许盛辉

(厦门恒立兴机械有限公司，福建 厦门 361026)

元结构理论在快速连接器上的分析及应用

许盛辉

(厦门恒立兴机械有限公司，福建 厦门 361026)

利用元结构理论对快速连接器进行了有限元分析计算，并利用快速连接器的CAE分析，验证了采用Solid Works建立三维数学模型，再导入ANSYS Workbench模块进行机械构件的有限元分析计算方法和步骤的正确性，为相关工程技术人员提供了一种分析方法。

Solid Works； ANSYS Workbench； 快速连接器； 静力学分析

挖掘机配备的快换连接器又称快速接头，安装在挖掘机工作装置前端[1]。可以实现不用人工拆卸销轴就能迅速完成各种挖掘机属具如挖斗、松土器、破碎锤、液压剪、抓木器、抓石器等的更换，使挖掘机扩展破碎、剪切、清除、压实、铣刨、推运、夹送、抓取、铲刮、疏松、吊装等多种作业[2]。整个属具更换过程操作简便、安全可靠，大大提高了挖掘机的工作效率。

由于快速连接器承担了挖掘机属具快换的功能，使用频率高容易造成疲劳破坏，故对快速连接器的静力分析，受力形变显得尤为重要[3]。

1 元结构理论

元结构理论，就是以单元晶体的结构性能预测整体机械结构性能的方法。国内外许多学者利用元结构理论对机械结构做设计分析，不仅节省设计建模的工作量，而且提高分析效率，是一种由局部结构特性推导整体结构特性的有效方法。

徐燕申[1]等发现筋格的动态性能对机床床身的动态性能有较大影响，但未充分利用筋格元结构的动态特性分析结果对床身结构进行参数优化，在一定程度上依然未能达到快速优化设计的要求。有限单元法是元结构理论应用的具体方法，BUTLER[2]等使用有限元软件分析了元结构尺寸和振动的关系，以此为基础，提出整体设计的方案，并用有限元软件做了验证。

设系统的自由度为N，阻尼为比例阻尼，系统的运动方程为：

系统的传递函数矩阵为：

由此传递函数矩阵可知，只需得到矩阵中的某一行或某一列单元，则包括了矩阵的全部信息。

对于结合部单元的动力学模型，首先分别建立子结构的动力学有限元模型,然后组装成系统方程。子结构1的动力学方程为：

其中，结构节点位移为u；u11是子结构内部节点位移；u21是弹簧-阻尼单元与子结构连接节点位移。

同理,子结构2的动力学方程为：

其中，结构节点位移为u；u33是子结构内部节点位移；u23是接触面上与弹簧-阻尼单元连接的节点位移。

结合部由等效的弹簧-阻尼单元模拟，不考虑质量，动力学方程为：

式(1)、(2)、(3)分别为结合部单元的两个子结构和弹簧-阻尼的动力学模型，有f21=-f12，f23=-f32，u12=u21，u23=u32。综合以上3个方程可以得到结合部单元的动力学方程为：

2 元结构分析

利用SolidWorks建立快速连接器的模型，如图1所示。

图1 快速连接器Solid Works模型Fig.1 Solid Works model of quick connector

快速连接器在自由状态下，通过ANSYSWorkbench软件对快速连接器进行有限元静力学分析，以便优化设计快速连接器。选取有限元分析模型如图2所示。

图2 快速连接器有限元模型Fig.2 Finite element model of quick connector

图2中，6根轴实际工件并无此轴，在受力时通过其它工件上的轴传到此工件上，故在此标出，受力可在轴表面上加载。ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件，ANSYSWorkbench是ANSYS软件一个模块，包括前处理模块、分析计算模块和后处理模块3部分。

2.1 网格划分

快速连接器材料为45钢，密度7.85g/cm3,弹性模量210GPa,泊松比0.3；有限元模型采用四面体和六面体实体单元进行网格划分，整机节点总数为552 739个，有限元单元个数为130 115，划分网格如图3。

图3 快速连接器网格划分Fig.3 Mesh generation of quick connector

2.2 给快速连接器添加约束及载荷

轴1、2 为固定轴，轴3、4有30t力，轴5、6相向20t力。如图4(图中每个受力箭头都有所标力的大小)自重600kg。

图4 快速连接器受力图Fig.4 Force diagram of quick connector

设置轴1、2为固定轴，如图5，轴3受力情况如图6中A、F，分别为300 、200kN,轴4如图6中B，受力300kN,轴5如图6中C，受力200kN,另外轴6如图6中D、E，受力均为200kN(图中每个受力箭头都有所标力的大小)。

图5 固定轴设置Fig.5 Fixed axis setting

图6 各轴受载设置Fig.6 Axle load setting

2.3 求解

点击运行，开始求解。得到快速连接器的应力应变图解如图7、8所示。展示了快速连接器的应力应变分布。

图7 快速连接器应变图解Fig.7 Strain diagram of quick connector

图8 快速连接器应力图解Fig.8 Stress diagram of quick connector

从计算结果可看出，快速连接器的静力最大总变形为0.297 08mm，最大应力为311.16MPa。从整机的受力变形来看，快速连接器的静力最大总变形在轴4上，单独对轴4静力分析，结果如图9、10所示。

对轴4进行静力分析可知，其最大静力变形为0.297 08mm，最大应力变形为187.22MPa。

3 结论

通过元结构理论对快速连接器进行了分析计算，并根据分析结果对原有快速连接器结构进行了改进。分析结果表明，快速连接器的轴4受力变形最大，这与快速连接器在实际使用中受到变形破坏的位置一样。在工程实践中把轴4的直径加大3%左右后，在近1年的时间内没有发生失效现象。可见，基于元结构理论的分析方法具有较好的推广价值，对相关工程技术人员有一定的指导性。

图9 轴4应变图解Fig.9 Strain diagram of axis 4

[1]徐燕申，张兴朝，牛占文，等．基于元结构和框架优选的数控机床床身结构动态设计研究[J]．机械强度，2001，3(1)：1-3．

[2]ButlerSL，DhingraAK.Integratedstructureandcontroldesignofactivelycontrolledstructuresusingsubstructuredecomposition[J].EngineeringOptimization，2003，35(4)：325-340.

[3]陈国俊.液压挖掘机(原理、结构、设计、计算)[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.

[4]罗铭.工程机械属具发展及中国市场展望[J].工程机械文摘，2009(6):19-21.

[5]刘春丽.挖掘机快换装置的结构分析与优化设计[D].大庆：东北石油大学，2013.

[6]满佳，张连洪，陈永亮.基于元结构的机床结构可适应优化设计方法[J].中国机械工程，2010，21(1)：51-54，66.

[7]李小彭，赵志杰，聂慧凡，等．某型数控车床床身的模态分析与结构优化[J]．东北大学学报，2011，32(7)：988-991．

(责任编辑： 陈雯)

The application of element structure theory in quick connectors analysis

Xu Shenghui

(Xiamen Everbooming Machine Co., Ltd., Xiamen 361026，China)

Finite element analysis of quick connector was conducted in terms of element structure theory. A 3D mathematic model was constructed via Solid Works, and ANSYS Workbench modules were introduced to the model to perform finite element analysis of mechanical components. The feasibility of the finite element method was verified with ANSYS Workbench.

Solid Works; ANSYS Workbench; quick connector; statics analysis

2016-11-16

许盛辉(1970- )，男，福建沙县人，工程师。

10.3969/j.issn.1672-4348.2016.06.010

TH122

A

1672-4348(2016)06-0563-04