【導讀】液壓挖掘機是一種應用廣泛的多功能的建設施工機械，作為工程機械的主力機種。業(yè)單位的青睞，其生產(chǎn)制造業(yè)也日益蓬勃發(fā)展。本論文由主要設計挖掘機的工作裝置。來不斷地提高液壓挖掘機的作業(yè)性能和生產(chǎn)率。本論文所研究的是斗容量為㎡，型號為徐工XE65D的履帶式全液壓小型單斗。通過設計工作裝置的液壓缸的尺寸、材料、制造工藝以及進行三維建模，完成。Keywords：cylinderjacket；discspring；bulgespring；spindle；FEM

　　

【正文】 985 年， PTC 公司成立 于美國波士頓，開始參數(shù)化建模軟件的研究。 1988 年， 的 Pro/ENGINEER 誕生了。經(jīng)過了 10余年的發(fā)展， Pro/ENINEER 已經(jīng)成為三維建模軟件的領頭羊。目前已經(jīng)發(fā)布了 Pro/ 的系列軟件包括了在工業(yè)設計和機械設計等方面的多項功能，還包括對大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。 Pro/ENINEER 還提供了目前所能達到的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。 Pro/e 軟件特性 全相關性： Pro/ENGINEER 的所有模塊都是全相關的。這就 意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設計圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。全相關性鼓勵在開發(fā)周期的任一點進行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用。 基于特征的參數(shù)化造型： Pro/ENGINEER 使用用戶熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的構造要素。這些特征是一些普通的機械對象，并且可以按預先設置很容易的進行修改。例如：設計特征有弧、圓角、倒角等等，它們對工程人員來說是很熟悉的，因而易于使用。裝配、加工、制造以及其它 學科都使用這些領域獨特的特征。通過給這些特征設置參數(shù)（不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數(shù)很容易的進行多次設計疊代，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。 數(shù)據(jù)管理：加速投放市場，需要在較短的時間內(nèi)開發(fā)更多的產(chǎn)品。為了實現(xiàn)這種效率，必須允許多個學科的工程師同時對同一產(chǎn)品進行開發(fā)。數(shù)據(jù)管理模塊的開發(fā)研制，正是專門用于管理并行工程中同時進行的各項工作，由于使用了Pro/ENGINEER 獨特的全相關性功能，因而使之成為可能。 沈陽理工大學學士學位論文 36 裝配管理： Pro/ENGINEER 的基本結構能夠使您利用一些直觀的命令，例如“嚙合”、“插入”、“ 對齊”等很容易的把零件裝配起來，同時保持設計意圖。高級的功能支持大型復雜裝配體的構造和管理，這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。 易于使用：菜單以直觀的方式聯(lián)級出現(xiàn)，提供了邏輯選項和預先選取的最普通選項，同時還提供了簡短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得容易學習和使用。 挖掘機鏟斗液壓缸三維模型建立 鏟斗缸缸筒結構設計 參照表 與計算結果可選缸筒內(nèi)徑 D = 50 mm,參考壁厚表格取 φ =9 mm，所以缸筒外徑 De = 68 mm,同時設計缸筒端的法蘭外徑 D1 = 100 mm，其上均勻分布四個d = 11mm的孔，綜合考慮活塞桿長度和有效行程并查表 ，選定缸筒長度 L= 600 mm，缸筒身上加工有進出油口，用 M22 的螺紋與油管連接。具體結構如下圖所示： 圖 圖 缸筒的結構尺寸 沈陽理工大學學士學位論文 37 圖 活塞桿的結構設計 活塞桿直徑為 36 mm，長度為 650 mm?；钊麠U與活塞的連接方法為簡單的螺母連接?；钊麠U兩端分別加工 M22 ，他們的作用分別是，前端連接單耳環(huán)，后端擰緊螺母，用來固定活塞。查標準表格，確定兩端螺紋長分別為 44mm、 30mm。螺紋后緊跟有退刀槽，后端安裝活塞的軸端直徑為 26 mm，其配套的活塞上開有密封槽。其具體結構如下所示： 圖 缸筒的三維結構圖 沈陽理工大學學士學位論文 38 圖 活塞桿的結構尺寸 圖 活塞桿的三維結構圖 沈陽理工大學學士學位論文 39 活塞的結構設計 根據(jù)活塞的計算公式，得活塞的厚 B = 40 mm，外徑 D = 50 mm，內(nèi)徑為 26mm，活塞內(nèi)孔密封槽深為 mm，寬 5 mm，使用圓環(huán)半徑 mm，直徑 mm的 O 形橡膠密封圈進行密封。外密封槽深為 mm，寬 mm，使用圓環(huán)內(nèi)徑 mm，直徑 mm 的 O 形橡膠密封圈與兩個內(nèi)徑為 mm，外徑為 50 mm的擋圈進行密封。用螺帽將活塞固定在活塞桿上?；钊唧w結構如下圖示： 活塞的結構尺寸 沈陽理工大學學士學位論文 40 活塞的三維結構圖 前端蓋的結構設計 選用前端蓋與缸筒的連接方式為法蘭式連接，在端蓋與缸筒內(nèi)圓柱面接觸的面上的密封槽深為 mm，寬為 mm，使用圓環(huán)內(nèi)徑 mm，直徑 mm 的 O形橡膠密封圈進行密封。端蓋內(nèi)孔加工了一個密封槽和一個防塵圈。密封槽深為 mm，寬 5 mm，使用圓環(huán)內(nèi)徑 mm，直徑 mm 的 O 形橡膠密封圈。防 塵槽深度為 2 mm，寬度為 3 mm，安裝內(nèi)外徑分別為 26 mm， 28 mm 的 5 型特康防塵圈。其具體結構如下圖所示： 沈陽理工大學學士學位論文 41 前端蓋的結構尺寸 沈陽理工大學學士學位論文 42 圖 前端蓋的三維結構圖 后端蓋的結構設計 因為鏟斗液壓缸與鏟斗和斗桿的聯(lián)接，均為鉸接，所以液壓缸的后端蓋與斗桿采用單耳環(huán)的形式，其耳環(huán)的具體結構和尺寸查表設計可得，缸筒與后端蓋的聯(lián)接采用法蘭連接，其中螺紋孔為 M8，螺紋孔深 11 mm， 裝配后端蓋在缸筒內(nèi)的厚度為 10mm，缸筒外的厚度為 16 mm，耳環(huán)的厚度為 30 mm，耳環(huán)孔的直徑為 20mm，其具體結構如下所示： 沈陽理工大學學士學位論文 43 后端蓋的結構尺寸 沈陽理工大學學士學位論文 44 圖 后端蓋三維結構圖 液壓缸部件組合裝配 因為鏟斗液壓缸的運動為直線往復運動，所以液壓缸與鏟斗和斗桿的聯(lián)接均采用鉸接方式，前后端蓋與缸筒采用螺紋連接，可以承受較大的力作用。并綜上液壓缸各個部件的選用，將各個部件安裝在一起，便成為整體的液壓缸，其具體 裝配圖如下所示： 沈陽理工大學學士學位論文 45 圖 液壓缸裝配后的三維結構圖 沈陽理工大學學士學位論文 46 4 液壓缸主要部件的有限元分析 有限元分析的必要性 有限元分析即 利用數(shù)學近似的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進行模擬。還利用簡單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)。 有限元分析是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的 (較簡單的）近似解，然后推導求解這個 域總的滿足條件 (如結構的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能夠表示實際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個世紀前就已產(chǎn)生并得到了應用，例如用多邊形（有限個直線單元）逼近圓來求得圓的周長，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應用于航空器的結構強度計算，并由于其方便性、實用性和有 效性而引起從事 力學 研究的科學家的濃厚興趣。經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計算機技術的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結構工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學技術領域，成為一種豐富多彩、應用廣泛并且實用高效的數(shù)值分析方法。 液壓缸的活塞桿是一個桿形的結構，特別是動臂缸的活塞桿在挖掘機不工作時時，要承受整個動臂的支撐力作用，因此在受力時容易產(chǎn)生變形，剛度不足，而活塞桿一變形，缸筒也會隨之變形，這樣液壓缸配套的零件也不再適用，液壓缸就不能發(fā)揮作用。所以要對動臂缸的活塞桿進行有限元分析，看所設計的活塞桿在工作中會不會產(chǎn) 生變形，如果會，對其尺寸進行改進。 沈陽理工大學學士學位論文 47 ANSYS 軟件介紹 ANSYS 在 CAE 功能上引領現(xiàn)代產(chǎn)品研發(fā)科技，涉及的內(nèi)容包括：高級分析、網(wǎng)格劃分、優(yōu)化、多物理場和多體動力學。 ANSYS 不僅為當前的商業(yè)應用提供了新技術，而且在以下方面取得了顯著進步： ? 繼續(xù)開發(fā)和提供世界一流的求解器技術 ? 提供了針對復雜仿真的多物理場耦合解決方法 ? 整合了 ANSYS 的網(wǎng)格技術并產(chǎn)生統(tǒng)一的網(wǎng)格環(huán)境 ? 通過對先進的軟硬件平臺的支持來實現(xiàn)對大規(guī)模問題的高效求解 ? 繼續(xù)改進最好的 CAE 集成環(huán)境－ ANSYS WORKBENCH ? 繼續(xù)融合先進的計算流體動力學技術 網(wǎng)格變形和優(yōu)化 對于很多單位，進行優(yōu)化分析的最大障礙是 CAD 模型不能重新生成，特征參數(shù)不能反映那些修改研究的幾何改變。通過與 ANSYS WORKBENCH 的結合，ANSYS MESH MORPHER（ FEMODELER 的新增加模塊）可以實現(xiàn)這個功能，甚至更多。 通過網(wǎng)格操作而不是實體模型， ANSYS MESH MORPHER 對于來自于 CAD 的非參數(shù)幾何數(shù)據(jù)，如 IGES 或者 STEP，以及來自于 ANSYS CDB 文件的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了模型參數(shù)化。將網(wǎng)格讀入 FE MODELER，并且產(chǎn)生對應于該網(wǎng)格的 “綜合幾何 ”的初次配置。在 ANSYS ， ANSYS MESH MORPHER 提供了四種不同的轉換：面平移、面偏置、邊平移和邊偏置。更多樣的配置可以通過以上轉換的組合實現(xiàn)。例如，一個圓柱表面的面偏置就等效于變更其半徑。 這些轉換決定了目標配置并自動定義轉換參數(shù)。一旦確定，這些轉換參數(shù)可以通過 ANSYS DESIGNXPLORER VT 擬合方法來擬合，如 KRIGING 算法、非參數(shù)化退火算法和神經(jīng)網(wǎng)絡算法等。一旦擬合完成，可 以使用 ANSYS DESIGNXPLORER VT 中的能量優(yōu)化技術找到最優(yōu)值或者執(zhí)行 6 SIGMA 分析設計。 ANSYS MESH MORPHER 為仿真驅動的產(chǎn)品開發(fā)打破了優(yōu)化障礙。 沈陽理工大學學士學位論文 48 流固耦合 在 ANSYS WORKBENCH 中， ANSYS 和 ANSYS CFX 技術的集成取得了更大的進步。在 的 ANSYS WORKBENCH 環(huán)境中，用戶可以完整地建立、求解和后處理雙向流固耦合仿真。最新的版本也提供了單一后處理工具，可以用更少的時間獲得復雜多物理問題的解決，并且擴展了仿真的應用領 域。 利用 ANSYS CFX 軟件的統(tǒng)一網(wǎng)格接口可以在 ANSYS 和 ANSYS CFX 之間傳遞FSI 載荷，所有流固耦合問題的結果的魯棒性和精度獲得了改進。界面載荷傳遞技術的突破，很明顯的好處就在于讓同一團隊的 FEA 和 CFD 專家共享信息更方便。在 中流固耦合的領域也得到了擴展。 渦輪系統(tǒng)一體化解決方案 ANSYS 提供給用戶新的統(tǒng)一分網(wǎng)環(huán)境，幫助用戶實現(xiàn)基于物理的網(wǎng)格劃分解決方案，例如機械、電磁、 CFD 或者顯式仿真。來自于 ANSYS、 ANSYS ICEM CFD 和 ANSYS CFX 的一流網(wǎng)格幾乎已經(jīng)延伸到 ANSYS WORKBENCH 中，綜合多種算法的優(yōu)勢，提供一個智能的、靈活且魯棒的網(wǎng)格劃分能力。 基于預定義的物理過濾器，各種控制自動定義了，比如網(wǎng)格尺寸、網(wǎng)格過渡、網(wǎng)格均勻性、劃分速度、網(wǎng)格質量和曲率的細化控制等。如果必要，高級用戶控制選項可用來使用。劃網(wǎng)的智能特性提供了靈活的附加控制，幫助初級用戶為了改進求解速度或者精度而得到適合于物理問題的良好網(wǎng)格。多重網(wǎng)格控制方法，以及高級選項，提供了備份網(wǎng)格劃分方法以改善網(wǎng)格劃分的整體魯棒性。 線性和非線性動力學 在 中， ANSYS 鞏固了它的高級動力學分析能力并擴展到 ANSYS WORKBENCH 中。線性和非線性結構動力學和應力分析，現(xiàn)在已經(jīng)無縫的集成到了 ANSYS WORKBENCH 仿真環(huán)境中。使得剛體和柔體的頻率響應和時間歷程動力學集成在一起。在一次設置中，用戶現(xiàn)在能夠選擇一系列的力學行為：線性、高級非線性；完全剛體和完全柔體以及他們的組合。其他特征包括支持簡單和復雜的連接和約束，基于幾何的自動連接偵測，非線性材料和接觸、運動學分析以及與 CAD 沈陽理工大學學士學位論文 49 系統(tǒng)的相關性。 擴展的 ANSYS 動力學使得 以下分析更為理想： ? 交互式的零件和裝配體連接的定義和驗證 ? 純剛體假設下的裝配體動力學響應 ? 純剛體假設的潛在缺陷的識別 ? 在 CAD 系統(tǒng)或者 ANSYS DESIGNMODE