工程机械结构现代强度设计方案的研究

工程机械结构现代强度设计方案的研究

作者：唐治平

来源：《中国科技博览》2013年第34期

[摘 要]将最优化的理论作和有限元法为基础进而对工程机械结构现代强度进行设计的方法，这一方法是在有限元分析和计算机环境中进行实施的。现代强度设计方案研究的基础是工程机械结构，以工程机械行业作为研究的切入点，开展切实可行的试验，对工程机械的整合方式和设计进行充分了解，并使用人力进行基础合成，将工程机械结构现代强度设计进行了较详细的阐述。

[关键词]工程机械 现代强度 结构

中图分类号：TE984 文献标识码：TE 文章编号：1009―914X（2013）34―0144―01 一、引言

根据不精确统计分析，整机重量的50%至70%都是工程机械结构件，优化工程机械结构的设计刻不容缓，同时也意义重大，优化后能够有效地降低成本经费，也能够减轻机械的重量，对作业效率也能够起到显著提高的效果。

当前，完整、规范的设计方法在工程机械中是不存在的。虽然说结构强度设计领域的发展过程相对较快，因为发展过程中需要应用的技术难度过大，也没有专门的专研组对其进行研究，所以很难普及和应用到设计中。本文对现代结构强度的设计方法进行了研究，涉及到了多个学科中的多种内容，其中包括有限元法应用、有限元法结构优化、数据采集、数据处理、CAD、寿命估算等。 二、传统设计方法和问题 （一）类比法的使用

类比法是工程机械传统结构设计所采用的方法，将可比的样机选择好，设计新的产品便要以此为参考，图纸转化可以选择手绘，除此之外也可以选择用软件进行转化。使用这种方法来设计虽然有效，但是具有独立和创新能力的设计没有形成，吸收样机的长处来设计产品难免也会存在一些样机的缺陷。其中局部强度不足是图纸在初期普遍都会存在的问题，要及时将这些问题进行切实可行的修改。避免图纸在实施过程中“手忙脚乱”。 （二）材料力学

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一维问题的解决主要使用的是材料力学。不能让人满意的是载荷作用点和应力集中区的应力解。对挖掘机的应力进行分析，分析之后发现危险点和危险断面在材料力学都没有将其指出。

工程机械教材和专业书中也只基于了材料力学基本的理论来介绍关于结构强度所使用的计算方法，而求解结果一般存在精度低的情况，现代结构设计已不适合使用这种传统方法。 我们对工程机械结构的强度进行分析的时候使用到了传统方法和有限元法，得出在同一负荷下，两种截然不同的方法分析后给出的危险断面也完全不同，大部分相对立的应力符号也是不相同的，两者没有可比性。而测定静态应力的结果和有限元法求得的结果偏差则在15%以内。所以，传统设计法所不能解决的计算问题应该使用有限元法来解决。 三、对外载荷的研究

在外载荷已经正确给定的前提下，使用有限元法再以CAD软件系统和相对较大型的结构分析程序为基础对机械结构进行分析，满意的应力解答无论是在任何复杂的结构环境中都能得出。因此，我们使用有限元法对工程机械结构进行分析时，看得最重要的课题就是对于外载荷的研究。

（一）基本研究外载荷的方法

我们可以采用静态试验、动态试验、应力谱数据采集和准动态试验等四种方法对外载荷进行研究。

提供应力的分析数据是静、动态试验的主要作用。能够和有限元应力的分析相互进行补充，分析外载荷也是以此来对数据进行分析的。根据试验得到的应力数据，高应力区之间的相互差额在10%之内，能够保证将较为准确的外载荷提供给有限元分析，在使用过程中可以大为放心。

从数据采集试验来看应力谱数据和动态试验两者都是大致相同的。动态试验往往或多或少带有一些人为的因素，其中一般情况是：荷载的极值在测取过程中只采用了很少的试验数量，测取过程中选择的工况也较为恶劣；而应力谱数据采集就具有随机性，同时也将人为因素尽量排除了，同时还具有足够的分析样本。 （二）有限元模型的建立

位移为零的情况在工程机械实际结构上是常能容易地找到。实际可行的是，将某些边界的位移在分析之后简化为零，同时还要确保对求解的精度没有影响。不仅是应力、位移甚至结构载荷的边界条件也能够使用有限元方法来求解。上文讨论的载荷一般指的是机器的外载荷。分析一件结构时，很难能够直接找到已知力的边界条件。在工程学对于多次超静定问题也束手无策的时候便需要采用有限元来进行分析。

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对有限元的一组中多个构件进行分析便是一般载荷对有限元模型的分析，分析其结构不需要太过细致，其本身对分析要求也不需要很细致。但是模拟结构的刚度必须要准确、合理，可使用等截面方法来处理一般的截面，两边截面的平均值就是这个截面的特性数值，同时也拥有了足够的求解精度。

剖分不能过粗是应力分析有限元的结构过程中应该重点注意的，普通电力设备中的构件节点总数不能少于1000个，并且要拥有总数不少于3000至5000的控制方程。 四、结构对WLWAS系统的优化

使用人机交互的方式，让设计变量通过人为进行更改，是因过于复杂的约束条件和设计变量，这对优化设计的完成以及有限元模型的修改都是非常可行的办法。

其中WLCAD系统中的独立子系统之一便是WLWAS。WLWAS系统是利用SAP5与CRAVO3软件来将整个系统支撑起的。疲劳数据库、寿命估算和静态优化这三部分就是WLWAS系统中主要包括的。结构优化与结构分析则是静态优化中所包含的两个部分；S-N曲线和P-S-N曲线以及工作中对应的应力谱是疲劳数据库中主要包含的两个部分。WLWAS系统现今仍然还在完善阶段。 五、结语

（一）许多变电站已经开始广泛地对工程机械结构现代强度设计方法进行采用，实际经济效益的收益也很明显，当然，这是针对有限元而言的。

（二）希望通过对变异系数从静态到动态过程中一体化设计属性的探讨能够引起注意，将其不完善的地方逐渐完善。

（三）有限元的应用是现代强度设计方法的核心，强度判断与网络分化都因人而异也是基于边界条件和外载荷条件等多种因素，对最终求解的精度也有直接的影响。因此，有限元应用的规范研究是当前迫在眉睫的任务。

（四）对以往各种失效结构进行分析，应力分布不均匀和应力偏高是其中出现事故的主要问题。因此说明静态设计并非很落后的设计，现在重要任务是要将静态设计提高到新的水平。S-N和P-S-N曲线以及载荷谱都是动态设计的基础，动态设计也需要更深入地研究和大量的积累才能逐渐完善。 参考文献

[1]郑永强.工程机械结构现代强度设计方法的研究[J].工程机械，2011，10：11-16+40.

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