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【摘 要】随着装载机的迅速发展，传统的装载机铲斗设计方法，很难获得各项指标都满意的设计方案，不能满足现代设计的要求。本文通过对ZL50装载机工况分析，确定分析工况，利用PRO/E建立铲斗的几何模型，保存成IGES格式的数据，导入到有限元软件ANSYS中，在ANSYS中建立有限元模型，进行装载机铲斗的有限元分析，根据分析结果，对其进行结构优化。
【关键词】ZL50F-Ⅱ；装载机铲斗；优化设计；应力分析
随着装载机的迅速发展，传统的装载机铲斗设计方法，例如类比试凑作图法、基于平移性的作图法、覆盖法、解析法等由于工作繁琐、设计精度低及周期长，很难获得各项指标都满意的设计方案，不能满足现代设计的要求。利用有限元法，可以对复杂结构进行极为有效的数值计算。
通过对ZL50装载机工况分析，确定分析工况，利用PRO/E建立铲斗的几何模型，保存成IGES格式的数据，导入到有限元软件ANSYS中，在ANSYS中建立有限元模型，进行装载机铲斗的有限元分析，根据分析结果，对其进行结构优化。
1.装载机工况分析
1.1 外载荷的确定
装载机铲斗在插入料堆，铲取物料和举升铲斗的作业过程中，铲斗要克服切削物料的阻力、物料与铲斗间的摩擦力和物料自身的重力。为了分析问题的方便，假设它们作用在铲斗齿尖的刃口上，并形成两个集中力——水平插入阻力和垂直掘起力。装载机实际作业时不可能使铲斗切削刃均匀受载，但可简化为两种极端受载情况：一是对称载荷，计算时用一个作用在斗刃中部的集中载荷来代替；二是偏心载荷，通常将其简化后的集中载荷加在铲斗侧边的第一个斗齿上。
装载机在铲掘作业过程中，通常有以下3种典型的受力工况：
（1）铲斗水平插入料堆铲斗斗刃只受水平插入阻力的作用；
（2）铲斗水平插入料堆铲斗斗齿只受垂直掘起力的作用；
（3）铲斗边插入边收斗或边插入边举臂进行掘起作业时，铲斗斗刃同时受水平插入阻力和垂直掘起力的作用。
将对称载荷和偏载情况分别与上述三种典型受力工况相结合，就可以得到铲斗6种典型的受力作业工况，a）水平对称载荷 b）垂直对称载荷 c）水平和垂直对称裁荷 d）水平偏载荷 e）垂直偏载荷 f）水平和垂直偏载荷
1.2工况计算
铲斗工作时的位置多种多样，受力情况也各不相同，但以掘起和铲入掘起为最恶劣工况。本文对a、d作业工况不予讨论，只考虑其余四种工况。
铲斗所受水平载荷取决于装载机的最大牵引力，而其垂直载荷则由转斗缸所能提供的力矩换算得到。
1.2.1 铲斗受力分析
取额定装载量， 按静力等效的原则将力施加在铲斗内，距离齿尖100mm处的中部。ZL50F-Ⅱ 装载机性能参数见表1
作用于铲斗上最大的垂直载荷为：=151kN
作用在铲斗上的最大水平载荷为：=140kN
表1装载机性能参数表
整机质量 （kg） 21265
铲斗容量 （ m3） 3.5
额定载荷 （kg） 5000
卸载高度（升至最高点45°倾卸角时） （mm） 3142
卸载距离（升至最高点45°倾卸角时）（mm） 1315
铲挖深度（铲斗前倾10°时） 398
最大掘起力（kN）力 （ kN） 151
最大牵引力（kN） （力 （kN） 140
爬坡能力 （°） （（力 % 29
最小离地间隙（mm）隙 （mm） 453
外形尺寸（长/宽/高）高） （mm） 8100/31800/3406
1.2.2 各工况受力分析
（1）掘起正载：垂直载荷为=151kN；
（2）铲入偏载：垂直载荷为=151kN，水平载荷为=140kN，偏载距为1315mm；
（3）铲入正载：垂直载荷为=151kN，水平载荷为=140kN；
（4）掘起偏载：垂直载荷为=151kN，偏载距为1315mm。
2.铲斗的建模过程
由于是在装载机铲斗几何模型的基础上建立有限元模型，而且是采用板壳单元生成铲斗的有限元模型，因此，建立几何模型时，直接采用中曲面建立铲斗的几何模型，使铲斗的几何模型的建立得到简化，省去了在有限元前后处理软件中提取中曲面的处理步骤，既节省时间，又提了工作效率。
（1）建立铲斗的斗壁、侧板、侧立板、侧刀板、主刀板等，构建出整体的框架，如图1所示。
（2）创建边耳板、中耳板、加强筋等其他平面，如图2所示。
（3）完成其他小的平面，修改模型完成后，如图3所示。
图1铲斗整体框架 图2铲斗的其他平面
图3完整的铲斗模型
3.有限元模型的建立与分析
3.1 模型的前处理
3.1.1 单元类型的选择
图4 以不同实常数显示模型 图5分网后的有限元模型
装载机铲斗是由一系列薄壁件组成的结构，形状复杂，宜离散为许多板壳单元的组集，因此，选取板壳单元作为分析的单元类型。在ANSYS单元库里有多种板壳单元类型，根据装载机铲斗所受载荷的特点，选取SHELL63单元，因为它既具有弯曲特性，又具有膜特性。SHELL63单元适用于同时受横向载荷和膜载荷的薄板结构，适用于应力刚化和大变形分析问题。该单元在每一个节点有6个自由度：沿坐标轴x， y， z方向的线位移和绕坐标轴x， y， z的角位移。如圖6 所示。
3.1.2 定义实常数
由于装载机铲斗由许多厚度不同的薄板组成，因此需定义不同的实常数，这是板壳问题分析中所特有的。统计铲斗的厚度应定义7个实常数，厚度分别为8、10、16、22、32、54、24（其中由于斗壁与加强板焊为一体，所以厚度为24）。如图4所示。 3.1.3 定义材料属性
装载机铲斗由三种材料组成，其中装载机的轴套由Q235-D组成，主刀板由ZG25CrMnMo组成，其余各板均由16Mn组成。各材料力学性能见表2。
3.1.4 划分网格
划分网格是有限元分析中的重要环节，网格划分的是否合理关系到结果的正确与否。模型的求解规模和求解时间对立统一于网格的疏密程度。网格划分是有限元前处理中的主要工作，也是整个有限元分析的关键工作。网格划分的质量和优劣将对计算结果产生相当大的影响。根据实际，划分网格如图5所示。共划分为8548个节点，8489个单元。
表2 各材料力学性能
选用的材料 材料特性 屈服极限
16Mn 弹性模量E（MPa） 210 345 MPa
泊松比 0.3
ZG25CrMnMo 弹性模量E（MPa） 202 1100 MPa
泊松比 0.3
Q235-D 弹性模量E（MPa） 200 235 MPa
泊松比 0.3
3.2 加载与求解
3.2.1 施加约束
在有限元分析中，须考虑约束条件的施加。当结构不受约束或约束不足时，它在外力作用下便會产生刚体运动，此时存在无穷解。为了求出惟一解，就必须施加足够的几何约束，排除刚体运动。
约束处理方法有两种：
（1）边界位移为零的处理方法；（2）边界位移为已知值的处理方法。
按照选取的工况Ⅲ施加约束，即将边界位移限制为零。如图6所示。
3.2.2 施加载荷
选用在有限元模型上加载，其具有以下优点：
（1）可以直接将载荷施加在主节点上；（2）不必担心约束扩展的问题，可简单选择所有所需的节点，然后指定适当的约束。
对所选择的工况Ⅲ加载，即同时加载水平方向的力与垂直方向的力，加载位置为铲斗内距离齿尖100mm处的16个分布均匀的节点。每个节点所受的力为：
水平力： 140000/16=8750N
垂直力： 151000/16=9437.5N
施加载荷如图7所示。
图6施加约束示意图 图7施加载荷的模型
3.2.3 求解
选择主菜单Solution/Solve/Current LS开始求解。
3.3 分析结果
查看结果过程就是后处理，后处理就是从这些结果文件中读取数据，从而输出图形、列表等结果。分析后得到的铲斗的等效应力图如图8所示。
图8等效应力图 图9最大应力图
结果显示模型应力对称性较好，证明铲斗的力学模型是正确的。最大应力出现在铲斗边耳板下部与铲斗斗壁的结合处，在铲斗斗底处所受的应力也较大，如图9。与表2相比较得知，铲斗各处强度均满足要求。
3.5 优化方案
由等效应力图可以知道，在铲斗边耳板下部与铲斗斗壁的结合处、铲斗斗底以及主刀板与侧立板的结合处应力都比较大，为进一步增加安全系数，特对模型提出以下改进措施：
在应力较大的斗底部位焊接四块加强板，侧边第一块加强板距离铲斗侧边为300mm，相邻两板距离为770mm，以增加斗底的强度。改进后模型如图10所示。
图10改进后的铲斗模型 图11改进后模型的等效应力图
对改进后的模型进行有限元分析后，得出铲斗模型的等效应力图，如图11所示。
4.结论
从改进后模型的等效应力图11可看出，改进后的模型应力明显变小，特别是在原模型应力最大处得到改善。改进后的模型的最大应力出现在铲斗斗底与斗底加强板下部的结合处，各处应力均满足表2的要求，模型应力对称性较好，证明模型的改进是合理的。
参考文献：
[1]李海峰.装载机工作装置有限元分析[J].重型汽车， 2003 （1） 18-19.
[2]李柳，程志红等.装载机工作装置参数化建模优化分析[J].煤矿机械， 2006，（9）：34-35.
[3]李德军，杨超英等.轮式装载机铲斗的有限元分析[J].山东工业大学学报， 1995，（6）：197-200.
[4]范文杰，张子达等.挖掘装载机工作装置有限元分析[J].土石方机械与施工技术， 2006，（2）：46-47.
【关键词】ZL50F-Ⅱ；装载机铲斗；优化设计；应力分析
随着装载机的迅速发展，传统的装载机铲斗设计方法，例如类比试凑作图法、基于平移性的作图法、覆盖法、解析法等由于工作繁琐、设计精度低及周期长，很难获得各项指标都满意的设计方案，不能满足现代设计的要求。利用有限元法，可以对复杂结构进行极为有效的数值计算。
通过对ZL50装载机工况分析，确定分析工况，利用PRO/E建立铲斗的几何模型，保存成IGES格式的数据，导入到有限元软件ANSYS中，在ANSYS中建立有限元模型，进行装载机铲斗的有限元分析，根据分析结果，对其进行结构优化。
1.装载机工况分析
1.1 外载荷的确定
装载机铲斗在插入料堆，铲取物料和举升铲斗的作业过程中，铲斗要克服切削物料的阻力、物料与铲斗间的摩擦力和物料自身的重力。为了分析问题的方便，假设它们作用在铲斗齿尖的刃口上，并形成两个集中力——水平插入阻力和垂直掘起力。装载机实际作业时不可能使铲斗切削刃均匀受载，但可简化为两种极端受载情况：一是对称载荷，计算时用一个作用在斗刃中部的集中载荷来代替；二是偏心载荷，通常将其简化后的集中载荷加在铲斗侧边的第一个斗齿上。
装载机在铲掘作业过程中，通常有以下3种典型的受力工况：
（1）铲斗水平插入料堆铲斗斗刃只受水平插入阻力的作用；
（2）铲斗水平插入料堆铲斗斗齿只受垂直掘起力的作用；
（3）铲斗边插入边收斗或边插入边举臂进行掘起作业时，铲斗斗刃同时受水平插入阻力和垂直掘起力的作用。
将对称载荷和偏载情况分别与上述三种典型受力工况相结合，就可以得到铲斗6种典型的受力作业工况，a）水平对称载荷 b）垂直对称载荷 c）水平和垂直对称裁荷 d）水平偏载荷 e）垂直偏载荷 f）水平和垂直偏载荷
1.2工况计算
铲斗工作时的位置多种多样，受力情况也各不相同，但以掘起和铲入掘起为最恶劣工况。本文对a、d作业工况不予讨论，只考虑其余四种工况。
铲斗所受水平载荷取决于装载机的最大牵引力，而其垂直载荷则由转斗缸所能提供的力矩换算得到。
1.2.1 铲斗受力分析
取额定装载量， 按静力等效的原则将力施加在铲斗内，距离齿尖100mm处的中部。ZL50F-Ⅱ 装载机性能参数见表1
作用于铲斗上最大的垂直载荷为：=151kN
作用在铲斗上的最大水平载荷为：=140kN
表1装载机性能参数表
整机质量 （kg） 21265
铲斗容量 （ m3） 3.5
额定载荷 （kg） 5000
卸载高度（升至最高点45°倾卸角时） （mm） 3142
卸载距离（升至最高点45°倾卸角时）（mm） 1315
铲挖深度（铲斗前倾10°时） 398
最大掘起力（kN）力 （ kN） 151
最大牵引力（kN） （力 （kN） 140
爬坡能力 （°） （（力 % 29
最小离地间隙（mm）隙 （mm） 453
外形尺寸（长/宽/高）高） （mm） 8100/31800/3406
1.2.2 各工况受力分析
（1）掘起正载：垂直载荷为=151kN；
（2）铲入偏载：垂直载荷为=151kN，水平载荷为=140kN，偏载距为1315mm；
（3）铲入正载：垂直载荷为=151kN，水平载荷为=140kN；
（4）掘起偏载：垂直载荷为=151kN，偏载距为1315mm。
2.铲斗的建模过程
由于是在装载机铲斗几何模型的基础上建立有限元模型，而且是采用板壳单元生成铲斗的有限元模型，因此，建立几何模型时，直接采用中曲面建立铲斗的几何模型，使铲斗的几何模型的建立得到简化，省去了在有限元前后处理软件中提取中曲面的处理步骤，既节省时间，又提了工作效率。
（1）建立铲斗的斗壁、侧板、侧立板、侧刀板、主刀板等，构建出整体的框架，如图1所示。
（2）创建边耳板、中耳板、加强筋等其他平面，如图2所示。
（3）完成其他小的平面，修改模型完成后，如图3所示。
图1铲斗整体框架 图2铲斗的其他平面
图3完整的铲斗模型
3.有限元模型的建立与分析
3.1 模型的前处理
3.1.1 单元类型的选择
图4 以不同实常数显示模型 图5分网后的有限元模型
装载机铲斗是由一系列薄壁件组成的结构，形状复杂，宜离散为许多板壳单元的组集，因此，选取板壳单元作为分析的单元类型。在ANSYS单元库里有多种板壳单元类型，根据装载机铲斗所受载荷的特点，选取SHELL63单元，因为它既具有弯曲特性，又具有膜特性。SHELL63单元适用于同时受横向载荷和膜载荷的薄板结构，适用于应力刚化和大变形分析问题。该单元在每一个节点有6个自由度：沿坐标轴x， y， z方向的线位移和绕坐标轴x， y， z的角位移。如圖6 所示。
3.1.2 定义实常数
由于装载机铲斗由许多厚度不同的薄板组成，因此需定义不同的实常数，这是板壳问题分析中所特有的。统计铲斗的厚度应定义7个实常数，厚度分别为8、10、16、22、32、54、24（其中由于斗壁与加强板焊为一体，所以厚度为24）。如图4所示。 3.1.3 定义材料属性
装载机铲斗由三种材料组成，其中装载机的轴套由Q235-D组成，主刀板由ZG25CrMnMo组成，其余各板均由16Mn组成。各材料力学性能见表2。
3.1.4 划分网格
划分网格是有限元分析中的重要环节，网格划分的是否合理关系到结果的正确与否。模型的求解规模和求解时间对立统一于网格的疏密程度。网格划分是有限元前处理中的主要工作，也是整个有限元分析的关键工作。网格划分的质量和优劣将对计算结果产生相当大的影响。根据实际，划分网格如图5所示。共划分为8548个节点，8489个单元。
表2 各材料力学性能
选用的材料 材料特性 屈服极限
16Mn 弹性模量E（MPa） 210 345 MPa
泊松比 0.3
ZG25CrMnMo 弹性模量E（MPa） 202 1100 MPa
泊松比 0.3
Q235-D 弹性模量E（MPa） 200 235 MPa
泊松比 0.3
3.2 加载与求解
3.2.1 施加约束
在有限元分析中，须考虑约束条件的施加。当结构不受约束或约束不足时，它在外力作用下便會产生刚体运动，此时存在无穷解。为了求出惟一解，就必须施加足够的几何约束，排除刚体运动。
约束处理方法有两种：
（1）边界位移为零的处理方法；（2）边界位移为已知值的处理方法。
按照选取的工况Ⅲ施加约束，即将边界位移限制为零。如图6所示。
3.2.2 施加载荷
选用在有限元模型上加载，其具有以下优点：
（1）可以直接将载荷施加在主节点上；（2）不必担心约束扩展的问题，可简单选择所有所需的节点，然后指定适当的约束。
对所选择的工况Ⅲ加载，即同时加载水平方向的力与垂直方向的力，加载位置为铲斗内距离齿尖100mm处的16个分布均匀的节点。每个节点所受的力为：
水平力： 140000/16=8750N
垂直力： 151000/16=9437.5N
施加载荷如图7所示。
图6施加约束示意图 图7施加载荷的模型
3.2.3 求解
选择主菜单Solution/Solve/Current LS开始求解。
3.3 分析结果
查看结果过程就是后处理，后处理就是从这些结果文件中读取数据，从而输出图形、列表等结果。分析后得到的铲斗的等效应力图如图8所示。
图8等效应力图 图9最大应力图
结果显示模型应力对称性较好，证明铲斗的力学模型是正确的。最大应力出现在铲斗边耳板下部与铲斗斗壁的结合处，在铲斗斗底处所受的应力也较大，如图9。与表2相比较得知，铲斗各处强度均满足要求。
3.5 优化方案
由等效应力图可以知道，在铲斗边耳板下部与铲斗斗壁的结合处、铲斗斗底以及主刀板与侧立板的结合处应力都比较大，为进一步增加安全系数，特对模型提出以下改进措施：
在应力较大的斗底部位焊接四块加强板，侧边第一块加强板距离铲斗侧边为300mm，相邻两板距离为770mm，以增加斗底的强度。改进后模型如图10所示。
图10改进后的铲斗模型 图11改进后模型的等效应力图
对改进后的模型进行有限元分析后，得出铲斗模型的等效应力图，如图11所示。
4.结论
从改进后模型的等效应力图11可看出，改进后的模型应力明显变小，特别是在原模型应力最大处得到改善。改进后的模型的最大应力出现在铲斗斗底与斗底加强板下部的结合处，各处应力均满足表2的要求，模型应力对称性较好，证明模型的改进是合理的。
参考文献：
[1]李海峰.装载机工作装置有限元分析[J].重型汽车， 2003 （1） 18-19.
[2]李柳，程志红等.装载机工作装置参数化建模优化分析[J].煤矿机械， 2006，（9）：34-35.
[3]李德军，杨超英等.轮式装载机铲斗的有限元分析[J].山东工业大学学报， 1995，（6）：197-200.
[4]范文杰，张子达等.挖掘装载机工作装置有限元分析[J].土石方机械与施工技术， 2006，（2）：46-47.