特性,除去传递方向的自由度之外,其它自由度施加位图1有限元模型移约束。另外,挖掘机车身主要部件是通过钣金件采用缝焊工艺加工而成,用节点融合的方法能准确反映它们的力学特性。最终建立的有限元模型如图1所示。建立的有限元模型共SHELL63单元9127个,BEA单元578个,MASS21单元5个。2有限元模态计算结果分析表1固有频率及振型描述阶数固有频率/Hz振型描述101645车身弯曲21179车身扭转,33128车身扭转,动臂与斗杆连接轴处振型突变44199车身弯曲,56149车身弯曲,61015车身扭转,动杆与回转台连接轴处振型突变71817车身扭转,挖斗与斗杆连接轴处振型突变82213车身整体弯曲有限元模态分析采用lanczos算法,取前8阶模态,由于车身结构在模态分析时不施加约束,前几阶为刚体模态,其固有频率可以忽略,固有频率从大于0101Hz开始算起,表1为固有频率及振型描述。通过对固有频率和振型分析,可以对车身结构进行动态性能评估,一般准则如下:①车身结构的低阶频率,即整体一阶扭转和一阶弯曲频率值应该低于发动机怠速的频率,以避免发生车体与发动机产生共振现象;②车身结构的频率应该低于发动机经常工作的频率,以避免发生共振现象;③车身结构的振型应该尽量光滑连续,避...