機械料斗的結構整合論文
引言
料斗是工程機械中常用的一種儲料裝置，廣泛應用在建築、冶金、採礦等行業的機械裝置當中。雖然在不同的工況下料斗結構、功能會有一些區別，但是從力學模型上看，則具有很大的相似性，都是薄壁鋼板型別的力學問題。由於這類問題不屬於材料力學中的典型力學模型，因此其設計校核過程比較複雜。工程中較多的利用試湊法和實驗法來進行相關設計，計算過程繁瑣同時精度也不高。隨著計算機技術的發展，有限元技術已經日趨成熟，也逐漸從大學和研究所的實驗室逐走進了企業研發第一線。本文就介紹了基於有限元技術實現對某款築路機械料斗結構分析和最佳化的思路和方法。
1有限單元法的數學原理
如圖1所示，這一款整合式的築路機械繼承了加熱、混合、下料等功能，主要是用作對路面病害的及時修補。從該機械的使用目的可以看出，其外出作業時必須能同時攜帶足量的石子骨料、乳化瀝青等物料。其中石子骨料就是由料斗承裝。為了保證安全，就基於有限元技術展開對該料斗的精確分析。有限元法是基於數值計算方法求得工程問題近似解的一種現代設計方法。該方法的基本思路如下：先把連續幾何體離散成有限個單元，每個單元設定有限個節點，這些單元在節點上彼此聯結，每一單元所受的力都按靜力等效原則移置到節點上，成為節點荷載，選定場函式節點值作為未知量，在力學分析中常取節點的位移分量{δ}為基本未知量。再建立單元中應力與節點位移的關係，具體步驟為：先利用彈性力學的幾何方程寫出單元應變與節點位移的關係矩陣，稱應變矩陣[Β]，即：{ε}=[B]{δ}（1）由材料的本構關係可以得到單元彈性矩陣，由此可得單元應力表示式：{σ}=[D]{ε}=[D][B]{δ}=[S]{δ}（2）其中，[S]=[D][B]（3）[S]即為應力轉換矩陣。然後根據節點平衡求得單元節點力與節點位移的關係，由剛度矩陣[k]表示。根據虛功原理或最小勢能原理可得節點力{F}的表示式：{F}=蓓[B]T[D][B]dxdeydz{δ}=[k]{δ}（4）其中，單元剛度矩陣：[k]=蓓[B]T[D][B]dxdeydz=[B]T[D][B]V（5）再經逐個單元逐個節點疊加其貢獻予以集合後，生成結構剛度矩陣[K]、荷載{F}和結構節點位移{δ}，並利用平衡條件建立表達結構的力-位移的關係式：[K]{δ}={F}（6）考慮幾何邊界條件作適當修改後，利用式（6）和已求出的節點位移計算各個單元的應力，最後經後處理軟體整理、顯示計算結果。
2對料斗的初步分析
對料斗有限元分析的前處理工作主要有幾何建模、劃分網格、確定材料物性引數、施載入荷和約束等步驟。本文選擇的分析軟體是ANSYS。第一步是建立幾何模型，由於ANSYS的建模功能使用不是很方便，可以藉助專業的三維設計軟體UG建模，再透過資料介面將模型匯入ANSYS，如圖2（a）所示。需要說明的是：由於料斗底部下料口偏置，使得料斗兩邊的斜壁傾斜角不一樣，為了保證石子能夠順利下料，需保證傾斜角大於40°，因此在傾斜角不夠40°的那一邊增加一個便於導流的鋼板，如圖2（b）所示。第二步是劃分網格。在本例分析中採用的是solid92這種四面體網格，這種網格具有很好的適應性。經過ANSYS前處理的自動劃分，共劃分得到95272個節點，如圖2（c）所示。第三步是施載入荷。為了簡化分析工作同時保證安全，料斗的載荷型別近似按照水壓的載荷去考慮，如圖2（d）所示。這種載荷的特點就是載荷的方向始終垂直於載入面，而且載荷的大小隨x軸距離的增加線性增大，其滿足的規律為：p（x）=gx（7）其中：記為石子骨料的密度。這樣的載入方式是最接近料斗的真實承載情況，同時也比真實承載的情況要稍大一些，能保證分析結果安全可靠。第四步是對料斗模型施加約束。由於料斗是透過支撐板與底架進行焊接連線，因此支撐板的底面可以認為是參考基準，所以只要約束支撐板底面多有的自由度即可。最後確定材料的常數。選用價效比較好，焊接效能也較優良的A3鋼，本次結構分析需要用的到引數主要有兩個，即金屬楊氏模量，取值2e11N/m2；泊松比，取值為0.3。以上即完成前處理工作，就可以進行解算。經過ANSYS計算再由軟體通用後處理模組的處理就可以看到最終的結果檔案。後處理提供了包括位移、應力、應變、應變能等多項結果。在所有的計算結果中，最需要關注的有兩個，一個是變形，一個是應力。變形量和應力是判斷設計方案是否滿足剛度強度標準和剛度標準的最直接的判斷依據。透過圖3可以看出該料斗在滿載時的分析結果。圖3（a）所示的是料斗外圍鋼板應力分佈情況，可以清楚看到在鋼板的邊緣處應力最大。這是由於料斗承受載荷較大，加之鋼板連線部分幾何結構突變造成一定程度的應力集中，最大應力已經高達303Mpa，這已經超過了A3鋼材料的屈服極限235Mpa。圖3（b）所反映的是料斗內部的應力分佈情況，也可以直觀的看到導流板的邊緣應力很高，也達到了200Mpa。這是由於導流板上承受的載荷實際上是由焊接部分的焊縫來承擔。因此可以得出結論，這個料斗不能滿足強度要求。接下來再透過觀察料斗節點的位移雲圖來分析變形情況。圖3（c）反映的是料斗外圍鋼板的變形。其中最大變形的區域是側面鋼板上邊緣的'中間。這個區域是結構受約束最少的地方，也就是結構最薄弱的區域，因此最大變形出現在該區域是合情合理的。該區域的最大變形高達64mm，這個變形量已經十分可觀了，超過該料斗在這個方向上總尺寸的3%。根據圖3（d）也可以看到在導流板的中部區域也是變形較大的地方，變形量也在20mm左右。這是因為導流板完全是靠其邊緣與周圍鋼板焊接的焊縫來固定的，中間完全是懸空的，所以結果剛度較差。總之透過對料斗變形的分析，可以得出結論：變形量太大，剛度要求也不能滿足。
3對料斗的結構最佳化
針對原方案中有問題的區域採取以下改進措施。首先是料斗口部由於僅靠邊緣的焊縫固定，使得結構剛度效能和強度效能都不高，因此可以採用角鋼和扁鋼來強化這個結構。即沿料斗口部固定一圈角鋼，並且在中間結構剛度最差的地方用扁鋼連線，透過增加結構約束提高結構的剛度，如圖4（a）所示。針對於原設計方案中導流板僅靠周圍的焊縫固定使得結構剛度較差的情況，改進方案中在導流板與底板之間加設三片加強筋，以起到增加約束提高結構剛度的目的，如圖4（b）所示。對原設計方案進行了改進最佳化之後，還需要再次進行分析，以確認改進方案是否能滿足使用要求。對改進方案的分析過程與前面的分析過程完全一樣，惟一有所區別的是網格的劃分。由於多了一些結構，同樣採用的是solid92這種四面體網格，共劃分得到102512個節點。需要說明的是新增加的結構均為焊接聯結。但是為了簡化分析工作，同時考慮到焊接也不是分析的主要矛盾，因此可以採取整體處理法，即作為一個整體的模型劃分網格。經過解算可以得到料斗改進設計方案的分析結果，如圖5（a）所示，料斗改進方案外部鋼板的應力的分佈已經比原方案要均勻多了，雖然邊緣的應力仍然較大，但是已經降到了95Mpa以下。最大應力的位置現在是出現在料斗底部與支撐板的連線處，為142Mpa。從圖5（b）中可以看到改進方案中導流板下設定的三片加強筋已經已到了支援的作用，導流板邊緣焊縫處的最大應力降到了47.8Mpa，導流板整體的應力分佈也更加均勻。相比較另一側的斜板焊縫的應力顯得要大些，但最高也不超過95Mpa。因此可以看出料斗改進方案的最大應力也遠低於材料的屈服極限，因此改進方案滿足了結構的強度要求。接下來考慮料斗改進方案的變形情況。在圖5（c）中可以看到料斗改進方案中由於增加了角鋼和扁鋼來強化結構，原方案中結構剛度較差的區域都被大大的強化。在原方案中變形量超過60mm的區域在改進方案中變形量僅為1mm左右。相比這個區域，料斗的喇叭口邊緣的變形就比較大，但變形量也僅為5mm左右，這個變形量與其總體尺寸比較，相對變形量還不到0.3%，這樣就大大提高了料斗的剛度。另外從圖5（d）中可以看到，改進方案中導流板下的加強筋已經充分的起到強化結構的作用，這一區域的最大變形量不超過2mm。而在原方案中，這個變形量是超過40mm。最後可以看到改進方案已經能夠充分的保證強度要求和剛度要求，是能夠滿足安全效能要求的。因此可見透過有限元分析有效的實現了料斗結構最佳化。
4結束語
本文基於有限元技術對一款料斗進行了精確的結構分析，透過分析結果可以發現該料斗具有強度和剛度不足的問題。採取針對性的措施加以改進最佳化，並再次透過有限元分析，驗證了改進後的產品具有足夠的安全性。由此可見有限元技術能夠有效的幫助工程技術人員提高工作效率和產品可靠性。
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