1、 引言 　　裝載機是工程機械的主要機種之一，廣泛用于建筑、礦山、水電、橋梁、鐵路、公路、港口、碼頭等國民經濟各部門。國外裝載機發展迅速，而我國裝載機在設計上存在很多問題，其中主要集中在可靠性、結構設計強度等方面[1,2]。由于采取“類比試湊”等設計方法在一定程度上存在盲目性，容易形成設計中的“人為”應力集中點，造成機構整體強度的削弱甚至破壞。按這種設計生產出的產品，外觀上看上去很強壯、剛性很好，但卻有內在的設計缺陷，使用過程中常因工作裝置結構強度等原因，產生開焊、甚至斷裂等破壞，致使工作裝置報廢，造成重大經濟損失。 　　本文將以SDZ20型裝載機為例，建立有限元模型，在典型工況下用MARC軟件進行靜態結構分析，獲得工作裝置整體的應力及變形分布。其結論對該種結構的優化設計有一定的指導意義。 　　2、 工作裝置結構受力破壞與力學特征 　　2.1工作裝置的結構 　　工作裝置由鏟斗、動臂、橫梁、支撐、搖臂、拉桿等組成。各構件之間由鉸銷聯接，有相對轉動。為了增強搖臂、支撐的剛度，在搖臂及支撐之間有筋板連接，在計算時，可以將其視為一體。動臂上鉸點與裝載機前車架鉸接，中部鉸點與舉臂油缸鉸接；搖臂上鉸點與翻斗油缸鉸接。用MARC對其做有限元靜力分析中，認為工作裝置各鉸接處沒有相對轉動。動臂是工作裝置的主要受力部件，其截面形狀為矩形；又因其長、寬方向遠大于厚度方向，故可以用板殼元對動臂進行離散。橫梁截面為箱形，為焊接結構。搖臂和支撐也是焊接結構，其焊接板的截面均為矩形。考慮各構件的厚度遠小于其它兩個方向的厚度，可以認為均為板類零件。 　　2.2結構受力與破壞特征 　　裝載機整體結構為對稱結構。分析裝載機插入、鏟起、舉升、卸載等的作業過程可知，裝載機載初鏟時，工作裝置受力最大。在整個工作過程中受到的外界載荷為不變載荷，主要是物料的重量以及機構自重。由于物料種類和作業的條件不同，裝載機工作時鏟斗切削刃并非均勻受載，一般可以簡化為兩種極端情況：（1）認為載荷沿切削刃均勻分布，并以作用在鏟斗切削刃中點的集中載荷來代替均布載荷，稱其為對稱受載情況；（2）非對稱受載情況，由于鏟斗偏鏟、料堆密集情況不均，使載荷偏于鏟斗一側，通常將其簡化為集中載荷作用在鏟斗最邊緣的斗齒上。這兩種處理方法都是偏于安全的。當結構受力超過其極限載荷，材料發生塑性變形直至開裂（焊接部位）或斷裂。 　　3、 有限元模型的建立及邊界條件 　　工作裝置作為裝載機的主要工作部件，強度和剛度必須有充分的保證。根據工作裝置的結構特征，建立起與其對應的有限元模型。 　　3.1單元類型的選取有限元網格劃分 　　工作裝置的各板厚度均勻，且長寬相比較小的多。根據經典薄殼理論假設，厚度小于中面輪廓尺寸1/5的為薄板。因此可以采用空間板殼單元進行網格劃分。考慮四邊形單元比三角形單元具有更高的計算精度，而三角形單元比四邊形單元更利于擬合過渡，所以采用四邊形單元與三角形單元混合進行網格劃分。 　　有限元網格按照“均勻應力區粗劃、應力梯度大的區域細劃”的原則進行劃分。按照給定尺寸自動劃分后，對局部（如尖角和軸承孔等部位）進行細劃。有限元模型如圖2所示。 3.2邊界條件的施加 邊界條件包括兩方面：邊界載荷和邊界約束。取額定裝載量，按靜力等效的原則將力施加在鏟斗尖內移約100mm處中部。在初鏟轉斗時，可認為舉臂油缸和翻斗油缸都不動，動臂的兩個鉸銷部位和搖臂的鉸銷部位無相對移動。 　　3.2.1邊界載荷 　　額定裝載為2×104N。聯合鏟取的工況進行加載。根據以上假設，可以計算出鏟斗所受水平力Rx和垂直力Ry。 水平力（即插入阻力）的大小由裝載機的牽引力確定 　　Rx=Pkpmax=4000N 式中，Pkpmax為裝載機的牽引力。 垂直力（即鏟起阻力）大小受裝載機的縱向穩定條件的限制。 　　Ry=GL1/L=58800x1300/2615.8=26974N 式中，G——裝載機自重，為6000kg（58800N）。 L1——中心到前輪水平距離，為1300mm。 L——垂直力作用點到前輪水平距離，為2615.8mm 。 　　考慮到鏟斗的特殊性，對其變形及破壞不予考慮。根據圣維南原理，局部載荷不影響遠處應力場的分布，可以知道，在鏟斗尖部附近所施加的點載荷不會影響除去鏟斗外的工作裝置的應力分布。所以這種加載方式是可行的。 　　3.2.2邊界約束 　　根據假設，舉臂油缸和翻斗油缸不動。這樣，在油缸與工作裝置的鉸接處和動臂與前車架的鉸接處分別施加對應的邊界條件。 　　3.3材料性能參數的確定 　　SDZ20型裝載機工作裝置構件所用的材料為16Mn（包括動臂、搖臂、支撐、橫梁和各筋板、加強板）和Q235（拉桿），變形在彈性范圍內，對應各構件分別施加所需材料常數： 　　4、 結果分析 　　用MARC軟件對工作裝置進行有限元分析，得到整個工作裝置的整體應力應變場、變形場分布，圖3給出了工作裝置的局部等效應力分布。 由結果可知，該裝置的結構完全滿足了強度要求。各構件情況是：動臂的危險點在動臂下鉸點及動臂與舉臂油缸鉸接處附近，應力值已經分別達到142.5MPa和118.9MPa，偏載時應力值達到184.5 MPa和153.6 MPa，是正載時的1.29倍，且偏載的一側與橫梁焊接部分出現應力集中，其值已達到100 MPa；搖臂的危險點在搖臂與拉桿鉸接處，應力已達91.7 MPa；橫梁的危險點在橫梁與動臂的鉸接處，應力值已達65.2 MPa；拉桿的危險點在與搖臂鉸接處，應力值已達107.2 MPa。同時，在偏載時，動臂承載了由于偏載所產生的大部分扭矩，而其他構件在偏載時的應力集中相對減小。即使這樣，最大值仍遠小于屈服應力，設計是偏于安全的。 信息來源于；中國工程機械網