【導讀】工作及取得的研究成果；得其他教育機構(gòu)的學位而使用過的材料；1．2020年1月，指導老師布置設(shè)計課題，交代具體任務(wù)；2．3月1日～3月25日，查閱資料，撰寫開題報告和文獻綜述；5．5月10日～5月20日，完成動臂的模態(tài)分析，作出結(jié)果分析，提出改進意見；6．5月21日～6月6日，撰寫設(shè)計說明書，按導師修改意見修改論文，資料收集存檔，準備答辯；

　　

【正文】 在圖 solution1來獲得同樣的載荷和約束等條件，點擊確定 后，在“幾何 優(yōu)化 ”對話框進行以下設(shè)置 :(1)定義目標：動臂的重量 設(shè)定為最小化；（ 2）定義約束：創(chuàng)建約束，設(shè)定應(yīng)力上限為 230MPa；（ 3）定義設(shè)計變量： 分別對 后置板 內(nèi)肋板和前支架內(nèi)肋板 的 厚度 定義 為 15~20mm。最后最大迭代次數(shù)為 10 次 。 對幾何優(yōu)化進行求解，經(jīng) UG 軟件運算， 優(yōu)化處理 結(jié)果 如圖 所示，第 5 個設(shè)計循環(huán)重量最小 。 如圖 所示后置板 內(nèi)肋板厚度為 16mm 左右 。 如圖 所示前支架內(nèi)肋板厚度為 15mm 左右。 35 圖 變化 圖 圖 變化圖 圖 圖 36 圖 圖 37 圖 圖 38 由圖 ~圖 可知，優(yōu)化后的位移和應(yīng)力減小，其中優(yōu)化后應(yīng)力為 小于 Q345 的許用應(yīng)力 230MPa。說明通過減小后置板和前支架的厚度，可以在小于材料的許用應(yīng)力下減少重量。從而節(jié)約材料，達到優(yōu)化的目的。 靜態(tài)分析 小結(jié) 通過運用 UG 軟件建立液壓破碎機的三維實體模型 ，對其動臂部件在 UG 有限元分析模塊下進行靜力學 分析可知最大應(yīng)力 主要在動臂與底座的鉸接處最大應(yīng)力為 ，但 實際情況中由于外部有其他載荷 ， 所以應(yīng)該避免應(yīng)力集中，可以修改模型使外形 圓 弧過渡，例如使用倒圓，倒角等 。 加大接觸面積，勻 稱結(jié)構(gòu)變形 。 本文在靜力學分析的基礎(chǔ)上對其進行質(zhì)量最小化的優(yōu)化分析， 結(jié)果表明， 減小后置板和前支架的厚度 后的動臂薄弱部位的應(yīng)力更加合理， 質(zhì)量減小從而節(jié)約材料， 達到了優(yōu)化的目的。 所以 在 有限元靜態(tài)分析 的仿真結(jié)果為結(jié)構(gòu)分析提供了計算依據(jù)，并在此基礎(chǔ)上進一步對動臂結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化 ，可以找出 設(shè)計中較弱 的部位和不合理的部位， 降低設(shè)計開放成本，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。 39 第四章 動臂的 疲勞 分析 動臂的疲勞分析 疲勞是產(chǎn)品 /零件失效最常見的方式之一。疲勞種類較多 .常見的有機械疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、熱疲勞和微動疲勞等，其中，機械疲勞包括應(yīng)力疲勞、應(yīng)變疲勞和接觸疲勞 3 種方式。引起疲勞失效的機理和因素比較復(fù)雜，因此，必須遵循客觀規(guī)律和按照嚴格的分析程序進行失效分析和疲勞預(yù)測。而近年來發(fā)展的將有限元法和疲勞機理分析相結(jié)合的計算機仿真技術(shù)，無疑為解決實際中的疲勞問題捉供了經(jīng)濟、有效的分析和評判工具。 疲勞壽命 是 材料在疲勞破壞前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)數(shù)稱為疲勞壽命 。 結(jié)構(gòu)疲勞分析是一種工具，用于在各種簡單或復(fù)雜加載條件 (也稱為疲勞 載荷循環(huán) )中評估設(shè)計結(jié)構(gòu)的強度或者耐久性。 NX NASTRAN 疲勞分析可在靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上修改。 編輯靜態(tài)分析的解算方案 如圖 所示勾選單元迭代求解器 。 圖 40 進行模型求解后，在 UG 菜單欄的工具欄中點擊“ 耐久性 向?qū)А?。根?jù)對話框提示進行設(shè)置 ，其中的疲勞強度因子 是 由疲勞 應(yīng)力準則除以應(yīng)力幅值計算得到 ，用來估算疲勞強度，預(yù)測結(jié)構(gòu)的任何部分是否會由于周期載荷而被破壞 取值一般小于 1，此處取 。通過 耐久性分析 對話框 輸入疲勞強度因子 求解 ，疲勞分析解算結(jié)束后， 其分析結(jié)果包括疲勞壽命、疲勞安全系數(shù)、強度安全系數(shù) 3 個指標。 疲勞分析結(jié)果 中 ，如圖 動 臂壽命云圖 ,可看到動臂的低壽命區(qū)域主要集中在動臂 底部 。 圖 41 圖 根據(jù) 圖 局部 疲勞壽命云圖 ，可知最小壽命在單節(jié)點編號為 18074 上循環(huán)次數(shù)為 107次 。該型破碎機 沖擊頻率 為 611Hz， 若以 6Hz 的頻率在此工況下，每天工作8 小時。計算可得該動臂的疲勞壽命為 年。 42 疲勞安全系數(shù)云圖如圖 ， 疲勞安全系數(shù) 是指結(jié)構(gòu)所能承受的疲勞極限應(yīng)力與 NX NASTRAN 結(jié)構(gòu)計算所得應(yīng)力的比值。 最小疲勞安全系數(shù)為 。疲勞安全系數(shù)大于 1的區(qū)域為安全區(qū)域。 圖 由 局部 疲勞壽命云圖 局部 疲勞安全系數(shù) 疲勞 安全系數(shù)的數(shù)值也較低。 最小疲勞 安全系數(shù) 在單節(jié)點編號為 35749 上為 。 疲勞安全系數(shù)分析結(jié)果反映了疲勞負載循環(huán)中所定義的的循環(huán)載荷條件相對應(yīng)的疲勞安全系數(shù)，根據(jù)其最小疲勞安全系數(shù) 小于 1 代表在給定的疲勞載荷周期的反復(fù)作用下最終安全。 43 圖 疲勞安全系數(shù) 強度安全系數(shù)是用于衡量零件的總體強度，由應(yīng)力準則除以某一類型的應(yīng)力值計算得到，結(jié)果如圖 所示。 最小強度系數(shù)為 。 圖 44 圖 強度安全系數(shù) 根據(jù) 局部強度安全系數(shù)圖 可知，最小強度安全系數(shù)在單元節(jié)點編號 16732 上為。強度安全系數(shù)大于 1 的區(qū)域為安全區(qū)域。說明結(jié)構(gòu)不會破壞。 疲勞分析 小結(jié) 利用 UG 軟件得到動臂的疲勞壽命參數(shù)可方便地知道最大應(yīng)力點， 知道最小壽命在單節(jié)點編號為上循環(huán)次數(shù) 為 107次 ，計算可得該動臂的疲勞壽命為 年。 此疲勞壽命相對與一般液壓破碎機的壽命較低， 說明在此工況下的作業(yè)不利于延長動臂的壽命。 所以 在條件允許下，盡量少選此工況作業(yè)。選擇合理的作業(yè)方式能 有助于延長工作裝置的壽命，減少不必要的疲勞破壞。 也 可以通過 避免 動臂單 元 節(jié)點的 應(yīng)力集中來提高疲勞壽命，從而 延長 液壓破碎機 工作裝置的整體 壽命。通過疲勞分析 預(yù)估動臂的強度和疲勞壽命，有效地降低設(shè)計成本，縮短設(shè)計周期，產(chǎn)生更好的經(jīng)濟效益 。 45 第五章 動臂的模態(tài)分析 動臂的模態(tài)分析 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動力學分析的基礎(chǔ)，其實質(zhì)是求解外載荷為零時動力學方程的特征值，通過求解特征值可以得到多階固有頻率和相應(yīng)的振型。模態(tài)階數(shù)和模態(tài)振型數(shù)相對應(yīng)的，有一個固有頻率就有一個模態(tài)振型與之對應(yīng)。 UG 模態(tài)分析用于計算和評估結(jié)構(gòu)的固有頻率和自然模態(tài) (振型 )計算時不考慮限尼，和外載荷也不相關(guān)，它提供 Tracking Method(跟蹤法 )、 TransformationMethod(變換法 )和 Lanezos Method(蘭索士法 )3 種數(shù)位解算方法，其中 .跟蹤法提供逆冪法 ( INV )和移位逆冪法 (SINV )兩種迭代解法，變換法包括吉文斯法 (GIV)和修正的吉文斯法 (MGIV )、郝斯厚德法 (HOU)和修正的郝斯厚德法 (MHOU)。它們各有適用場合，相比較而言，蘭索士法為首先推薦的。使用本文采用 Lanezos Method(蘭索士法 )解算方法 。 UG 軟件中 打開 破碎機動臂三維模型，進入高級仿真環(huán)境，新建 FEM 和仿真。設(shè)置求解器選用 NX NASTRAN，解算方案類型 SESTATIC 103 進行模態(tài)分析。如圖 所示 圖 解算方案類型 46 Lanezos Method(蘭索士法 )數(shù)據(jù)設(shè)定模式數(shù)為 7，最小頻率為 0。 對模型定義材料屬性選用 Q345 低合金鋼 ， 使用 3D 四面體網(wǎng)絡(luò) ， 單元大小為 45mm 進行網(wǎng)格劃分， 對模型底部與底座鉸接的鉸點 C 點添加對 x、 y、 z 三個方向的移動自由度，和 x、 y 兩個方向的旋轉(zhuǎn)自由度進行約束。 動臂模態(tài)分析的結(jié)果如圖 、圖 、圖 、圖 、圖 、圖 所示 。 圖 第 1階位移云圖 圖 第 2階位移云圖 47 圖 第 3階位移云圖 圖 第 4階位移云圖 48 圖 第 5階位移云圖 圖 第 6階位移云圖 49 圖 第 7階位移云圖 由上述 7 階位移云圖得表 51 各階模態(tài)頻率與振型 表 51各階模態(tài)頻率與振型 階數(shù) 頻率（ Hz） 振型 1 無明顯變形 2 無明顯變形 3 中部 向外 鼓起 4 向 前伸展 ，無明顯變形 5 中部 向里 鼓起 6 前后扭轉(zhuǎn) 7 中部 向兩邊 鼓起 50 模態(tài)分析 小結(jié) 通過 NX NASTRAN 對動臂進行有限元模態(tài)分析，得到了動臂的共振頻率及主振型。實際工作應(yīng)根據(jù)共振頻率避免共振。 要和主機進行合理的頻率匹配液壓破碎錘，也可以適當提高破碎錘的作業(yè)頻率，可以有效的避開工作裝置的共振頻率。所以通過模態(tài)分析直觀地分析出動臂的薄弱 環(huán)節(jié)，為動臂設(shè)計提供頻率特征等理論依據(jù) 。為動臂后續(xù)設(shè)計和減振分析提供了理論基礎(chǔ)，對提高液壓破碎機的穩(wěn)定性和可靠性有很重要的意義。 51 結(jié) 論 本文通過對工程機械行業(yè)前景進行分析，了解到 隨著 2020 年全國兩會召開 以及 新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃的出臺 , 使我國的基礎(chǔ)建設(shè)能有效的快速增長。 尤其是國家加大對中西部的基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)， 液壓 破碎機對我國經(jīng)濟發(fā)展建設(shè)中顯示出重要作用。 本論文選擇了液壓破碎機工作裝置中的動臂部件 有限元 力學特性分析從而提高液壓破碎機產(chǎn)品的質(zhì)量作為課題研究對象。 首先利用 UG 軟件對液壓破碎機進行運動仿真和動臂的多種工況應(yīng)力分析，確定動臂的最大應(yīng)力工況，作為有限元分析工況的選取，對其進行有限元分析。 分析結(jié)果表明，該液壓破碎機動臂薄弱環(huán)節(jié)與其最大應(yīng)力主要在動臂與底座鉸接處。根據(jù)有限元分析結(jié)果對動臂進行優(yōu)化分析設(shè)計，通過多次分析計算?，F(xiàn)通過增加動臂與底座鉸接處的支撐架的外圓尺寸等方式 進行優(yōu)化， 結(jié)果表明，優(yōu)化后動臂的薄弱部位的強度增大，應(yīng)力分布更加合理，達到優(yōu)化的目的。根據(jù)疲勞分析結(jié)果表明在條件允許的情況下，選擇合理的作業(yè)方式有助于延長工作裝置的壽命，減少不必要的疲勞破壞。模態(tài)分析結(jié)果表明和主機合理的頻率匹配破碎錘，或適當選擇破碎錘的作業(yè)頻率，可以有效的避開工作裝置的共振頻率。 本文利用 UG 對液壓破碎機動臂 部件 有限元 力學特性分析 ， 得出的結(jié)果分析說明通過以上措施能有效的提高液壓破碎 機 動臂部件的質(zhì)量 來提高 液壓破碎機 整機 產(chǎn)品的質(zhì)量。最終 對加快我國的經(jīng)濟 發(fā)展建設(shè) 速度有一定的影響。 52 致 謝 本論文課題在選題及研究過程中得到 譚加才 教授的悉心指導下完成的， 譚加才 教授多次詢問 進程，并為我指點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點撥 。 譚加才 教授嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和科學的工作方法給了我極大的幫助和影響， 在此謹向 譚加才 老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 我還要在此感謝一起生活并度過大學時光的室友們，彼此之間 兄弟般的感情，學習和生活上的互相支持與幫助，才能克服一個個難題，讓我了解到一個人的力量是有限的，團隊的重要性。尤其是在本此論文中與康豪同學的的相互學習中共同提高 。 另外也感謝家人，因為有他們的支持我才能專心完成我的學業(yè)，因為有他們我才能快樂成長。 最后， 感謝 在課題研究過程中幫助我的身邊的同學和朋友 ，他們對我的幫助是我將在今后工作， 取得更多成果回報他們、回報社會。再次感謝他們，祝他們一生幸福、安康 ! 53 參考文獻 [1] 朱建新，鄒湘伏，陳欠根，何清華 .國內(nèi)外液壓破碎錘研究開發(fā)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 機械工業(yè)出版 [J] 2020 [2] 郭曉 堯 ， 楊國平 ， 楊杰等 .液壓破碎錘國內(nèi)外發(fā)展趨勢 [J] 科學時代 [3] 周志鴻，許同樂，高麗穩(wěn)等 .我國液壓破碎錘發(fā)展與現(xiàn)狀分析 [J] 北京科技大學 [4] 周志鴻 ,馬飛 中國液壓破碎錘行業(yè)的進步與不足 [J] 北京科技大學土木學院 [5] 楊紅，柳青 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