基于CATIA挖掘机斗杆的有限元分析

基于 CATIA 挖掘机斗杆的有限元分析  本文有带图的PDF版本，需要可联系本站客服QQ3710167
摘要

斗杆是挖掘机的关键部件，也是主要承力部件。挖掘机要承受复杂的冲击
载荷，按传统静态的、经验的方法设计的斗杆结构，在施工过程中往往出现强度、
刚度不足的情况。而斗杆强度、刚度是否满足要求，将直接影响工作安全。因此，
全面了解斗杆在工作过程中的应力、应变水平，了解斗杆的振动频率和刚度、强
度分布情况，对于我们优化斗杆结构具有十分重要的作用。在文中对液压挖掘机
工作装置运动学及受力进行分析，介绍了挖掘机的作业方式，简要讨论了影响挖
掘阻力的几种因素；利用 CATIA 建立了斗杆的三维模型运并对挖掘机斗杆进行
三种典型工况的受力分析，研究其应力及应变，验证斗杆的强度符合设计要求，
对斗杆进行模态结构分析，得出其主要振型；结果验证了斗杆结构强度满足设计
要求，斗杆固有频率和挖掘机工作频率也不会引起共振现象，论文研究成果为下
一步的斗杆结构优化创造了条件。
关键词：CATIA  斗杆  静力分析  模态分析

The finite element analysis of the excavator arm in the CATIA
Abstract
The arm is a key component of excavators as well as load-bearing parts. Excavators
have to bear the impact of complex Load, and the arm designed according to
traditional static method usually appears the problem of lacking strength and stiffness
in the working process, and whether the arm meets the demand will have a direct
affect on the security. So understanding the arm’s stress, strain capacity and the
vibratory frequency, as well as strength and stiffness is very important for our
optimizing the structure of arm. In this paper, it mainly analyzes the kinematics and
force of hydraulic excavator and introduces its working modes, at the same time
discussing the influence factors of excavation resistance. Besides, establish 
three-dimensional model of the arm with CATIA , and make a force analysis on
typical working condition, researching the stress and strain and checking that the
strength meets the design demands as well as analyzing the modal structure, and then
obtain the vibration shape line. At last, after checking, the strength of arm meets the
design demands, and the arm’s natural frequency and the working frequency will not
resonate，which make a good condition for next optimization on the structure of arm.

Key words: CATIA  The arm  Static analysis  Modal analysis

目录
中文摘要....................................................................i
英文摘要...................................................................ii
目    录..................................................................iii
第一章  绪论........................................................1
1.1 研究背景与意义 ..............................................1
1.2 国内外研究现状 ..............................................1
1.2.1 国外液压挖掘机设计方法研究现状.........................1
1.2.2 国内研究状况...........................................2
1.3 研究的主要内容和解决的思路 ..................................4
第二章 反铲挖掘装置运动学及受力分析.................................6
2.1 液压挖掘机反铲装置的组成结构及工作特点 ......................6
2.1.1 挖掘机结构组成.........................................6
2.1.2 液压挖掘机反铲装置的工作特点...........................7
2.2 反铲式液压挖掘机工作装置的受力分析 ..........................8
2.3 挖掘力的概念及其计算方法 ....................................9
2.4 挖掘阻力的分析 .............................................11
2.5  静力分析中计算工况的选取 ..................................12
2.6 斗杆铰接点处受力分析 .......................................14
2.7 本章小结 ...................................................14
第三章   CATIA 软件功能分析 ........................................15
3.1  CATIA 软件概述.............................................15
3.2  CATIA 主要功能模块.........................................16
3.3  CATIA 有限元分析模块.......................................17
3.3.1 CATIA 的工程分析模块 ..................................17
3.4 本章小结 ...................................................18
第四章 基于 CATIA 斗杆结构有限元分析................................19
4.1 斗杆静力分析 ...............................................19
4.1.1 工况一(停机面最大挖掘半径位置)........................19
4.1.2 工况二(最深挖掘位置)..................................23
4.1.3 工况三(大臂及斗杆处于最大受力位置) ....................24
4.2 斗杆结构的模态分析..........................................30
4.2.1 模态分析的两种方法 ....................................30
4.2.2 斗杆的模态分析........................................31
4.2.3 斗杆模态分析报告：....................................31
4.3 本章小结 ...................................................35
第五章 结论........................................................36
致谢...............................................................37
参考文献...........................................................38

第一章  绪论
1.1 研究背景与意义
液压挖掘机是土石方工程的主要施工机械，广泛应用于能源、交通、农田水利、城镇建设，以及现代化军事工程等领域的机械化施工。挖掘机具有多品种、多功能及高效率等特点，在减轻繁重的体力劳动，保证工程质量，加快建设速度等方面起着十分重要的作用。液压挖掘机利用工作装置进行土石方的挖掘，工作装置的性能和可靠性是整机先进性的重要标志。工作装置的作业通过三个油缸的复合动作及铲斗和土壤的相互作用来实现。鉴于液压挖掘机市场潜力大，国内外相关研究人员对挖掘机整机及其主要部件进行了理论和试验研究，提高了挖掘机的设计水平。由于国内液压挖掘机制造业起步晚、基础薄弱，目前国内挖掘机制造企业多采用类比法进行工作装置的设计，工程应用中常出现斗杆或动臂开裂失效、挖掘区域不合理或与机体干涉以及工作装置铰点销轴早期断裂等故障，直接影响了国内挖掘机行业的发展，和其他工程机械产品相比，国产液压挖掘机缺少竞争力，在国内的市场占有率是最低的。某企业制造的液压挖掘机在国内工程施工中，工作装置频繁发生故障，给施工中的液压挖掘机企业造成了巨大的经济损失。本文对液压挖掘机工作装置的斗杆进行整体有限元分析，为挖掘机工作装置的设计提供理论依据和实用手段，对于提高国内液压挖掘机的设计水平，推动国内挖掘机行业的发展具有十分重要的意义。

1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外液压挖掘机设计方法研究现状
20 世纪 50 年代第一台液压挖掘机问世，由于其挖掘能力强、生产率高、通
用性好、操纵轻便等特点，在工程建设施工中起着重要的作用。随着液压挖掘机
产量的提高和使用范围的扩大，世界上著名的挖掘机生产商纷纷采用各种高新技
术，来提高产品的竞争力。在液压挖掘机产品功能方面，液压挖掘机工作装置向
多功能化的方向发展。当液压挖掘机配置不同的作业装置时，可以用来吊、夹、
推、刮、松、挖、装、铣削、拆除、清除和压实等作业，且大都采用快换装置，
驾驶员在驾驶室内就可以完成作业装置的更换，一般在 2 分钟内就可以完成作业
装置的更换。工作装置中动臂、斗杆结构变化多样，扩展了主机的使用功能。这
一结构主要表现为动臂、斗杆长度的变化，由动臂、斗杆的两元件变化为两节动
臂、斗杆的多元件和伸缩臂等。研究专业性的挖掘机设计理论、方法甚至是专用
软件，以便缩短设计周期、提高产品性能和可靠性，快速响应市场和用户的要求。
国外对液压挖掘机的研究主要体现在以下几个方面。(1)重视试验研究工
作。液压挖掘机的研制除了保证机械技术性能以外，还十分重视挖掘机的使用经
济性和工作可靠性。所以，研制过程中，进行各种性能试验和可靠性试验，包括
构件强度试验、系统试验、操纵试验、耐久性试验等是十分必要的。国外一般通
过严格的科学试验和评价方法来确定是否进行定型生产。(2)重视电子计算机技
术的应用。国外发展已经有总体、工作装置、液压系统等的设计程序，可以在短
时间内进行总体设计，新产品从设计到批量生产的周期缩短到 1~2 年左右。(3)
在技术方面，当前液压挖掘机的研制和改进主要着眼于发动机功率的充分有效利
用和铲斗挖掘力的充分发挥。例如，通过各种途径使机械多做有效的功，其中包
括动力装置与液压系统的最佳匹配，传动效率的提高，回转机构功率的回收，高
效液压系统的研究等。(4)采用新结构和新材料。

1.2.2 国内研究状况
我国开发液压挖掘机的时间是从 1967 年开始的，与日本开发液的时间差不多
是相同的。我国挖掘机制造业已有 40 多年的历史，现有生产企业中中外合资和
外商独资企业 10 家)，可生产斗容量从 0.15-5.4m3时的型号的液压挖掘机，目前
中外合资、外商独资企业产品及进口机已占份额。近几年这些企业运营情况良好，