论文摘要：挖掘机作业时，动臂作为主要承载部件会承受很大的复合外力，影响动臂的强度，甚至造成动臂变形。因此挖掘机的使用期限和安全与动臂性能相联系。本文通过有限元分析判断动臂是否安全可靠，进而寻找结构存在的不足或缺陷，进一步完善动臂结构，使动臂结构更加科学合理。
　　Abstract：Whentheexcavatorisworking，asthemainload-bearingcomponents，theworkingarmwillbeargreatcompositeexternalforce，whichaffectsthestrengthoftheworkingarm，evencausesdeformation.Sotheservicelifeandsafetyoftheexcavatorisrelatedtotheperformanceofworkingarm.Thispaperthroughthefiniteelementanalysistoestimatewhetheraworkingarmissafe，andfindsdeficienciesanddefectsexistinginthestructure，furtherperfectstheworkingarmstructure，andmakestheworkingarmstructureismorescientificandreasonable.

关键词：液压挖掘机；应力；应变
　　Keywords：hydraulicexcavator；stress；strain
　　中图分类号：TU621文献标识码：A文章编号：1006-4311（2013）18-0049-03

1动臂结构
　　在液压挖掘机的工作装置中，动臂是主要的承载部件，直接影响到挖掘机的使用寿命。为了提高挖掘机动臂的强度，通常情况下，动臂设计呈不规则箱形结构，该结构的组成包括左右腹板、上下盖板、前后支座、油缸支耳以及其它辅助结构件等，这些结构件通过焊接连接在一起。动臂的四处铰接孔分别与回转平台、动臂液压缸、斗杆液压缸、斗杆连接。（如图1所示）

2动臂有限元模型的建立
　　对动臂有限元进行建模前，为了快速精确地进行网格划分，首先建立动臂的几何模型。因为动臂截面尺寸变化幅度较大，所以通过采用ANSYS软件进行建立三维几何模型存在一定的难度。通过ANSYS软件包自带的Pro/E文件接口，ANSYS的前处理器可以直接读取Pro/E中建立的模型。基于此，本文对动臂利用Pro/E软件建立三维几何模型，并对其几何模型进行简化，除去不影响研究的特征，减少网格单元总数，降低模型特征数，缩短计算时间。
　　2.1除去影响网格质量的倒角、外圆角及小孔等。在分析过程中会出现尖锐倒角与实际情况不一致的应力集中；外圆角对结构分析结果没有影响；内圆角对结构分析结果影响较大。
　　2.2除去管路安装搭子、电线安装搭子等对强度分析没有影响的小焊接件。这些搭子均是非承载件不影响分析结果。
　　2.3对于只满足焊接工艺的需要，而无加强作用的焊缝垫板一律除去。
　　2.4处理连续焊缝时，保持材料与母材料的一致性。
　　通过ANSYS软件的前处器Workbench对动臂的三维几何模型进行处理。

3单元格划分
　　单元类型：系统默认类型为体单元。
　　单元尺寸：根据总体板厚尺寸的规定，网格总体尺寸在10～15mm之间，每一板厚方向设置两层以上的体单元。另外，网格尺寸太大也会对支反力的误差率产生影响，基于此，网格的尺寸通常要小一些。
　　单元中节点：为了获得更好的求解精度，如果使用的计算机软硬件功能允许，选择带中节点的二阶单元。
　　单元形状：选用六面体形状。网格主要以六面体为主，各边长比例最好接近1：1：1。
　　划分好的动臂有限元模型如图2所示，在该模型中，单元数为18968，节点数为124041。由图2中可以看出，在铰点处以及和截面变化明显的位置单元格比较密集。

4确定约束和载荷
　　利用有限元进行静力分析，如果不对模型的刚体位移进行限制，总体刚度矩阵将会是奇异的，进而导致方程组产生多解。为了避免出现奇异的刚度矩阵，通过选择约束，对边界施加条件限制，消除刚体位移。对某些节点进行约束的标准为：施加的约束刚好消除全部刚体自由位移，或约束调整到最大的边界元，补充校核载荷间的平衡。
　　施加载荷过程中，通过销轴将各铰点处进行连接。通常情况下，载荷确定比较难，在Workbench中，通常使用BearingLoad方式施加铰点载荷，这种载荷施加方式是专门施加通过销轴传递的载荷。
　　挖掘机施工时，动臂绕着销轴转动，动臂与动臂液压缸、斗杆液压缸、斗杆分别在B处、D处、F处进行铰接。液压缸作用力作为载荷依据动臂的结构特点和受力状况施加在动臂上，将动臂与斗杆的连接铰点作为外载荷处理。在有限元分析时对动臂的各铰点进行约束和施加载荷，处理方法如表1、表2和图3、图4所示。
　　C铰点：内侧施加X、Y方向的约束；外侧施加X、Y、Z方向的约束，均不加载荷。
　　B铰点：施加载荷不加约束。
　　D铰点：施加载荷不加约束。
　　F铰点：内侧施加Y方向的约束，施加X、Y、Z方向的载荷；外侧不加约束，但施加X、Y、Z方向的载荷。
　　注意：F点在Z向力的加载方式与动臂头部的F点连接结构有关，一种结构如图5（a）所示，动臂头部一侧受Z向力，另一侧通过销轴被拉动，也就是动臂头部两侧的板同时受到Z向力的作用。另一种结构如图5（b）所示，动臂头部的轴固定在侧板上，动臂头部的一侧受力，另一侧不受力，F的外侧载荷为Fz2=Fz，内侧没有荷载Fz1为0。本文主要研究的是动臂头部的轴固定在侧板上的情况，也就是图5（b）所示的结构，即F点只受外侧Z向力，内侧不受力。
　　通过对上述进行分析，依据专用软件的计算结果（这里不做阐述），各铰接点加载荷如表3所示。

5材料特性及单元属性
　　选用16Mn作为动臂上下翼板以及腹板材料，并在系统材料参数一栏中统一输入16Mn的各项参数，该种材料的密度ρ=7.87kg/m3、屈服强度σs=345Mpa、泊松比μ=0.31、
　　弹性模E=2.12×105Mpa。

6求解
　　通过对动臂有限元模型施加设计载荷及约束，完成系统给出的一系列要求后就可以进行求解。求解是自动完成的。在系统处理求解过程中，若要详细了解求解过程的信息，通常把output窗口放到桌面的最前面。在求解过程中如果出现求解过程中断现象，对中断原因进行分析、研究和判断；中断不能排除时可以尝试返回开始界面，通过对输入信息进行调整，输入后重新求解。

7动臂有限元分析结果
　　通过分析图6、图7、图8的图形结构，可以看出动臂变形比较小，并且变形比较均匀。最大变形出现在动臂与斗杆连接点处，最大变形量为40mm。另外，通过分析发现，应力集中在20～180MPa之间，大部分应力变化比较小而且比较均匀，没有超出应力范围的极限值。综上所述，本文设计的动臂安全系数高，最大应力出现在动臂后侧上翼板处，最大应力值为204MPa，并且此处恰好设置有肋板，而且处于焊缝的集中区。尽管应力值在极限值范围内，但仍要提起注意。

8结论
　　通过对动臂静强度的变形情况进行研究和分析，结合应力云图，最大变形发生在动臂与斗杆连接处（动臂的最前端），而最大应力则出现在焊缝比较集中的位置。因此，为了减小应力，控制焊缝的位置，以及工艺和质量是最有效的方法。

参考文献：
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　　[2]张桂菊，肖才远.基于Pro/Mechanica环境挖掘机动臂的有限元模态分析[J].机械工程师，2008（9）.
　　[3]于硕，张建宗，孔吉.液压挖掘机动臂的有限元分析[J].工程机械，2002（11）.