分类号：Ｉ旦垒２１密级：公珏ＵＤＣ：６２２单位代码：！Ｑ２１窆基于ＡＮＳＹＳ的采煤机截割部摇臂结构有限元分析硕士研究生：安兴伟指导教师：吴卫东教授‘学位级别：硕士学位学科、专业：机械设计及理论论文提交日期：２０１Ｏ年４月论文答辩日期：２０１Ｏ年６月学位授予单位：黑龙江科技学院ＡＤｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅＤｅｇｒｅｅｏｆＭ．Ｅｎｇ●～．～ＳｔｒｕｃｔｕｒｅＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅＳｈｅａｒｅｒＣｕｔｔｉｎｇＲａｎｇｉｎｇＡｒｍＢａｓｅｏｎＡＮＳＹＳＣａｎｄｉｄａｔｅＡｎＸｉｎｇｗｅｉＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒＰｒｏｆ．ＷｕＷｅｉｄｏｎｇＳｐｅｃｉａｌｉｔｙＭｅｃｈａｎｉｃａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｈｅｏｒｙＨｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＨａｒｂｉｎ，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ，１５００２７Ｊｕｎｅ２０１０黑龙江科技学院学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得黑龙江科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：望丝坌同黑龙江科技学院学位论文使用授权声明黑龙江科技学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权黑龙江科技学院研究生处办理。研究生签名：缈螈师签名：研究生签名：美必师签名：犯选日黑龙江科技学院硕士学位论文摘要由于采煤机的工作环境恶劣，无论是采煤机的机械传动部件、液压传动部件、电器元件，还是摇臂、截割滚筒等，都会因采煤机受到的载荷过大而出现故障。采煤机截割部承受载荷较大，使截割部摇臂产生变形、扭转振动等，甚至局部发生断裂。采煤机截割部摇臂不仅是滚筒的调高部件，而且是传递动力的减速箱，其内部有轴、齿轮等传动部件，由于摇臂壳体产生变形，对齿轮传动系统产生较大影响，所以要求摇臂要有足够的强度和刚度。本文以ＭＧ６１０／１４００．ＷＤ系列采煤机的截割部摇臂为主要研究对象，运用有限元方法对其结构进行应力分析。利用三维建模软件ＵＧ建立采煤机截割部摇臂壳体的实体模型，通过ＩＧＥＳ格式，将该模型导入有限元分析软件ＡＮＳＹＳ中，建立采煤机截割部摇臂壳体的有限元模型。本文针对采煤机工作时的四种特殊工况进行分析，通过应用ＡＮＳＹＳ软件对摇臂进行有限元静力分析，获得摇臂壳体的应力和变形状态，得到摇臂壳体上最大应力和最大应变，进一步研究表明通过合理修改应力集中区域的过渡尺寸能有效改善其应力集中的现象。通过提取轴孔的变形量数据研究，轴孔较大的相对变形对齿轮传动将产生影响。对摇臂壳体模型进行模态分析，提取摇臂的振型，通过振型分析可知靠近摇臂头部的两个相邻轴存在较大的相对变形。由于在斜切状态下，采煤机工作条件较恶劣，所以针对这一工况在摇臂壳体上相对变形较大的两个相邻的轴孔处增加传动轴，通过接触对使轴与壳体耦合，进行接触分析，从而获得这两个相邻轴孔的相对变形量，为该部位传动齿轮修形量的确定提供依据。关键词：采煤机；摇臂；有限元分析；接触分析黑龙江科技学院硕士学位论文ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｓｃｏｍｐｌｅｘ，ｗｈｅｔｈｅｒＳｈｅａｒｅｒｍｅｃｈａｎｉｃａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｏｒｒａｎｇｉｎｇａｒｍ，ｃｕｔｔｉｎｇｄｒｕｍｓ，ｗｉｌｌｂｅｄｕｅｔｏｔｈｅｌａｒｇｅｌｏａｄｔｏｆａｕｌｔ．ａｒｅＴｈｅｒｅｉｍｐａｃｔｌｏａｄｓｏｎｔｈｅｓｈｅａｒｅｒｒａｎｇｉｎｇａｒｍ．Ｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｕｎｉｔｗｉｌｌａｐｒｏｄｕｃｅｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｔｏｒｓｉｏｎａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ｅｖｅｎｐａｒｔｉａｌｆｒａｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｕｎｉｔｒａｎｇｉｎｇａｒｍｉｓｎｏｔｏｎｌｙｔｈｅｌｉｆｔｉｎｇｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ｂｕｔａｌｓｏｔｈｅｓｐｅｅｄｒｅｄｕｃｅｒｆｏｒｔｒａｎｓｆｅｒｐｏｗｅｒ．Ｔｈｅｒｅａｒｅｓｈａｆｔｓａｎｄｇｅａｒｓｉｎｓｉｄｅ．ｓｙｓｔｅｍｗｉｌｌｂｅＢｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｒａｎｇｉｎｇａｒｍ，ｔｈｅｄｒｉｖｅｉｍｐａｃｔ．Ｓｏｔｈｅｓｈｅａｒｅｒｒａｎｇｉｎｇａｒｍｓｈｏｕｌｄｈａｖｅｅｎｏｕｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｓｔｉｆｆｎｅｓｓ．ＣｏｎｓｉｄｅｒｔｈｅｒａｎｇｉｎｇａｒｍｏｆＭＧ６１０／１ａｓ４００－ＷＤｓｅｒｉｅｓｓｈｅａｒｅｒｔｈｅｍａｉｎｏｂｊｅｃｔｆｏｒｓｔｕｄｙｉｎｇ，ｕｓｉｎｇｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｔｏａｎａｌｙｚｅｉｔｓｓｔｒｅｓｓａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｏｌｉｄｍｏｄｅｌｏｆｓｈｅａｒｅｒｃｕｔｔｉｎｇｕｎｉｔｒａｎｇｉｎｇａｒｍｉｓｂｕｉｌｔｗｉｔｈｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅＵＧ．ＩｍｐｏｒｔｔｈｅｍｏｄｅｌｉｎｔｏｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅＡＮＳＹＳｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅＩＧＥＳａｎｄｂｕｉｌｄｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｓｈｅａｒｅｒｃｕｔｔｉｎｇｒａｎｇｉｎｇａｒｍ．Ｔｈｅｔｈｅｓｉｓｓｔｕｄｉｅｓｆｏｕｒｓｐｅｃｉａｌｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．ＵｓｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅＡＮＳＹＳａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｒａｎｇｉｎｇａｒｍａｎｄｇｅｔｔｈｅｓｔｒｅｓｓａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｓｔｒｅｓｓａｎｄｓｔｒａｉｎｏｆｔｈｅｒａｎｇｉｎｇａｒｍａｒｅｇｏｔ．Ｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｄａｔａｏｆｈｏｌｅｉｓｇｏｔ．Ｔｈｅｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍｗｉｌｌｂｅａｆｆｅｃｔ．Ｍｏｄｉｆｙｔｈｅｓｉｚｅｏｆｓｔｒｅｓｓｄｏｎｅ．Ｇｅｔｔｈｅｏｎａｒｅａｔｏｉｍｐｒｏｖｅｉｔ．Ｔｈｅｒａｎｇｉｎｇａｒｍｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓｉｓｏｆｔｈｅｒａｎｇｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎｔｈｅｔｗｏａｒｍ．Ｔｈｅｒｅｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｘｅｓｎｅａｒｔｈｅｈｅａｄ．Ｔｈｅｏｂｌｉｑｕｅｃｕｔｉｓｔｈｅｗｏｒｓｔｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ＳＯｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｔｏａｄｄｔｈｅｓｈａｆｔｗｈｅｒｅａｒｅｔｈｅｈｏｌｅｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｎｒａｎｇｉｎｇａｒｍ．Ｔｈｒｏｕｇｈｈａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔｏｆｃｏｎｔａｃｔｂｅｔｗｅｅｎｓｈａｆｔａｎｄｈｏｌｅ，ｉｔｔｈｅｃｏｎｔａｃｔａａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｇｅｔｓｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｗｏｈｏｌｅｓ．Ｉｔｗｉｌｌｂｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｇｅａｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｈｅａｒｅｒ；ｒａｎｇｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓａｒｍ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ；ｃｏｎｔａｃｔＨ黑龙江科技学院硕士学位论文目录第１章绪论…………………………………．．１．１选题的目的和意义……………………．１．２国内外研究概况、水平和发展趋势…１．３课题研究的主要内容…………………．１．４本章小结………………………………．第２章采煤机截割部摇臂受力分析………２．１采煤机截割部的介绍…………………．２．２采煤机截割部摇臂的受力分析………２．３本章小结………………………………．第３章采煤机截割部摇臂壳体有限元分析３．１有限元方法及分析软件ＡＮＳＹＳ简介…３．１．１有限元方法………………………．３．１．２有限元法的基本方程……………一３．１．３ＡＮＳＹＳ简介…………………………３．２摇臂壳体有限元模型的建立…………３．２．１建立摇臂壳体的实体模型………３．２．２建立摇臂壳体的有限元模型……３．３摇臂壳体有限元分析…………………．３．４摇臂的模态分析………………………一３．５本章小结………………………………．４．１ＡＮＳＹＳ接触分析介绍…………………．．４．１．１ＡＮＳＹＳ的接触能力………………．．４．１．２ＡＮＳＹＳ接触单元…………………．．４．１．３ＡＮＳＹＳ面面接触分析方法………．ＩＩＩ第４章装配三轴四轴摇臂的有限元分析…．．黑龙江科技学院硕士学位论文４．２摇臂壳体增加传动轴后的有限元分析……………………４６４．２．１有限元模型的建立………………………………………４６４．２．２计算结果处理及分析…………………………………．．５０４．３本章小结……………………………………………………一５３第５章结论与展望…………………………………………………５４参考文献……………………………………………………………一５６作者简介……………………………………………………………．．６０致谢……………………………………………………………………………………．．６１ＩＶ黑龙江科技学院硕士学位论文第１章绪论１．１选题的目的和意义随着我国市场经济的迅速发展，能源的使用量正急剧加大。我国不仅是世界上最大的煤炭生产国，同时也是世界上最大的煤炭消费国，采煤机作为煤矿生产最为重要的设备，其性能不仅直接关系到采煤机及其机组设备的开机率和可靠性，而且决定着煤矿高产、高效的生产进程。２０世纪５０年代我国的采煤机，主要从国外引进；自７０年始，我国处于引进与开发相结合的发展时期，能自行设计和生产适合中厚煤层的螺旋滚筒式采煤机。我国采煤机至８０年代兴盛，到９０年代进入电牵引阶段。ｌ９９１年，当时的煤炭科学研究总院上海分院与波兰科玛克公司合作，研制成功我国第一台交流变频调速的ＭＧ３４４．ＰＷＤ型薄煤层强力爬底板电牵引采煤机，从此我国的电牵引采煤机有了较快的发展ｎｆ引。目前，国内外采煤机向着高技术、高性能、高可靠性及大功率电牵引的方向发展。采煤机是机械化采煤工作面的主要设备之一，其作用是利用滚筒构完成落煤及装煤任务。采煤机性能的优劣对煤矿的安全、高效生产有直接影响。随着滚筒式采煤机的广泛应用，其能否安全可靠地连续工作己成为人们日益关注的课题。采煤机在恶劣的工作环境下，无论是采煤机的液压传动部件、电器元件、机械传动部件，还是摇臂、截割滚筒等，都会因采煤机受到的载荷过大而出现故障，从而严重影响采煤机工作的可靠性。采煤机的截割部主要包括截割机构及传动装置。截割部是采煤机进行落煤和装煤的部分，它所消耗的功率占整个采煤机功率的８０％９０％，并且承受很大的负载和冲击载荷。摇臂是滚筒调高的部件，同时又是截割部可摆动的减速箱。摇臂壳体是一个尺寸大、结构复杂的部件，在工作过程中，不仅承受载荷大，而且受力状态也比较复杂。因此，其结构、参数的合理与否直接影响采煤机的生黑龙江科技学院硕＋学位论文产率、．传动效率、能耗和使用寿命∞，。采煤机截割部不仅要给采煤机工作机构传递落煤和装煤所需的动力，同时需要承受巨大的随机截割负荷，使摇臂在外载作用下亦呈现动态变形，使得其内部的机械传动与原始状态产生差异。由于摇臂所受负荷影响，使其承受弯曲、拉压、扭转等复合作用，因此用常规的材料力学等方法难于进行相关分析。随着科学技术的发展，有限元法得到了广泛的应用，通过有限元法可以对几何形状不规则的各种结构进行应力、应变分析。当机械结构受到外力载荷作用时，利用有限元法可以知道机械结构受到外力负载后的状态，从而判断是否符合设计要求。利用有限元法对结构进行分析已成为产品设计中的一个重要环节¨·５｜。本文对采煤机截割部摇臂建立三维实体模型，对其在考虑有无装配传动轴及不同装配状态的情况下进行有限元分析，分析其应力、应变以及变形对装配质量的影响，进而为传动齿轮修形量大小等提供依据。１．２国内外研究概况、水平和发展趋势随着计算机技术和计算方法的发展，对于复杂的工程问题，人们在广泛吸收现代数学、力学理论的基础上，可以采用离散化的数值计算法并借助计算机得到满足工程要求的数值解，这就是数值模拟技术。目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法有：有限单元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，但就其实用性和广泛性而言，主要还是采用有限单元法。有限单元法的基本思想是将问题的求解域划分为一系列单元，单元之间仅靠节点来连接。单元内部的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系求得哺３。由于计算机技术的发展，也产生了许多相应的软件，其中ＡＮＳＹＳ软件在工程上应用的相当广泛，在机械、电机、土木、电子及航空等领域的使用，都能达到了某种程度的可信度，颇获各界好评。使用该软件，能够有效缩短设计时间，降低设计成本。ＡＮＳＹＳ２黑龙江科技学院硕＋学位论文由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ＡＮＳＹＳ开发，它是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，能与多数ＣＡＤ软件接口，实现数据的共享和交换，如Ｐｒｏ／Ｅ，ＮＡＳＴＲＡＮ，ＩＤＥＡＳ，ＡｕｔｏＣＡＤ等，是现代产品设计中的高级ＣＡＥ工具之一。美国ＪｏｈｎＳｗａｎｓｏｎ博士于ｌ９７０年创建ＡＮＳＹＳ公司后，便开发出了该应用程序，以此用计算机模拟工程结构分析，历经４０年的不断完善和修改，现在已经成为全球最受欢迎的应用程序。它包含了前置处理、分析计算以及后置处理，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为现代工程学问题必不可少的有力工具＂’１１ｌ。有限元分析的方法在国内的应用也十分广泛，２０世纪８０年代我国大连理工大学工程力学研究所成功开发了国内第一个通用有限元程序系统ＪＩＧＦＥＸ，并在１９８３年开发出了它的微机版ＪＩＧ．ＦＥＸ．Ｗ。它在我国经济发展中拥有广阔的发展ｆｊ｛『景，并把它应用到重大机械项目和国民经济骨干行业领域当中。国内外许多学者将有限元的方法应用在各个领域。ＹＫｕｍａｒｎ２ＶＳａｔｉｓｈ３等，使用一种新的加筋板单元对船结构进行有限元分析；ＳＨＺｈａｎｇ，ＫＢＮｉｅｌｓｅｎ¨３１等，利用有限元法对盒形件充液拉伸的过程进行有限元分析；ＧｅｏｒｇｅＶｉｎａｓ…１等对信箱焊接修复后的残余应力进行有限元分析。在汽车行业的产品设计中，ｌ９９５年国内的郑建新、赵六奇介绍了法国ＳＯＭＡ公司指定的关于驱动桥桥壳强度校核方法；应用ＡＬＧＯＬＦＥＳ软件对ＳＯＭＡＣｌｌ６转向驱动桥桥壳进行了静强度有限元分析，得出了在三种载荷情况下的最大应力出现处¨５１。在桥壳的弹塑性非线形有限元分析方面有李玉河等对我国生产的一种汽车后驱动桥桥壳进行了大位移、大应变弹塑性有限元模拟分析，求得了加载点的载荷一位移变化曲线、最大应力点的弹塑性应变、载荷变化曲线、危险截面的弹塑性应力、载荷变化曲线、危险截面达到全面屈服时的屈服载荷等，为汽车后桥的强度评价及疲劳寿命估算提供了有关数据¨引。黑龙江科技学院硕士学位论文南京林业大学的郑燕萍，羊玢利用ＡＮＳＹＳ软件，按国家驱动桥壳台架试验的标准，在计算机中采用有限元方法模拟其垂直弯曲刚度试验、垂直弯曲静强度试验和垂直弯曲疲劳试验¨７Ｉ。梁尚明等针对摆动活齿减速器的结构特点，建立了摆动活齿减速器装配体的三维有限元模型。应用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对该模型进行了模态分析。求出了摆动活齿减速器系统的固有特性Ｈ引。胡纪滨等采用有限元法对液压机械变速器箱体纯液压段最恶劣工况点进行了静力学分析，指出了箱体的设计缺陷，改造了箱体结构，其受力和变形均得到了改善¨９。。余成龙，董益亮以汽车后桥为例，研究了杂交系统的动力学分析问题，推出了其振动微分方程，并用有限元法建立了其动力学分析模型。利用该模型可对汽车后桥系统进行了模态分析和动力响应分析Ⅲ３。采煤机的发展近几年发展很快，牵引方式向电牵引方向发展，装机总功率也不断增大，元件的可靠性更是大幅度提高，有些采煤机的监控系统也基本实现了智能化。目前，国内外使用的采煤机械主要是可调高的双滚筒采煤机，最早的滚筒采煤机是在截煤机的基础上，将减速箱部分改成允许安装一根水平轴和截割滚筒而演变成的。这种滚筒采煤机与可弯曲输送机配套，奠定了煤炭开采机械化的基础。２０世纪６０年代，英国、德国、法国和前苏联等先后对采煤机的截割滚筒做出两项重要改进。一是截煤滚筒可以在使用中调整其高度，完全解决对煤层赋存条件的适应性；二是把圆形滚筒改进成螺旋叶片式截煤滚筒，极大地提高了装煤效果。这两项改进使滚筒式采煤机成为现代化采煤机械的基础。现代滚筒采煤机均为可调高摇臂滚筒采煤机，其发展是从有链到无链；由机械牵引到液压牵引再到电牵引；由单机纵向布置驱动到多机横向布置驱动；由单滚筒到双滚筒，且向大功率、遥控、遥测、智能化发展，其性能Ｒ臻完善，生产率和可靠性进一步提高，工况自动监测、故障诊断以及计算机数据处理和数显等先进的监控技术己在采煤机上得到应用。４黑龙江科技学院硕＋学位论文国内采煤机主要生产企业有天地科技股份有限公司上海分公司、鸡西煤矿机械有限公司、西安煤矿机械厂、太原矿机集团公司等。目前我国已经生产出采高ｌ～５．５ｍ、倾角００～５５０、装机功率１００，－一２５００ｋＷ、供电电压６６０＂－＂３３００Ｖ的滚筒式电牵引采煤机的系列产品。如由鸡西煤矿机械有限公司研制的大功率电牵引采煤机ＭＧ８００／２０４０，日产２００００ｔ、年产６００万ｔ。陕西煤化集团西安煤矿机械厂自主研制的特大功率、大采高、高可靠性的ＭＧ９００／２２１０一ＷＤ型智能化自动化网络化交流电牵引采煤机，年设计生产能力８００万ｔ，实际生产能力可达１０００万ｔ以上。天地科技股份有限公司上海分公司生产的ＭＧ９００／２２ｌ５．ＧＷＤ型超大功率交流电牵引采煤机，该采煤机截割部摇臂单机功率９００ｋＷ，行走部牵引电机单机功率１１０ｋＷ，破碎机电机功率ｌ６０ｋＷ，泵站电机功率３５ｋＷ，采煤机总装机功率２２１５ｋＷ。神东煤炭分公司最新引进的德国Ｅｉｃｋｈｏｆｆ公司生产的采煤机ＳＬｌ０００，总装功率达２４００ｋＷ，总重量１４５ｔ，整机长度为１８．４ｍ，机身高３．２ｍ，是大采高工作面主要配套设备之一。在相近的低强度开采条件下，国产采煤机的最大截割高度已经达到国际先进，最大功率已经达到国际领先。现阶段，要想进一步提高我国采煤机整体水平，必需采用先进的设计、制造手段，才能提高采煤机综合竞争力。国内外一些研究单位、高校、企业等利用有限元等现代分析软件对采煤机相关特性进行许多研究工作乜卜２６ｌ。大多研究人员，对采煤机的设计研究主要是理论分析和模拟仿真，在全面分析采煤机工况的基础上，建立采煤机的虚拟样机模型。其它一些研究单位和高校如煤炭科学研究院上海分院、太原理工大学、辽宁工程技术大学、西安科技大学、桂林航天工业高等专科学校等，也从不同的方面对采煤机进行了一定研究。毛君等利用Ｐｒｏ／Ｅ对采煤机建立了三维图形并进行了动态仿真，给出了对采煤机进行有限元分析、接触分析、结构分析和疲劳分析等方法，并探讨了利用仿真的结果对采煤机进行最优化设计心７｜。辽宁工程技术大学的毕长生对采煤机截割部齿轮传动系统的动态特性黑龙江科技学院硕十学位论文进行了研究乜引。廉自生等用ＵＧ建立了采煤机截割部的三维几何模型，利用ＡＤＡＭＳ软件建立了采煤机摇臂的虚拟样机模型，并且对采煤机摇臂进行了动力学分析心９｜。李晓豁、刘春生等在考虑了摇臂的刚度、阻尼以及采煤机与运输机的接触刚度的基础上，建立了采煤机工作时的刚体动力学模型和数学模型∞引。李晓豁、赵岐刚还以顶部悬挂式连续采煤机截割部为例，建立了截割部液压缸活塞运动速度与悬臂摆动角速度以及活塞推力与悬臂摆动力间的函数关系，对连续采煤机截割部进行运动及力学分析∞１。。综上所述，国内外对采煤机的研究取得了一定的成果，但对采煤机截割部摇臂的研究没有考虑主要零部件装配影响因素情况下对其进行有限元分析。１．３课题研究的主要内容本文在黑龙江省自然基金（Ｅ２００８２５）资助下，对采煤机截割部摇臂进行有限元分析，建立摇臂壳体的有限元计算模型，分析摇臂的应力和应变状态。本课题的主要内容：（１）对采煤机截割部的结构和工作原理进行的分析，提出一个合理的简化模型。（２）采用ＵＧ软件建立采煤机摇臂壳体的三维实体模型，导入ＡＮＳＹＳ软件中对采煤机截割部摇臂进行有限元分析，获得采煤机截割部摇臂的应力和变形状态，找到最大应力和危险截面，为采煤机截割部摇臂结构的进一步改进提供依据。（３）在摇臂壳体相对变形最大的相邻轴孔处增加传动轴，通过接触对跟壳体耦合，再对摇臂进行静力分析，模拟两轴的相对变形量，为齿轮装配和修形量的确定提供依据。１．４本章小结本章对采煤机的发展概况以及有限元的发展和应用进行了介６黑龙江科技学绍，根据目前国内对采煤机截割部提出本课题的主要研究内容及意义黑龙江科技学院硕十学位论文第２章采煤机截割部摇臂受力分析２．１采煤机截割部的介绍采煤机械作为机械化采煤工作面的主要设备之一，主要完成落煤和装煤两个工序。现代的采煤机械一般采用滚筒式采煤机和刨煤机。目前应用最广泛的采煤机械是双滚筒采煤机，结构简图如图２．１所示。１．摇臂２．轴承架３．牵引部４．电控箱５．中间箱６．液压装置图２．１采煤机结构简图Ｆｉｇ．２—１ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＳｈｅａｒｅｒ采煤机截割部主要由螺旋滚筒、摇臂等组成，它是采煤机实现落煤和装煤的部分。螺旋滚筒承担截煤和装煤任务，是采煤机截割部的主要部件之一，一个完整的螺旋滚筒应该满足一定的要求：能适应不同的煤层和有关地质条件；能充分利用煤壁的压张效应，降低能耗，提高块煤率，减少煤尘；能装煤和自开切口；结构简单，工作可靠，拆装、维修方便；载荷均匀分布，机械效率高。螺旋滚筒是采煤机落煤和装煤的执行机构。它的作用是落煤、装煤、降尘和冷却。因此，滚筒要求具有较高的截割效率和装载效率。８黑龙江科技学院硕十学位论文采煤机截割部减速器一般分为固定减速器和摇臂减速器，它主要包括供摇臂调高滚筒用的液压传动系统和齿轮减速的机械传动系统。当截割电动机横向布置时，摇臂减速器与电动机直接相连，所以没有固定减速器，如图２．２所示。摇臂既是采煤机的调高部件，又是可以传动动力的减速箱。鼠惜氢甾举囊彗ｒ时崾罾＆蟛！＝］旒簇黧．国ｌＮ搭审申申考箬划＾止血△Ｉ一审ｌ—＇卜一，／／＇Ｊ］＇∥鱼移蕊嚣僻——’—～１．电动机２．一轴３．二轴４．三轴５．四轴图２．２采煤机截割部传动系统Ｆｉｇ．２·２Ｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍｏｆｓｈｅａｒｅｒ’Ｓｃｕｔｔｉｎｇｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ２．２采煤机截割部摇臂的受力分析采煤机的工作条件十分恶劣，采煤机在工作过程中受到冲击载９黑龙江科技学院硕士学位论文荷非常剧烈，对采煤机截割部摇臂及内部传动会造成很严重的影响。滚筒受到截割阻力Ｅ、推进阻力Ｅ、轴向力ｔ的作用∞引。近似认为电动机的功率全部消耗在前滚筒上，截割阻力集中作用在螺旋滚筒的截齿齿尖上，且垂直牵引速度方向，截割阻力为：Ｆ。：—１．９１ｘ１０—７ＮＨｒｌｉｎＤ（２．１）式中ⅣＨ一一电动机额定功率，ｋＷ；ｚ一一截割部主传动系统的总传动比；一一截割部总传动效率；万一一滚筒转速，ｒ／ｍｉｎ；Ｄ一一滚筒直径，ｍ。推进阻力集中作用在螺旋滚筒的截齿齿尖上，且与牵引速度的方向相反，推进阻力为：Ｃ＝Ｋ．Ｅ（２．２）式中Ｋ。——主要与截齿磨损程度有关的系数，截齿磨损较小取０．２，磨损较大取１．Ｏ，中等磨损程度取０．６～０．８，取Ｋ。＝０．８。螺旋滚筒所受的轴向力主要是截齿受力不平衡造成的，螺旋滚筒运煤引起的轴向力比较小，顺序配置时，截齿都是一个紧挨着一个进行截割的，因而每个截齿受到朝煤壁方向作用的侧向力，而且切屑断面较小。截齿受到不平衡的侧向力，但因为滚筒基本部分截齿和滚筒端盘部分截齿所受到的侧向力作用方向，一般是相反的，故滚筒的轴向力为：ｃ：华（２．３）Ｌｊ式中厶——滚筒端盘截齿的截割宽度，ｍ：厶——滚筒的有效截深，ｍ。１０黑龙江科技学院硕十学位论文棋盘配置截齿时，截齿是按一个跳一个的次序进行截割的，所以每个截齿两侧的受力基本是平衡的，故螺旋滚筒的轴向力为：Ｃ：—Ｋｚ＿ｔｋ—ＦｘＬｊ（２．４）Ｋ，——考虑滚筒端盘部分接近半封闭截割条件系数，取Ｋ，＝２；采煤机在处于斜切状态时除了正常工作状态下的轴向力外，还有截齿挤压煤壁产生的轴向力，所以该状态下的轴向力为两个轴向力的合力，即ＦＺ＝Ｆｚ＋Ｆｊ２（２．５）式中Ｆ。一一采煤机斜切进刀过程中煤壁反作用于截齿的侧向力，Ｎ。由经验可知，对于中等功率采煤机处于斜切状态时，与正常截煤状态相比，轴向力增加ｌＯ％～１２％，对于大功率采煤机增加量还要大，本文取１６％¨３１。本文以ＭＧｌ４００型采煤机为研究对象，其相关参数为：截割功率Ｐ＝６１０ｋＷ；滚筒转速＂＝２８．２ｒ／ｍｉｎ；滚筒直径Ｄ＝２．５ｍ；牵引速度Ｖｑ＝０～１４ｍ／ｍｉｎ；摇臂上摆角口＝４２０；摇臂下摆角口＝１８０；最大煤层倾角∥＝２５０；最大牵引力Ｆ＝７８５ｋＮ；机重Ｇ＝７５９００ｋｇ。在采煤机零部件的强度计算中，实际工况下截割载荷的确定尤为关键。合理确定载荷是零部件有限元分析的前提和基础。采煤机在工作过程中，摇臂的受力状态是受滚筒所处的位置影响的，为了保证摇臂壳体在最严重的工作状态下不发生破坏，取摇臂最大的受力状态。本文主要研究四种工况：工况Ｉ，工况ＩＩ为煤层倾角∥＝２５０，正常工作时摇臂摆角分别为口＝００，口＝４２０时的两种工作状态；工况ＩＩＩ为煤层倾角∥＝２５０，摇臂摆角口＝４２０时，考虑滚筒的斜切的工作状态，工况Ⅳ为煤层倾角∥＝２５０，摇臂摆角口＝１８０时的工作状态，前三种工况都是前滚筒的工作状态，第四种工况是后滚筒的工作状态，受力如图２．２所示，这样就能更全面的了解摇臂壳体的应力和变形状态。黑龙江科技学院硕十学位论文图２－３摇臂受力简图Ｆｉｇ．２—３Ｆｏｒｃｅｏｆｔｈｅｒａｎｇｉｎｇａｒｍ根据上面的经验公式可以计算出采煤机截割部摇臂滚筒上承受的载荷。分析前滚筒受力时假设所有牵引力都做用在滚筒上，采煤机前滚筒克服的牵引阻力为：瓦＝【Ｆ＋Ｇｓｉｎ∥一ｆＧｃｏｓｐ）×０．６式中（２．６）Ｆ一一采煤机牵引力，Ｎ；Ｇ一一采煤机的重力，Ｎ；∥一一煤层倾角，。；厂一一摩擦系数，决定于采煤机导向机构摩擦表面的状况和湿度，以及采煤机的运动速度，平均可取０．１后滚筒克服的牵引阻力为：８。瓦。＝（Ｆ＋Ｇｓｉｎｆｌ－ｆＧｃｏｓｆｌ）ｘ０．４（２．７）对于不同工况，为了便于分析，只改变施加载荷的方向不改变１２黑龙江科技学院硕十学位论文其模型轴线位置。水平、垂直和轴向方向的力分别用兄，％，兄来表示，四种工况的受力简图如图２．３，２．４，２．５，２－６所示，计算如下：工况Ｉ：Ｌ＝乙ｃｏｓ０。一ｅｓｉｎ０。＝乙Ｆ眄＝ＴｐｓｉｎｏｏｊｒＦｙｃｏｓｏｏ＝ＦＰＦ。＝Ｆｚ工况ＩＩ：凡＝乙ｃｏｓ４２。一‘ｓｉｎ４２。ＦＩｆ）？＝Ｔｐｓｉｎ４２０＋Ｆｙｃｏｓ４２０Ｆｚｚ＝Ｆｚ工况ＩＩＩ：Ｆ。＝Ｔｐｃｏｓ４２０—Ｆｙｓｉｎ４２０Ｆ眄＝Ｔｐｓｉｎ４２０＋Ｆｙｃｏｓ４２０Ｆｚｚ＝Ｆｚ工况Ⅳ：Ｌ＝乙ｃｏｓｌ８。＋Ｅｓｉｎｌ８。％＝乙ｓｉｎｌ８。一‘ｃｏｓｌ８。Ｆ。＝ＦＺ图２．４工况Ｉ摇臂受力简图Ｆｉｇ．２－４ＦｏｒｃｅｏｆｔｈｅｒａｎｇｉｎｇａｒｍｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎＩ１３黑龙江科技学院硕十学位论文根估载黑龙江科技学院硕十学位论文第３章采煤机截割部摇臂壳体有限元分析３．１有限元方法及分析软件ＡＮＳＹＳ简介有限元法是最近６０年发展起来的计算力学中一种有效的通用计算方法，是计算机辅助工程ＣＡＥ中的一种，它既包括有数学理论，又包括有程序的设计技巧。这种方法首先应用在固体力学方向上，而后在工程技术各个领域中得到了广泛的应用。３．１．１有限元方法从数学的角度来看，一个工程问题可以用一个偏微分方程来描述，但却很难求得其精确的解析解。从２０世纪５０年始，随着电子计算机的应用，有限元作为一种数值分析工具，借助于高速电子计算机的配合，得以使以前这类难以处理的工程技术问题都可以获得一个近似的数值解。目前，有限元法已被公认为是一种有效的数值计算方法，并被广泛应用于各类工程技术领域。在机械设计中，从齿轮、轴、轴承等通用零部件到机床、汽车、飞机以及航空、航天设施等复杂构件的应力和变形分析，采用有限元法计算，都可以获得一个足够精确的近似解来满足工程上的要求∞４。３引。１９６０年以后，有限元法在工程上获得了广泛的应用。比较成熟的大型通用有限元分析软件包括ＭＳＣ／ＰＡＴＲＡＮ，ＭＳＣ／ＮＡＳＴＲＡＮ，ＡＮＳＹＳ，ＡＢＡＱＵＳ，ＭＡＲＣ，ＳＡＰ９１等。随着社会的发展需要，在各个领域中出现了越来越多的复杂结构，这些结构在工作过程中会承受多种外载荷的联合作用，其应力、应变、位移、热变形及振动响应等问题的分析均比较复杂。过去由于计算机的，对复杂结构的力学分析常感到力不从心，近１０年来随着计算机技术和图形设备性能的不断提高，结构ＣＡＤ／ＣＡＥ技术的迅速发展，以及计算力学理论的进一步完善，结构ＣＡＥ技术如今已成功地应用于各种工程部门的结构设计。采用先进的结构ＣＡＥ分析软件进行结构设计与分析，有利于节约研制费用、缩短研制周期，提高产品竞争能力。同黑龙江科技学院硕十学位论文时可以全面、精确分析设计对象的物理状态，寻找最优参数，以便进行经济合理的结构设计¨７‘３８１。３．１．２有限元法的基本方程有限元法中经常用到弹性力学的变分原理和基本方程，弹性力学可以分析弹性体在受外力作用并处于平衡状态下产生的应力、应变和位移状态相互关系等。弹性力学用于二、三维连续弹性体问题要考虑几何方程、物理方程、平衡微分方程和边界条件，最终是偏微分方程的边界问题¨９。４０｜。３．１．２．１位移和应变之间的几何关系弹性体在载荷作用下，会产生变形和位移。弹性体内任一点的位移可由沿直角坐标轴方向的三个位移分量Ｕ，Ｖ，Ｗ来表示。它的矩阵形式是：万＝｛三｝＝ｌ１，ｗｒ（３．１）称作位移列阵或位移向量。弹性体内任意一点的应变，可由６个应变分量ｑ，ｑ，占：，岛，如，比来表示。其中ｔ，ｑ，乞为正应变，％，‰，比为剪应变。应变的矩阵形式是：＝ｋ，；ｙ见％％ｋｒ（３．２）巳勺ｔ～％坛上述六个分量，称为应变分量。对于三维的一般情况，各应变１６黑龙江科技学院硕＋学位论文分量和位移分量的几何关系为：方程所以组３协调小立面体的变元体条件下式对ｚ，因为黑龙江科技学院硕＋学位论文一＝：…一百０２ｙ，∥：芝＿Ｏｕ＂４Ｉ－罢宴苏却却２舐反２却（３．６）ｔｊ．Ｉ，－因为巳＝瓦Ｏｕ，ｓｙ＝考，所‘以式（３．６）可以改成：盟：冬＋鼻ＯｘＯｙ加２叙２（３．７）这就是平面问题的变形协调条件。对于三维问题，只要把位移分量”，１，，Ｗ从式（３．３）中消去就得到相应的变形协调条件。把％对ｘ，ｚ的微分，坛对Ｙ，ｘ的微分，并将所得结果相加则得：石０２ｙ，ｙ＋姿：兰（ｉＯｕ＋ｉＯｖ）苏瑟苏却叙瑟、却叙。（３．８）由于甜，’，，Ｗ是单值连续函数，我们便可把式（３．８）右边写成：２丽０２瓦Ｏｕ＋萨０２【．瓦Ｏｒ＋万Ｏｗ）＝２茜＋等因此有：（３．９）盟ＯｘＯｚ＋盟ＯｘＯｙ＝２意＋等巩瑟氟‘式．（３．１０）利用循环轮换法即可得到其余类似关系式。结果，可以得到应变分量之间必须满足的变形协调条件。它们是如下的６个微分方程１８黑龙江科技学院硕十学位论文ａ２ｓ８１ｓｖｃ３２ｙｑＯｙ２’叙２礅ＯｘＯ，瑟２堕：旦（一丝＋墼＋盟）苏砂出砂一Ｉ－：：一ａ２占。０２占，０２ｙ甥昆２。Ｏｙ２Ｏ，ｏｚ２ｃ３２ｓｙ：旦（丝一丝＋丝）恕瓠卸ｊ瓠动ａＺ（３．１１）ｃ３２ｙ“ａ２￡＝．ａ２ｓ：———二上———二＝————＝舐２瑟２如苏２堕：旦（丝＋监一盟）３．１．２．２应变和应力之间的弹性方程弹性体在载荷作用下，体内任意一点的应力状态可由６个应力分量仃，，仃ｙ，仃：，ｆ掣，ｆ弦，ｆ。来表示。其中盯，，仃ｙ，盯：为正应力，ｆ删，ｆ憎，ｆ。为剪应力。应力分量的正负号规定如下：如果某一个面的外法线方向与坐标轴的正方向一致，这个面上的应力分量就以沿坐标轴正方向为正，与坐标轴反向为负；相反，如果某一个面的外法线方向与坐标轴的负方向一致，这个面上的应力分量就以沿坐标轴负方向为正，与坐标轴同向为负。应力分量的矩阵为：ｙ＝ｂ，ｏＰｏ１ｑ１＿｜｝ｚ乞】ｒ（３．１２）ｙ办巩办锄和锄称为应力列阵或应力分量。当弹性单元体上只作用有拉伸或压缩的应力ｏｒ，（所有６个表面上没有任何其他应力作用）时，则应力盯，和１９黑龙江科技学院硕十学位论文应变ｑ成比例，其比值称为拉伸弹性模量，用Ｅ来表示。即此时有虎克定律：ｑ：睾（３．１３）大多数工程材料的拉伸弹性模量和压缩弹性模量相等，因此简称为弹性模量。当单元体在ｘ方向拉伸时，在Ｙ和ｚ两个方向必伴随着横向收缩。因此有：占ｙ＝＝一肛，：ｉＯ＂ｘＣｚ占Ｊ，２一心２－／ａｉ式中（３．１４）（３－ｌ４）∥一一为泊松比。剪应力分量和其对应的剪应力之比称为剪切弹性模量，用Ｇ表示，即：Ｇ跟Ｅ之间的关系是：Ｇ：熹Ｇ：熹２（１＋∥）２（１＋∥）（３．１Ｖ。５）（３．１Ｖ。６）对于各向同性材料，在三维情况下，由应变求应力的弹性方程为：咿击ｃ嵩¨南勺＋南呦２而‘蔫ｑ＋南勺＋南乞）Ｏ＇ｙ＝南吃¨尚矿南¨２而‘高¨而ｓｙ＋南巳）吁唾Ｅｃ南＂面ｕ。＋尚叫ｑｎ∽～２丽丽％％。丽丽％Ｅ吃２蕊坛Ｅ黑龙江科技学院硕十学位论文由应力求应变的弹性方程为：铲去ｈ一／ｌ（盯ｙ也）｜ｑ＝！ＥｋＹ一∥（吒＋仃：）】巳２去ｂ：一∥（ｑ＋仃ｙ）ｌ１）８１．３（’矿毛１秘７户西ｆ弦１ｙ产ｉｔ珥式（３．１７）和（３．１８）表述了三维情况下应力和应变之间的关系，称为广义虎克定律。这种关系又可称为物理关系，式（３．１７）和（３．１８）可以写成矩阵形式：盯＝Ｄ６（３．１９）式中Ｄ一一为弹性矩阵。，Ｏ００００００Ｏ２Ｏ＋Ｏ∥叫。１０￡＝一Ｅ吖吖ｏ∥０ｏＯｏ叫ｏｏｏ吖吖。ｏ∥∥●０ｏＯＯｏ２００＋ＯＯ（３．２０）∥２００＋∥或ｓ＝①仃戥ｓ＝叩仃式中①＝Ｄ一１３．１．２．３应力与外力之间的平衡方程作用在物体上的外力一般可以分为两类。一种是表面力，如加在梁上的载荷，流体静压力等都是表面力，表面力一般用单位面积上的力在３个坐标轴方向上的投影ｇ，，ｇｙ，ｇ：来表示。另一种是体２１黑龙江科技学院硕十学位论文积力，如重力、离心力、惯性力等都是体积力，体积力一般用单位体积上的力在３个坐标轴方向上的投影Ｐ，，Ｐ，，Ｐ：表示。弹性体中的应力不是任意的，它必须满足静力平衡条件，即弹性体内任一点满足平衡方程，在给定表面力的边界上满足应力边界条件。在单元体处于三维应力作用的情况下，根据微元体所受合力为零的条件，可以导出直角坐标系中的三维平衡方程为：＋＋＋ｐ＝Ｏ＋＋＋ｐ＝０眠ｉ峨一砂峨ｉ‰一钞％ｉ眈ｉ眈ｉ％ｉ％一钞＋＋＋ｐ＝０在一般三维应力状态的情况下，分别取作用在单元体上的力对ｚ，Ｙ和ｘ轴的矩，根据合力矩为零的条件可得：ｒ矽嚣Ｉｌｆ弦ｆＩＩｆ曩ＩＩｆ秒（３．２２）ｆ弦这表明剪应力分量是两两相等的。在三维应力状态的一般情况下，如果已知某一点的分量盯，则作用在任意一平面上该点的应力分量可由下式表示：Ⅳ叫砂秒盯ｒｆ瓦Ｋ巩旷胁和咖肌肌胁（３．２３）盯，：呈莎式中Ｘ．Ⅳ，％，ＺⅣ分别表示作用在某一个任意平面上的沿Ｘ，Ｙ和ｚ方向的应力分量。这个平面的法线为Ⅳ，且方向余弦为，＝ｅｏｓ（Ｎ，ｘ），ｍ＝ｃｏｓ（Ｎ，少），拧＝ｅｏｓ（Ｎ，ｚ）。在整个物体内这些应力分量是变化的，因为当物体在外力作用下处于平衡状态时，物体内所有各点的应力分量都必须满足平衡微分方程式，所以在物体的外表面或边界上，这些应力一定与该处作用的外力相平衡。因此当把式黑龙江科技学院硕士学位论文（３．２４）中的“，Ｋ，ｚⅣ分别改成ｑ，，ｑｙ，ｑ：，就可将它看成是物体在平衡状态下力的边界条件，此时ｑ，，ｑｙ，ｑ：就是边界一点处单位面积上表面力的分量，而Ｚ，ｍ，ｎ则是边界法线的方向余弦，而有：ＩＩ＋ｍ＋ｍ＋ｍ＋＋＝吼吼吼ｌＩ肌胁形锄如锄＋％％％ｆ３．２４）本文的有限元分析将以这些基本理论为指导，运用有限元分析软件进行分析。有限元仿真计算不仅能够提供零部件受力分布，可以在设计阶段判断零部件的受力薄弱位置，而且可以通过修改设计避免不合理的受力分布。对于有限元仿真流程来说，除了几何模型来源于ＣＡＥ模型外，一般还需要两个方面的输入，一是材料的属性参数；二是载荷和约束条件。只要知道载荷工况和边界条件，就可以得到整个零部件内的应力和变形状况…３。３．１．３ＡＮＳＹＳ简介ＡＮＳＹＳ是美国ＡＮＳＹＳ公司的主要产品，它是集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型有限元分析软件，它已经广泛应用到各个领域，如机械制造、国防军工、电子、土木工程、航空航天、造船、铁道等工业及科学研究。该软件可在大多数计算机及操作系统中运行，ＡＮＳＹＳ文件在其所有的产品系列和工作平台上都兼容。ＡＮＳＹＳ软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块如图３．１所示。前处理是指创建实体模型以及有限元模型。它包括创建实体模型，定义单元属性，划分有限元网格，修正模型等几项内容。现在大部分有限元模型都是实体模型建模，ＡＮＳＹＳ以数学的方式表达结构的几何形状，然后再划分节点和单元，还可以在几何模型边界上方便地施加载荷，但实体模型并不参与有限元分析，所以施加在几何实体边界上的载荷或约束必须最终传递到有限元模型上进行求解，这个过程通常是ＡＮＳＹＳ程序自动完成。黑龙江科技学院硕士学位论文前处理ｌ加载求解过程‘后处理０Ｉ建模Ｉ◆ＩＩ甏嚣Ｊ上通用后处理定义模型名和分析标题１Ｌ时间历程后处理ｌ加约束和载荷０定义单元类型上分析结果０定义实常数ｊ定义材料特性ｊ模型网格化图３—１ＡＮＳＹＳ分析过程Ｆｉｇ．３－１ＡｎａｌｙｓｉｓｐｒｏｃｅｓｓｏｆＡＮＳＹＳ分析计算包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。后处理可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。３．２摇臂壳体有限元模型的建立３．２．１建立摇臂壳体的实体模型当今，工程领域常用的建模工具有Ｐｒｏ／Ｅ、ＵＧ、ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ、ＣＡＴＩＡ等软件，ＡＮＳＹＳ软件提供与各种建模软件的接口，可以方便的进行数据交流。这些软件以Ｐｒｏ／Ｅ、ＵＧ在工程中应用的最为广泛。２４黑龙江科技学院硕十学位论文利用ＡＮＳＹＳ软件建立有限元模型，有两种建模方法：一种是在ＡＮＳＹＳ下建立实体模型，另一种是采用专业的ＣＡＤ／ＣＡＭ软件建模。两种方法都有各自的优缺点，前者便于参数化建模，但建模操作复杂，尤其对结构复杂的对象。后者，建模方便快捷，但是不易于模型的参数化。ＵＧ是一个交互式的ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ系统，它提供了一个基于过程的产品设计环境，使产品开发从设计到加工真正实现数据的无缝集成，从而优化企业的产品设计与制造，ＵＧ的面向过程驱动技术是虚拟产品开发的关键技术，在面向过程技术的环境中，用户的全部产品以及精确的数据模型能够在产品开发过程的各个环节保持关联，从而有效的实现并行工程，虚拟样机的参数化设计很大程度上是由ＵＧ等这些建模软件来实现的。因此，工程领域中ＵＧ得到了广泛的应用，在美国航空业，大量使用了ＵＧ软件；在俄罗斯航空业，ＵＧ软件占有了９０％以上的市场。自２０世纪９０年代，ＵＧ开始进入中国市场，也获得了长足的发展。当然，选用ＵＧ作建模软件，不仅是它使用广泛，更重要的是ＵＧ是以ＩＧＥＳ为实体建模核心，该实体造型功能处于世界领先。与ＡＮＳＹＳ软件可以实现无缝连接，便于数据传输。相对Ｐｒｏ／Ｅ而言，ＵＧ在模型的转换、约束的添加及修改等方面更方便快捷。通过上述一定的简化，ＵＧ软件通过拉伸、旋转、扫描、混合等操作，按照采煤机截割部摇臂零件的图纸尺寸，建立采煤机截割部摇臂壳体三维实体模型，如图３．２所示。在建立模型的时候既要考虑模型要接近真实情况，同样也要考虑，模型的复杂程度，如果模型过于复杂会对计算带来很大的不便，导致仿真成本过高、难度加大，甚至失败。所以在建立模型的时候一方面满足ＡＮＳＹＳ仿真的需要，另一方面要简化模型。黑龙江科技学院硕＋学位论文图３－２ＭＧｌ４００摇臂简化模型Ｆｉｇ．３·２ＳｉｍｐｌｉｆｉｅｄｍｏｄｅｌｏｆＭＧ１４００ｒａｎｇｉｎｇａｒｍ３．２．２建立摇臂壳体的有限元模型利用三维建模软件ＵＧ建立采煤机截割部的实体模型，将该模型以ＩＧＥＳ的格式导出来，并通过有限元软件ＡＮＳＹＳ与ＵＧ之间的接口将截割部摇臂的实体模型导入ＡＮＳＹＳ。通过如下操作：ＵｔｉｌｉｔｙＭｅｎｕ＞Ｆｉｌｅ＞Ｉｍｐｏｒｔ＞ＩＧＥＳ然后可以读入ＩＧＥＳ格式的文件。ＩＧＥＳ（ＩｎｉｔｉａｌＧｒａｐｈｉｃｓＥｘｃｈａｎｇｅＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ）是一种被广泛接受的中间标准格式，用来在不同的ＣＡＤ和ＣＡＥ系统之间交换几何模型。该过滤器可以输入部分文件，所以用户可以通过它来输入模型的一部分从而减轻建模工作量。用户也可以将多个文件输入到同一个模型，不过要记住必须设定相同的输入选项。对于输入ＩＧＥＳ文件，ＡＮＳＹＳ提供如下两种选项：第一，ＳＭＯＯＴＨ选项：该选项采用标准的ＡＮＳＹＳ几何数据库，它没有自动生成体的能力，模型输入后需要一些手工的修复，而且，它不支持增强的拓扑和几何修改工具，所以用户必须使用标准的ＰＲＥＰ７几何工具来修改模型。第二，ＦＡＣＥＴＥＤ选项：该选项采用增强的数据库，它可以在用户不必干预的情况下进行ＩＧＥＳ文件转换，包括自动合并和生成体，为模型划分网络做准备。如果ＦＡＣＥＴＥＤ选项在转换ＩＧＥＳ文件时遇到问题，ＡＮＳＹＳ会提醒用户并激活一组增强的拓扑和几何工黑龙江科技学院硕士学位论文具来修复输入的模型。大多数情况下用户应该采用该选项，但对于大型复杂的几何模型，建议用户采用ＳＭＯＯＴＨ选项。在输入或创建模型之前，用户需指定输入选项，如果在已经输入或创建模型之后想要更改输入选项，可以利用ＣＬＥＡＲ命令（或者退出后重启ＡＮＳＹＳ），然后设定输入选项并重新输入或创建几何模型。选择将要输入的模型文件；选择输入指定的一部分层，然后再输入层号，或号的范围。选择几何体类型：对体选择Ｓｏｌｉｄｓ，对面选择Ｓｕｒｆａｃｅｓ，对线选择Ｗｉｒｅｆｒａｍｅ；如果进行标准的建模操作和布尔操作，则关掉ＡｌｌｏｗＤｅｆｅａｔｕｒｉｎｇ，否则，打开ＡｌｌｏｗＤｅｆｅａｔｕｒｉｎｇ使模型简化工具可用（仅提供有限的建模操作和布尔操作）。为了便于进行网格划分，在建立有限元模型时，对原实体模型进行简化，去除非关键部位的小孔、局部凸台等。实体模型并不参与有限元分析，必须进行网格划分以生成有限元分析模型，所有施加在几何实体边界上的载荷或约束最终都传递到有限元模型上进行求解。对其进行网格划分，建立节点和单元，生成有限元模型，生成节点和单元进行网格划分需要定义单元属性、定义网格生成控制和生成网格。在生成节点和单元网格之前，必须定义合适的单元属性。需要定义的属性有：定义单元类型、定义实常数、定义材料特性、定义单元坐标系。ＡＮＳＹＳ提供了２００种不同的单元类型，以适用于各种工程的分析。每个单元类型有一个特定的编号和一个标识单元类别的前缀，单元类型决定了单元的自由度数和单元位于二维空间还是三维空间。针对不同的结构模型，需要选择不同的单元类型，ＡＮＳＹＳ的单元类型有：实体单元、梁／管单元、壳／膜单元、杆／索单元、弹簧元、接触单元、表面效应单元、质量单元、超单元等。对于三维问题，最常用的是实体单元。摇臂壳体有限元模型在选取单元时，用三维的实体单元来描述摇臂结构，更能反映其实际情况。有限元中三维实体单元有六面体单元和四面体单元。六面体单元在划分时要求结构比较规则，由于黑龙江科技学院硕十学位论文摇臂壳体几何形状比较复杂，若用六面体网格自动划分就非常困难。而采用四面体单元分析三维实体，单元划分很灵活，可以较真实反映复杂的几何形状。用三维六面体八节点Ｓｏｌｉｄ４５单元进行网络划分时，将沟槽等的尖端部分化为平坦的六面体单元，从而掩盖了实际中的应力集中；而三维四面体十节点Ｓｏｌｉｄ９２单元能相对较好地划分不规则形状的网格，对较复杂问题在细小局部拟合能力较强。因此，对于较复杂的摇臂壳体模型选用的是Ｓｏｌｉｄ９２单元进行网格划分，该单元为四面体ｌ０节点三维实体线形单元。此单元由十个点定义，每个节点有三个自由度：节点ｘ、Ｙ和ｚ方向位移。并且单元有可塑性、蠕动、膨胀、应力钢化，大变形，和大张力的能力。定义材料的特性：ＡＮＳＹＳ中的所有分析都需要输入材料属性，根据应用的不同，材料特性可以是：线性或非线性，各向同性、正交异性或非弹性，不随温度变化或随温度变化。如单元类型一样，每一组材料特性有一个材料参考号。在一个分析中可能有多个材料特性，ＡＮＳＹＳ通过参考号来识别每个材料特性。采煤机对于摇臂采用的材料为ＺＧ３０Ｍｎ２，弹性模量Ｅ＝２．０６ｘ１０１１Ｎ／ｍ２，泊松比∥＝Ｏ．３。网格划分：网格划分是有限元分析中非常重要的一个环节，它将几何模型转化为由节点和单元构成的有限元模型，网格划分的好坏将直接影响有限元分析结果的计算精度和计算进度，甚至会因为网格划分不合理而导致计算不收敛。一般来说，单元划分的越细，节点越多，精度就越高，但相应的计算工作量就越大。静力分析时，如果仅仅计算结构的变形，网格数量可以少一些，若计算应力，则在精度要求相同的情况下应该取相对较多的网格。网格划分的疏密程度也随分析问题的不同而不同。对一个结构应力分析来说，网格划分可以疏密不同，对要关注的部位网格划分可以密一些，而对于其他部位网格可以划分疏一些。本文在计算时，利用ＡＮＳＹＳ划分网格功能对机体进行一次性网格自动划分，对要关注的出现应力集中的部位，采用加密划分网格，使网格划分更加合理，如图３．３所示。黑龙江科技学院硕十学位论文图３－３网格划分Ｆｉｇ．３－３Ｇｒｉｄｄｉｖｉｓｉｏｎ采煤机截割部的摇臂与牵引部连接是通过销轴连接的，是旋转副连接，所以边界约束处理为四个摇臂耳座连接孔施加ｘ、Ｙ轴约束，同时要摇臂的移动，一组铰接孔面施加２轴法向面约束，如图３－４所示。摇臂的另一端与滚筒相连接，滚筒割煤受到载荷的作用，所以对摇臂的力全来自滚筒，对摇臂施加载荷的位置在摇臂与滚筒连接的头部，为了避免加载点局部大应力和附加力偶的产生，对摇臂模型施加载荷时，载荷采用多点对称加载方式，如图３．５所示。图３．４边界约束图一一图３－５载荷加载图Ｆｉｇ．３—４ＢｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｓｔｒａｉｎｔＦｉｇ．３—５Ｌｏａｄｉｎｇｆｉｇｕｒｅ黑龙江科技学院硕士学位论文对于不同工况，为了便于分析，只改变施加载荷的方向不改变其模型轴线位置。施加载荷大小按第二章计算的结果进行加载。网格的密度将直接影响到计算的结果，所以先要对有限元网格密度进行测试，以便在满足精度的前提下尽可能降低单元和节点的数量，节省运算时间。第一次划分网格得到１２７６６３个单元，３０００７个节点，对其加载进行测试，得到应力云图如图３－６所示。图３－６初步网格测试应力云图Ｆｉｇ．３—６Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｇｒｉｄｔｅｓｔｓｔｒｅｓｓ将应力集中的部位进行网格加密，得到ｌ３０２９２个单元，３０６５２个节点，如图３．７所示。、图３．７局部加密网格图Ｆｉｇ．３—７Ｌｏｃａｌｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔｇｒｉｄｆｉｇｕｒｅ黑龙江科技学院硕十学位论文有限元网格加密后，采用同样大小的载荷进行加载，得到应力云图如图３．８所示。图３－８二次测试应力云图因两次测试最大应力差为２５．４３９ＭＰａ，一次误差为２０％。需进行再次局部网格加密，再次进行测试。应力集中部位网格再加密，得到１３８５５０个单元，３２５８６个节点如图３－９所示。图３－９二次局部加密网格图Ｆｉｇ．３—９Ｓｅｃｏｎｄａｒｙｌｏｃａｌｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔｇｒｉｄ仍采用相同的载荷进行三次测试，其受力应力云图如３．１０图所不。黑龙江科技学院硕士学位论文图３．１０三次测试应力云图Ｆｉｇ．３－１０Ｔｈｉｒｄｇｒｉｄｔｅｓｔｓｔｒｅｓｓ第二次和第三次测试最大应力差为ｌ５４．３８５．１５２．６３８＝１．７４７ＭＰａ，二者误差为１．１４％。因此，可以采用二次加密网格进行有限元计算。３．３摇臂壳体有限元分析利用有限元软件ＡＮＳＹＳ对本文建立的摇臂壳体的实体模型进行有限元分析，由分析可以得出摇臂壳体在不同的工况下的应力分布图，如图３．１ｌ，３．１２，３．１３，３．１４，所示。通过ＡＮＳＹＳ分析可知，摇臂壳体的变形趋势均为弯曲并带有较大的扭转，摇臂壳体头部产生较大的变形，变形的趋势是弯曲，摇臂根部变形最小。四种工况下的最大变形量分别为４．２４７ｍｍ，４．０２６ｍｍ，５．０５２ｍｍ，３．４７５ｍｍ。经过计算可以得到各工况的应力情况如下：工况Ｉ的最大应力为１９８．６９７ＭＰａ，工况Ⅱ的最大应力为２５８．０４７ＭＰａ，工况ＩＩＩ的应力最大，最大应力为２８３．６４４ＭＰａ，工况Ⅳ的最大应力为１４４．８１９ＭＰａ。它们的所受的应力比较大，摇臂壳体过渡联接处，摇臂头部和摇臂耳座处都是应力集中的部位，且上述部３２黑龙江科技学院硕士学位论文位均处于交变状态，所以应该适当增加摇臂的电机与传动箱过渡区域的尺寸、耳座的过渡圆角的尺寸和摇臂头部与传动箱过渡圆角的尺寸，以提高强度避免应力过大造成破坏。图３．１１摇臂工况Ｉ受力应力图Ｆｉｇ．３·１１ＳｔｒｅｓｓｏｆｒａｎｇｉｎｇａｒｍｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎＩ图３．１２摇臂工况ｌＩ受力应力图Ｆｉｇ．３－１２ＳｔｒｅｓｓｏｆｒａｎｇｉｎｇａｒｍｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎＩＩ黑龙江科技学院硕士学位论文图３．１３摇臂工况ⅡＩ受力应力图Ｆｉｇ．３—１３Ｓｔｒｅｓｓｏｆｒａｎｇｉｎｇａｒｍｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ１１Ｉ图３．１４摇臂工况Ⅳ受力应力图Ｆｉｇ．３－１４ＳｔｒｅｓｓｏｆｒａｎｇｉｎｇａｒｍｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎＩＶ在摇臂壳体相对变形量比较大的两个相邻的轴孔周围选取一系列节点，通过节点的变形量可以得到两个轴之间的相对变形，分别在三轴和四轴的前后轴孔圆周上选取一系列节点，提取这些节点的位移数据，通过对数据的整理计算得到两轴之间的相对变形量，四种工况的节点数据分别如表３．１，表３．２，表３．３，表３．４所示。黑龙江科技学院硕士学位论文表３．１工况Ｉ各节点变形量Ｔａｂ．３．１ＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｅａｃｈｎｏｄｅｉｎｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎＩ３５黑龙江科技学院硕士学位论文表３．２工况ＩＩ各节点变形量Ｔａｂ．３．２ＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｅａｃｈｎｏｄｅｉｎｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎＩＩ３６黑龙江科技学院硕士学位论文表３．３工况ⅡＩ各节点变形量Ｔａｂ．３．３ＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｅａｃｈｎｏｄｅｉｎｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎＩＩＩ３７表３．４工况Ⅳ各节点变形量Ｔａｂ．３．４ＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｅａｃｈｎｏｄｅｉｎｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｌＶ三轴：节点变形量（ｍｍ）四轴节点变形量（ｍｍ）４９５９０．３０９１４９９３０．７００２４９６００．３２４３４９９４０．７２４４４９６ｌ０．３４２６４９９５０．７５２９４９６２０．３６２９４９９６０．７８３４４９６３０．３８３４４９９７０．８１３ｌ４９６４０．４０１９４９９８０．８３８９４９６５０．４ｌ６７４９９９０．８５８３４９６７０．４０７８４９８５０．８４６０４９６８０．３９０３４９８６０．８２２０４９６９０．３７０６４９８７０．７９３４４９７００．３５０２４９８８０．７６２７４９７１Ｏ．３３１２４９８９０．７３３３４９７２０．３１５ｌ４９９００．７０７５４９７３０．３０３０４９９ｌ０．６８７４１６２５６０．３１９２１６１２９０．６５０７１６２５７０．４１２２１６１３００．８０２５１６２５８０．３２３２１６１３ｌ０．６５７５１６２５９０．３３２９１６１３２０．６７３９１６２６００．３４７４１６１３３０．６９７３１６２６ｌ０．３６４４１６１３４０．７２５８１６２６２０．３８２６１６１３５０．７５５２１６２６３０．３９８４１６１３６０．７８１２１６２６４０．４０９１１６１３７·０．７９８２１６２６５０．４０６７１６１３８０．７９３ｌ１６２６６０．３９４５１６１３９０．７７２４１６２６７０．３７８７１６１４００．７４３７１６２６８０．３６１２１６１４ｌＯ．７１４０１６２６９０．３４４７１６１４２０．６８７３１６２７００．３３０８１６１４３０．６６６４１６２７１０．３２１９１６１４４Ｏ．６５３７３８黑龙江科技学院硕十学位论文为了求得变形的平均点，采用几何平均值对得到的数据进行计算，根据数理统计中的几何平均值公式：Ｙ＝【口ｌａ２ａ３…％）＿（３．２５）可以计算出四种工况的轴孔相对变形量的平均值分别是０．４８７１ｍｍ，０．４７９６ｍｍ，Ｏ．５４２９ｍｍ，０．３８３８ｍｍ可以看出轴孔的变形量很大，这是因为分析时没有考虑摇臂壳体内部的传动部件，如轴、齿轮等，齿轮的啮合刚度以及热应力等因素的影响，因此在第四章中将考虑增加传动轴后对壳体的影响。对摇臂出现应力集中的几个部位的尺寸进行修改，对修改完尺寸的部位进行应力分析。摇臂的电机与传动箱联接处，摇臂头部与传动箱过渡连接处和摇臂耳座处是应力集中的部位，根据摇臂壳体的结构改善应力集中区域的尺寸，保证修改的尺寸合理，摇臂的电机与传动箱过渡圆角的尺寸由ｌＯｍｍ增加到１５ｍｍ；耳座的过渡圆角的尺寸由１５ｍｍ增加到２０ｍｍ；摇臂头部与传动箱过渡圆角的尺寸由３０ｍｍ增加到４０ｍｍ，尺寸经过修改后得到的分析结果如图３．１５，３．１６，３．１７，３．１８所示。通过分析的结果可知，四种工况下的最大应力分别为：１４２．５５８ＭＰａ，１９２．８３３ＭＰａ，２１９．０１８ＭＰａ，９０．０９８ＭＰａ，由结果可以知道，最大应力分别减少了２８．２５％，２５．２７％，２２．７８％，３７．７８％，说明通过改变连接处过渡圆弧的尺寸可以有效改善应力集中现象，建议在结构允许的条件下可以尽量增大过渡圆弧的尺寸。图３．１５摇臂工况Ｉ受力应力图图３．１６摇臂．Ｉｉ况ＩＩ受力应力图Ｆｉｇ．３－１５ＳｔｒｅｓｓｏｆｒａｎｇｉｎｇａｒｍＦｉｇ．３—１６ＳｔｒｅｓｓｏｆｒａｎｇｉｎｇａｒｍｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎＩｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎＩＩ３９黑龙江科技学院硕十学位论文图３．１７摇臂工况ⅡＩ受力应力图图３．１８摇臂Ｔ况Ⅳ受力应力图Ｆｉｇ．３－１７ＳｔｒｅｓｓｏｆｒａｎｇｉｎｇａｒｍＦｉｇ．３－ｌ８ＳｔｒｅｓｓｏｆｒａｎｇｉｎｇａｒｍｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎＩＩＩｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎⅣ３．４摇臂的模态分析模态分析用来在一个结构或者一个构件的设计时确定它的白振频率和振型，它是一种描述系统动力学特性所需参数进行研究和估计的技术。．ＡＮＳＹＳ的模态分析是一个线性分析，因此模态分析中，任何非线性特性，即使定义了也会被忽略。ＡＮＳＹＳ提供了７种模态分析方法，它们分别是子空间法、分块Ｌａｎｃｚｏｓ方法、ＰｏｗｅｒＤｙｎａｍｉｃｓ方法、缩减法、非对称法、阻尼法和ＱＲ阻尼法。可以对有预应力的结构进行分析和对循环对称结构进行模态分析。下面利用ＡＮＳＹＳ软件，对采煤机摇臂进行模态分析，提取了前５阶模态的振型，如图３．１９，３．２０，３－２ｌ，３．２２所示。对摇臂壳体模型进行划分网格之前要对参数进行设置单元类型选择Ｓｏｌｉｄ４５单元，材料属性：弹性模量Ｅ＝２．０６ｘ１０１１Ｎ／ｍｚ，泊松比／ｚ＝Ｏ．３。密度Ｐ＝７８００ｋｇ／ｍ３，划分网格得到１４２８４９个节点，６８６８１０个单元。表３．５摇臂模态分析的频率Ｔａｂ．３．５Ｔｈｅｍｏｄａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｒａｎｇｉｎｇａｒｍ黑龙江科技学院硕十学位论文图３．１９第一阶模态Ｆｉｇ．３－１９Ｔｈｅ１ｓｔｍｏｄａｌｓｈａｐｅｏｆｒａｎｇｉｎｇａｒｍ图３．２１第三阶模态Ｆｉｇ．３—２１Ｔｈｅ３ｒｄｍｏｄａｌｓｈａｐｅｏｆｒａｎｇｉｎｇａｒｍ图３．２３第五阶模态Ｆｉｇ．３—２３Ｔｈｅ５ｔｈｍｏｄａｌｓｈａｐｅｏｆｒａｎｇｉｎｇａｒｍ图３．２０第二阶模态Ｆｉｇ．３－２０Ｔｈｅ２ｅｄｍｏｄａｌｓｈａｐｅｏｆｒａｎｇｉｎｇａｒｍ图３．２２第四阶模态Ｆｉｇ．３－２２Ｔｈｅ４ｔｈｍｏｄａｌｓｈａｐｅｏｆｒａｎｇｉｎｇａｒｍ４１黑龙江科技学院硕士学位论文由ＡＮＳＹＳ对采煤机摇臂的模态分析可知，从振型图上看出，第一阶振型是摇臂在一个与ＸＯＹ平面成一定夹角的平面内振动。该阶振型的应力主要集中在摇臂的头部和耳座。第二阶振型为摇臂在一个与ＸＯＺ平面成一定夹角的平面内振动。该阶振型的应力主要集中在摇臂的头部。第三阶振型为摇臂沿ｘ方向的扭转振动，应力主要集中在电动机尾部。该振型会引起摇臂传动箱沿Ｘ方向发生扭转变形，将降低传动系统的稳定性。第四阶振型为摇臂在一个与ＸＯＹ平面成一定夹角的二阶振动，应力最大点集中在摇臂的头部，危险区域在摇臂传动箱。第五阶振型为摇臂在一个与ＸＯＺ平面成一定夹角的二阶振动，应力最大点集中在摇臂传动箱与电动机过渡处，危险区域在摇臂传动箱的中间部位。由于静力分析观察模型的变形的不是很理想，而采取模态分析可以明显看出模型的变形，在第四阶和第五阶振型中可以看出三轴和四轴的轴线有较大的相对变形产生。３．５本章小结本章介绍了有限元法及有限元分析软件ＡＮＳＹＳ，详细叙述了采煤机截割部摇臂壳体有限元模型的建立，并对其进行了有限元分析，得到了以下结论：１．通过有限元分析得到了四种工况下的应力云图，获得了最大应力和最大变形，变形的幅度较大。通过分析可知采煤机在斜切状态下应力最大，变形方向为沿ｘ轴方向产生扭转变形，所以在实际工作中，当采煤机处于斜切状态时要适当降低牵引速度，避免产生过大应力。２．通过修改应力集中区域的相关尺寸进行有限元分析，可以使其应力显著减小，建议在结构允许的条件下，尽量增大过渡区域的尺寸。４２黑龙江科技学院硕十学位论文３．通过分析可知靠近摇臂头部的相邻轴孔间的相对变形量较大，对齿轮传动有较大的影响。然而实际工作中摇臂壳体内部有轴、轴承、齿轮等零部件以及热应力都会对摇臂的刚度有一定的影响，所以结果与实际情况难免有误差。４．通过模态分析的振型图可以看出三轴和四轴的轴线有较大的相对变形产生。４３黑龙江科技学院硕七学位论文第４章装配三轴四轴摇臂的有限元分析在第三章里只针对摇臂的壳体进行了有限元分析，但在实际工作中不仅仅只有壳体，采煤机截割部摇臂壳体内部装配有各种零部件，主要有轴承、轴、齿轮等，这些零部件的存在会影响到摇臂壳体的变形和应力状态。因此为了能更真实的反映实际情况，要将采煤机截割部摇臂壳体中的主要零部件加进去进行有限元分析，这样才能得到跟真实情况更相近的结果。本章主要考虑了加入三轴和四轴的情况，在相对变形量较大的两个相邻轴孔处加入了传动轴，通过对轴与摇臂壳体上轴孔的接触分析，来分析加入传动轴之后对孔变形的影响。４．１ＡＮＳＹＳ接触分析介绍ＡＮＳＹＳ不仅可以进行线性分析，还可以进行各类非线性分析，面面接触单元可以解决包括摩擦和移动的接触问题。下面着重对ＡＮＳＹＳ面面接触的有限元分析进行介绍¨２Ｊ引。４．１．１ＡＮＳＹＳ的接触能力ＡＮＳＹＳ支持三种接触方式：点一点，点一面，面一面，每种接触方式使用的接触单元适用于某类问题。为了给接触问题建模，首先必须认识到模型中的哪些部分可能会相互接触，如果相互作用的其中之一是一点，模型的对应组元是一个结点。如果相互作用的其中之一是一个面，模型的对应组元是单元，例如梁单元，壳单元或实体单元，有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的接触对，接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元，至于ＡＮＳＹＳ使用的接触单元和使用它们的过程，下面分类详述。黑龙江科技学院硕士学位论文４．１．２ＡＮＳＹＳ接触单元ｌ点一点接触单元点一点接触单元主要用于模拟点一点的接触行为，为了使用点一点的接触单元，你需要预先知道接触位置，这类接触问题只能适用于接触面之间有较小相对滑动的情况。如果两个面上的结点一一对应，相对滑动又可以忽略不计，两个面挠度保持小量，那么可以用点一点的接触单元来求解面一面的接触问题，过盈装配问题是一个用点一点的接触单元来模拟面一面的接触问题的典型例子。２点一面接触单元点一面接触单元主要用于给点一面的接触行为建模，例如两根梁的相互接触。如果通过一组结点来定义接触面，生成多个单元，那么可以通过点一面的接触单元来模拟面一面的接触问题，面即可以是刚性体也可以是柔性体，这类接触问题的一个典型例子是插头到插座罩。使用这类接触单元，不需要预先知道确切的接触位置，接触面之间也不需要保持一致的网格，并且允许有大的变形和大的相对滑动。３面一面的接触单元ＡＮＳＹＳ支持刚体一柔体的面一面的接触单元，刚性面被当作“目标＂面，分别用ＴＡＲＧＥｌ６９和ＴＡＲＧＥｌ７０来模拟２Ｄ和３Ｄ的“目标”面，柔性体的表面被当作“接触＂面，用ＣＯＮＴＡｌ７１，ＣＯＮＴＡｌ７２，ＣＯＮＴＡｌ７３，ＣＯＮＴＡｌ７４来模拟。一个目标单元和一个接触单元叫做一个“接触对＂。程序通过一个共享的实常数号来识别“接触对”，为了建立一个“接触对’’，需要给目标单元和接触单元指定相同的实常数号。使用这些单元，通常用简单的几何形状例如圆、抛物线、球、圆锥、圆柱模拟直线（面）和曲线（面）。更复杂的刚体形状可使４５黑龙江科技学院硕士学位论文用特殊的前处理技巧来建模。４．１．３ＡＮＳＹＳ面面接触分析方法在涉及到两个边界的接触问题中，要把一个边界作为“目标”面而把另一个作为“接触＂面，对刚体一柔体的接触，“目标”面总是刚性的，“接触”面总是柔性面，这两个面合起来叫做“接触对＂。使用ＴＡＲＧＥｌ６９和ＣＯＮＴＡｌ７１或ＣＯＮＴＡｌ７２来定义２Ｄ接触对，使用ＴＡＲＧＥｌ７０和ＣＯＮＴＡｌ７３或ＣＯＮＴＡｌ７４来定义３Ｄ接触对，程序通过相同的实常数来识别“接触对”。执行一个典型的面一面接触分析的基本步骤如下：一一建立模型，并划分网格；一一识别接触对，定义刚性目标面；一一定义柔性接触面；一一设置单元关键字和实常数；一一定义／控制刚性目标面的运动；一一给定必须的边界条件；一一定义求解选项和载荷步；一一求解接触问题；一一查看结果。４．２摇臂壳体增加传动轴后的有限元分析４．２．１有限元模型的建立有限元分析的目的是要还原一个实际工程系统的数学行为特征，换句话说分析必须是针对一个物理原型准确的数学模型。广义上讲，模型包括所有的节点、单元、材料属性、实常数、边界条件，以及其它表现这个物理系统的特征。实体模型是第三章中用过的壳体实体模型，在相对变形量较大的轴孔处添加了两个传动轴。将实体模型导入到ＡＮＳＹＳ中，建立实体模型的最终目的是要划分网格来黑龙江科技学院硕十学位论文生成节点和单元，生成节点和单元的网格划分过程包括三个步骤，即定义单元属性、定义网格生成控制、生成网格。１建立模型，并划分网格实体模型的单元仍然选择Ｓｏｌｉｄ９２空间体单元，弹性模量Ｅ＝２．０６ｘ１０１１Ｎ／ｍ２，泊松比∥＝０．３。构造完实体模型，定义了单元属性和网格划分控制之后，即可生成有限元网格，网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。在决定网格数量时应考虑分析数据的类型，在静力分析时，如果仅仅是计算结构的变形，则网格数量可以少一些。如果需要计算应力，则在精度要求相同的情况下取相对较多的网格，网格划分如图４．１所示。图４．１网格划分Ｆｉｇ．４－１Ｇｒｉｄｄｉｖｉｓｉｏｎ２识别接触对识别接触对时一定要认识到，模型在变形期间哪些地方可能发生接触，一是已经识别出潜在的接触面，通过目标单元和接触单元来定义它们，或通过目标和接触单元来跟踪变形阶段的运动。构成一个接触对的目标单元和接触单元通过共享的实常数联系起来。４７黑龙江科技学院硕十学位论文接触区域可以任意定义，然而为了更有效的进行计算可以定义更小的局部化的接触环，但要保证它足以描述所需要的接触行为。不同的接触对必须通过不同的实常数来定义。由于几何模型和潜在变形的多样性，有时候一个接触面的同一区域可能和多个目标面产生接触关系。在这种情况下，应该定义多个接触对（使用多层覆盖接触单元）。每个接触对有不同的实常数号。确定接触面和目标面，原则是：如果凸面与平面或凹面接触，平面或凹面应该是接触面；如果一个表面网格粗糙，另一个表面网格较细，那么网格粗糙的表面应该是目标面；如果一个表面比另一个表面刚度大，那么刚度大的表面应该是目标面；如果一个表面划分为高次单元，而另一个表面划分为低次单元，那么划分为低次单元的表面应该是目标面；如果一个表面比另一个表面大，那么较大的表面应该是目标面。根据以上原则，对摇臂壳体轴孔和传动轴进行接触分析，选择接触对中的目标面和接触面，定义孔的圆柱面为目标面，轴的圆柱面为接触面。３定义刚性目标面刚性目标面可能是２Ｄ的或３Ｄ的。在２Ｄ情况下，刚性目标面的形状可以通过一系列直线、圆弧和抛物线来描述，所有这些都可以用ＴＡＲＧＥｌ６９来表示。另外，可以使用它们的任意组合来描述复杂的目标面。在３Ｄ情况下，目标面的形状可以通过三角面，圆柱面，圆锥面和球面来描述，所有这些都可以用ＴＡＲＧＥＬｌ７０来表示，对于一个复杂的，任意形状的目标面，应该使用三角面来给它建模。摇臂壳体是实体有限元分析，所以目标面的单元采用ＴＡＲＧＥｌ７０。在ＡＮＳＹＳ中使用接触向导，来选择目标面，它会自动定义目标面单元为黑龙江科技学院硕士学位论文’ｌ。ＡＲＧＥｌ７０。命令为：Ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ＞Ｍｏｄｅｌｉｎｇ＞Ｃｒｅａｔｅ＞ＣｏｎｔａｃｔＰａｉｒ＞ＣｏｎｔａｃｔＷｉｚａｒｄ第一步：由于是面面接触分析，目标面为面，选“Ａｒｅａｓ’’项。第二步：先选目标面。在摇臂壳体的孔上选择孔与轴接触的圆柱面作为目标面。４定义柔性体接触面为了定义柔性体的接触面，必须使用接触单元ＣＯＮＴＡｌ７１或ＣＯＮＴＡｌ７２（对２Ｄ）或ＣＯＮＴＡｌ７３或ＣＣＯＮＴＡｌ７４（对３Ｄ）来定义表面。程序通过组成变形体表面的接触单元来定义接触表面，接融单元与下面覆盖的变形体单元有同样的几何特性，接触单元与下面覆盖的变形体单元必须处于同一阶次。下面的变形体单元可能是实体单元、壳单元、粱单元或超单元，接触面可能是壳、粱单元的任何一种。与目标单元一样，使用接触向导选择接触面，会自动生成接触单元ＣＯＮＴＡｌ７４。第一步：选择接触表面为面，选“Ａｒｅａ’’。第二步：选择接触面，在轴的实体上选择轴与孔接触的圆柱面作为接触面。５设置实常数和单元关键字第一步：自动生成接触对的号。第二步：输入摩擦系数。第三步：定义各种实常数。每个接触对的接触面和目标面必须有相同的实常数号。ＡＮＳＹＳ程序使用九个实常数来控制面一面接触单元的接触行为。９个实常数中，两个（Ｒ１和Ｒ２）用来定义目标面单元的几何形状，剩下的７个用来控制接触行为。Ｒ１和Ｒ２定义目标单元几何形状；４９黑龙江科技学院硕士学位论文ＦＫＮ定义法向接触刚度因子；ＦＴＯＬＮ定义最大的渗透范围；ＩＣＯＮＴ定义初始靠近因子；ＰＩＮＢ定义“Ｐｉｎｂａｌｌ”区域；ＰＭＩＮ和ＰＭＡＸ定义初始渗透容许范围；ＴＡＵＭＡＲ指定最大的接触摩擦。对实常数ＦＫＮ，ＦＴＯＬＮ，ＩＣＯＮＴ，ＰＩＮＢ，ＰＭＡＸ，和ＰＭＩＮ，既可以定义一个正值也可以定义一个负值，程序将正值作为比例因子，将负值作为真实值，程序将下面覆盖原单元的厚度作为１ＣＯＮ，ＦＴＯＬＮ，ＰＩＮＢ，ＰＭＡＸ和ＰＭＩＮ的参考值，例如对ＩＣＯＮ，０．２表明初始间隙因子是０．２乘以其下覆盖层单元的厚度。然而，．０．２表示真实缝隙是０．２，如果下面覆盖层单元是超单元，则将接触单元的最小长度作为厚度。本文将摇臂壳体与轴采用过赢配合，这样能提高齿轮的传动质量。６给定必须的边界条件接触对建立好之后，要对其进行有限元计算，对模型施加载荷和约束，边界约束处理仍然为四个摇臂耳座连接孔施加Ｘ、Ｙ轴约束，一组铰接孔面施加ｚ轴法向面约束，对摇臂施加载荷的位置在摇臂与滚筒连接的头部，对摇臂模型施加载荷仍然采用多点对称加载方式。４．２．２计算结果处理及分析在施加完约束载荷后，对模型进行求解计算。由第三章可知工况ＩＩＩ的相对变形比较大，所以这里只对工况ＩⅡ进行了分析，分析时使轴与孔之间是过盈配合，过盈量为Ｏ．０３６ｍｍ，通过仿真得到摇臂的应力云图，如图４．２所示。黑龙江科技学院硕十学位论文图４—２工况Ⅲ应力云图Ｆｉｇ．４－２ＳｔｒｅｓｓｏｆｒａｎｇｉｎｇｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎⅡＩ由图可知，在摇臂壳体上的孔与轴接触的部位有应力产生，说明摇臂壳体对轴有力在传递，轴在壳体的挤压下发生了变形，在摇臂壳体轴孔周围选取一系列节点，通过节点的变形量可以得到两个轴之间的相对变形，分别在三轴和四轴的轴孔圆周上选取一系列节点，提取这些节点的位移数据，通过数据计算得到两轴之间的相对变形量如表４．１所示，这个结果比第三章中没有增加传动轴时摇臂壳体分析得到的两个轴孔之间的相对变形量更加符合真实情况。表４．１工况ⅡＩ各节点变形量Ｔａｂ．４．１ＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｅａｃｈｎｏｄｅｉｎｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎＩＩＩ通过对采煤机截割部摇臂前后两次分析的结果比较，可以看出对壳体增加了传动轴之后轴孔处各节点位移量变小，增加了传动轴之后对摇臂壳体的局部刚性有所提高，但在轴孔处仍然有变形的存在，根据公式（３．２５）可以计算出工况ＩＩＩ中三轴和四轴轴孔相对变形量的平均值分别为０．１７７９ｍｍ，０．２１９７ｍｍ，本文研究的采煤机摇臂的传动齿轮的中心距为３７５ｍｍ，根据机械手册查得在不影响齿轮精度的前提下，齿轮应采用较大的侧隙，齿轮的原侧隙值为０．２３ｍｍ，考虑装配误差，齿轮啮合刚度以及热应力等因素，所以建议采用侧隙值为Ｏ．３６ｍｍ。由于摇臂壳体受载变形，齿轮传动系统在载荷的作用下将会产生弹性变形，包括轮齿的弯曲变形、剪切变形和接触变形，还有支撑轴的弯曲变形和扭转变形。这些变形将会导致轮齿沿一端接触，造成载荷分布不均匀，出现偏载现象，情况严重时造成载荷局部集５２黑龙江科技学院硕士学位论文中，引起高负荷区的齿面破坏或轮齿折断。这种现象出现后，可以通过齿轮修形的方法，对齿轮进行修形，从而提高齿轮的承载能力和使用寿命。齿轮修形主要包括齿廓修形和齿向修形，齿廓修形是沿齿高方向从齿面上去除一部分材料，从而改变齿廓形状，消除齿对在啮入、啮出位置的几何干涉，可以减少齿轮的振动和噪声，齿向修形就是根据轮齿受力后产生的变形，将轴向齿形按预定规律进行修正，以获得较为均匀的齿向载荷分布。齿形修整量主要由齿轮受载产生的弹性变形决定。根据对摇臂壳体有限元分析的结果中得到轴孔的变形量，来确定齿轮的修形量。通过齿轮修形，可以改善齿面润滑状态，防止胶合，同时可以减少动载荷，使齿轮的承载能力提高，延长使用寿命，使振动和噪声大大减小。但是应当指出，修形不当会适得其反。若修形量过大，使重合度减小，使沿齿高的接触高度减小，又会引起动载荷冲击和振动的增加。轮齿可沿齿宽方向进行鼓形修缘，鼓形修形可以补偿齿轮制造误差和齿轮在载荷作用下的各种弹性变形量。根据表中的数据计算可知三轴和四轴轴孔相对变形量的平均值分别为Ｏ．１７７９ｍｍ，０．２１９７ｍｍ，得到三轴与四轴相对变形量为两值的差值０．０４ｌ８ｍｍ。由于摇臂壳体内有轴、轴承、齿轮等零部件，轴与轴承之间存在一定的间隙，齿轮之间存在着啮合刚度，综合考虑以上因素建议在采煤机摇臂三轴和四轴的齿面修形量为０．０３～０．０４ｍｍ。４．３本章小结本章在考虑了加入三轴和四轴的情况下，通过接触对将轴与壳体耦合，对整个模型进行有限元分析，通过计算得到相对变形量较大的两个相邻轴孔的变形量，并计算得到其相对变形量，根据机械手册查得建议齿轮采用较大侧隙，即侧隙值为０．３６ｒａｍ，通过分析提出建议齿面修形量为０．０３～０．０４ｍｍ，从而对齿轮修形提供参考。５３黑龙江科技学院硕十学位论文第５章结论与展望本文结合三维建模ＵＧ软件和有限元分析ＡＮＳＹＳ软件建立了采煤机截割部摇臂壳体的实体模型和有限元模型，通过对采煤机工作原理和工况的分析研究，对采煤机截割部摇臂进行了有限元仿真，通过分析比较得出如下结论：１．使用ＡＮＳＹＳ软件对采煤机截割部摇臂有限元模型进行有限元分析，得到了摇臂壳体的最大应力和最大应变部位，最大应力产生的区域在电动机与传动箱体过渡连接区域，摇臂头部与传动箱体连接区域以及摇臂耳座。通过修改局部过渡尺寸，可以有效的降低局部应力，建议在结构允许的条件下可以尽量增大过渡圆弧的尺寸。２．通过模态分析，可知摇臂壳体传动箱体的变形相对较大，第四阶和第五阶振型中可以看出三轴和四轴的轴线有较大的相对变形产生，对传动系统有很大影响。３．在采煤机截割部摇臂壳体增加两个传动轴三轴和四轴，进行有限元分析，提取了ＡＮＳＹＳ分析结果得到的轴孔处节点的位移，与空壳体的分析进行比较，增加传动轴之后的刚度得到了提高，更加符合真实情况。但存在的相对变形仍然对传动系统会产生影响，可以通过齿轮修形的方法对其改善，以便提高传动件的使用寿命，经分析计算建议齿轮侧隙值为０．３６ｍｍ左右、齿面修形量为Ｏ．０３－０．０４ｍｍ。由于各种原因，本文对采煤机截割部摇臂有限元仿真研究还有待进一步深入研究，有限元分析技术在采煤机中的应用研究还需要不断的完善。为了后续的研究工作，对今后工作做一下展望。１．采煤机截割部摇臂有限元分析与其内部关键零部件有密切的关系，本论文研究时只考虑在摇臂壳体内部增加传动轴，而实际工作中还有许多其它的零部件，比如轴承，齿轮等，以及热应力等因素的影响，所以结论与实际难免有误差。建议进一步构建采煤机截割部摇臂整体模型，模型中包括截割部的传动系统，并考虑热应力的影响，从而使对采煤机截割部的分析更接近实际。２．本文只做了采煤机截割部摇臂的静力分析，而实际工作中，采黑龙江科技学院硕士学位论文煤机承受的是交变载荷，可以在加入了关键的零部件之后进一步对其进行动力学分析。黑龙江科技学院硕士学位论文参考文献［１］何敬德．我国煤矿采、掘、运装备的研制现状和发展对策［Ｊ］．煤炭科学技术，２００７，３５（２）：卜７［２］谢贵君．电牵引采煤机的现状与发展趋势［Ｊ］．煤矿机械，２００９，３０（２）：卜３［３］赵丽娟，屈岳雷，谢波．薄煤层采煤机摇臂壳体的瞬态动力学分析［Ｊ］．现代制造技术与装备，２００８（６）：５８—６０［４］宋可总，栾莹，陆萍．应用ＡＮＳＹＳ软件对机械结构件进行计算机辅助分析［Ｊ］．计算机应用，２００６（８）：８９－９１［５］ＤａｖｉｄＡＧｒｅｅｎｂｅｒｇ，ＪｅｎｎｉｆｅｒＡＳｈｏｒｅ，ＦｒｅｄＨＰａｇｅ，ＭｉｃｈａｅｌＤｏｗｄ．ＡＦｉｎｉｔｅＥ１ｅｍｅｎｔＣｉｒｃｕｌａｔｉｏｎＭｏｄｅｌｆｏｒＥｍｂａｙｍｅｎｔｓＷｉｔｈＤｒｙｉｎｇＩｎｔｅｒｔｉｄａｌＡｒｅａｓａｎｄＩｔＳＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｔｈｅＱｕｏｄｄｙＲｅｇｉｏｎｏｆｔｈｅＢａｙｏｆＦｕｎｄｙ［Ｊ］．ＯｃｅａｎＭｏｄｅｌｌｉｎｇ，２００５（１０）：２１１—２３１［６］ＲＨＷａｎｇ，ＱＳＬｉ，ＪＲＷｕ，ＪＴａｎｇ．ＡＳｐａｔｉａｌＥｌａｓｔｉＣＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔＭｏｄｅｌｆｏｒＣｕｒｖｅｄＢｏｘＧｉｒｄｅｒｓｗｉｔｈＣｏｒｎｅｒＳｔｉｆｆｅｎｅｒｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｕｔｅｒｓａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００５（８３）：１０２卜１０２９［７］赵丽娟，刘宏梅．基于ＡＮＳＹＳ的矿用减速器箱体的优化设计［Ｊ］．机械传动，２００７，３１（４）：４９—５１［８］周志雄，黄向明，毛聪等．基于三维有限元的矿用变压器箱体应力变形分析［Ｊ］．机械制造，２００５，４３（４８９）：２０—２１［９］杨生华．齿轮接触有限元分析［Ｊ］．计算力学学报，２００３，２０（１）：１８９—１９４［１０］蓝宇，张连杰．大型有限元分析软件ＡＮＳＹＳ［Ｊ］．应用科技，２０００，２７（６）：１ｌ一１５［１１］高兴军，赵恒华．大型通用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ简介［Ｊ］．辽宁石油化工大学学报，２００４，２４（３）：９４—９８［１２］ＹＶＳａｔｉｓｈＫｕｍａｒ，ＭＭｕｋｈｏｐａｄｈｙａｙ．ＦｉｎｉｔｅＥ１ｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉＳｏｆＳｈｉｐＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓＵｓｉｎｇａＮｅｗＳｔｉｆｆｅｎｅｄＰｌａｔｅＥｌｅｍｅｎｔ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＯｃｅａｎＲｅｓｅａｒｃｈ，２０００（２２）：３６卜３７４［１３］ＳＨＺｈａｎｇ，ＫＢＮｉｅｌｓｅｎ，ＪＤａｎｃｋｅｒｔ，ｅｔａ１．ＦｉｎｉｔｅＥ１ｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉＳｏｆｔｈｅＨｙｄｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＤｅｅｐ—ｄｒａｗｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓｏｆＴａｐｅｒｅｄ黑龙江科技学院硕士学位论文ＲｅｃｔａｎｇｕｌａｒＢｏｘｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０００（１０２）：ｌ一８［１４］ＧｅｏｒｇｅＶｉｎａｓ，ＴａｍｂａＤａｕｄａ，ＮｉｃｏｌａＭｏｙｅｓ．ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉＳｏｆＲｅｓｉｄｕａｌＳｔｒｅｓｓｅｓＩｎａＬｅｔｔｅｒ－ｂｏｘＥｘｃａｖａｔｉｏｎＲｅｐａｉｒＷｅｌｄｆｏｒＣｈａｐｅｌｃｒｏｓｓＰｏｗｅｒＳｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｒｅｓｓｕｒｅＶｅｓｓｅｌＳａｎｄＰｉｐｉｎｇ，２００５（８２）：２７０—２７８［１５］郑建新，赵六奇．ＳＯＭＡ驱动桥桥壳有限元分析及强度校核方法［Ｊ］．：ｊ＝程机械，１９９５（１０）：１７—１８［１６］李玉河，梁醒培，李杰等．汽车后桥壳弹塑性有限元分析［Ｊ］．机械设计与制造，２００４（３）：６０—６１［１７］郑燕萍，羊玢．汽车驱动桥壳台架试验的有限元模拟［Ｊ］．南京林业大学学报（自然科学版），２００４（４）：４７－５０［１８］梁尚明，张均富，徐礼钜等．摆动活齿减速器箱体的有限元模态分析［Ｊ］．机械设计，２００３，２０（１）：２６—２８［１９］胡纪滨，王杰，周毅．液压机械变速器箱体有限元分析与改进［Ｊ］．机械设计，２００６，２３（１１）：４６—４８［２０］余成龙，董益亮．杂交系统动力学分析的有限元法一一汽车后桥有限元建模与分析［Ｊ］．中国机械工程，２００３（１４）：１７９３—１７９６［２１］吴忠仁，李宝东．ＭＧ３２０－Ｗ采煤机截割部摇臂壳体系统有限元分析［Ｊ］．煤矿机电，１９９１（２）：１６—２０［２２］纪玉祥．基于虚拟样机技术的采煤机动力学仿真［Ｄ］．太原：太原理工大学，２００６［２３］罗延忠．采煤机摇臂壳体的有限元分析［Ｊ］．桂航学术研究，１９９８，３３（４）：３６－４０［２４］李萍，李晓豁，刘春生．采煤机的动力学模型及其仿真研究［Ｊ］．矿山机械，２００４（６）：１１—１３［２５］吴彦．国产大功率采煤机摇臂ＣＡＥ分析［Ｊ］．煤矿机电，２００３（５）：１０５—１０８［２６］向虎，廉自生．虚拟样机技术在采煤机滚筒调高系统中的应用［Ｊ］．煤矿机械，２００４（５）：１０４—１０５［２７］毛君，毕长飞．基于Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ采煤机的三维动态仿真与优化设计５７黑龙江科技学院硕士学位论文［Ｊ］．煤矿机械，２００６，２７（６）：９９４—９９６［２８］毕长飞．采煤机截割部齿轮传动系统的动态特性的研究［Ｄ］．阜新：辽宁工程技术大学，２００６［２９］廉自生，刘楷安．采煤机摇臂虚拟样机及其动力学分析［Ｊ］．煤炭学报，２００５，３０（６）：８０卜８０４，［３０］李晓豁，刘春生，李萍．滚筒式采煤机的动力学模型［Ｊ］．黑龙江科技学院学报，２０００，１０（２）：卜４簟－气［３１］李晓豁，赵岐刚．连续采煤机截割部的运动及力学分析［Ｊ］．黑龙江科技学院学报，２００５，１５（５）：２８２－２８４［３２］陶驰东．采掘机械［Ｍ］．北京：煤炭工业出版社，１９９３［３３］［３４］［３５］［３６］，［３７］［３８］黑龙江科技学院硕十学位论文［３９］黄国权．有限元法基础及ＡＮＳＹＳ应用［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００４［４０］周宁．ＡＮＳＹＳ机械工程应用实例［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００６［４１］ＷａｎｇＺｅｎｇｃａｉ，ＺｈａｏＹｏｎｇｒｕｉ，ＹａｎｇＨａｉｙａｎ．ＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｈｅＲｅｍｎａｎｔＲｏｏｆＣｏａｌＴｈｉｃｋｎｅｓｓ５０ｂｙＡｕｔｏｍａｔｉｃＶｅｒｔｉｃａｌＳｔｅｅｒｉｎｇｏｆＳｈｅａｒｅｒＤｒｕｍ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，ｏｆｔｈｅＳｅｃｏｎｄＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００２（１）：６７—９２～■［４２］段进，倪栋，王国业．ＡＮＳＹＳＩＯ．０结构分析从入门到精通［Ｍ］．北京：兵器ｉＥ业出版社，２００６［４３］ＲｏｂｅｒｔＧＰａｒｋｅｒ，ＶｉｎａｙａｋＡｇａｓｈｅ．ＤｙｎａｍｉｃＲｅｓｐｏｎｓｅｏｆａａＰｌａｎｅｔａｒｙＧｅａｒＳｙｓｔｅｍＵｓｉｎｇＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔ／ＣｏｎｔａｃｔＭｅｃｈａｎｉｃｓＭｏｄｅｌ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＤｅｓｉｇｎ。２０００（１２２）：３０４—３１０［４４］ＬｉｕＹｕｃｈｅｎｇ．ＯｐｔｉｍｕｍＤｅｓｉｇｎｏｆＳｔｒａｉｇｈｔＴｈｉｎ—ｗａｌｌｅｄＢｏｘＳｅｃｔｉｏｎｆｏｒＣｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓＢｅａｍｓＡｎａｌｙｓｉＳ［Ｊ］．ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔｓｉｎＡｎａｌｙｓｉＳａｎｄＤｅｓｉｇｎ，２００８（４４）：１３９—１４７５９黑龙江科技学院硕十学位论文作者简介个人简历：安兴伟，男，１９８３年２月１５日生。２００６年７月毕业于黑龙江科技学院机械设计制造及其自动化专业，获得学士学位。２００６年９月考入黑龙江科技学院攻读硕士学位。科研活动：研究生期间参加了黑龙江省自然科学基金项目（项目编号Ｅ２００８２５）：基于ＴＲＩＺ理论的矿山机械方案设计应用研究。攻读硕士学位期间发表论文：吴卫东，安兴伟．基于ＡＮＳＹＳ的采煤机摇臂有限元分析［Ｊ］．煤矿机械，２００９，３０（３）：７７—７９、黑龙江科技学院硕士学位论文致谢本文的全部工作是在导师吴卫东教授的深切关怀和指导下完成的。在读研期间导师的教诲是我宝贵的精神财富，在做人上，对我更是有潜移默化的影响；在生活上，导师给予了无微不至的关怀。吴老师谦虚正直的品格、渊博的知识、严谨务实的作风以及对事业执着追求的精神将使我受益终生。在课题的研究过程中，对我严格要求、言传身教，我将终生难忘。在此谨向吴老师表示崇高的敬意和诚挚的感谢！衷心感谢我的父母为我的求学之路付出的汗水和辛劳！感谢他们多年来在生活上和学习上给予我的支持、关怀和鼓励。他们的鼓励和支持将永远是我前进的动力！最后向所有在本文的完成中给予我关心、爱护和支持的老师、亲人、同学和朋友致以衷心的感谢１６１基于ANSYS的采煤机截割部摇臂结构有限元分析
作者：
学位授予单位：
安兴伟
黑龙江科技学院
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