基于OptiStruct的挖掘机液压油箱结构分析

1、概述

    液压油箱作为挖掘机的重要组成部分，其可靠性非常关键，CAE分析是现代设计方法的主要内容，对挖掘机结构件系统各部件进行CAE分析，研究其在各种工况下的变形和应力情况，继而对其进行优化设计，可以使得产品的结构和性能更趋完善。因此进行结构件系统的CAE分析和优化设计对挖掘机设计具有重要作用。

    本文以公司某款挖掘机液压油箱为研究对象，在HyperMesh中建立了液压油箱有限元网格模型，通过OptiStruct计算求解，在HyperView中，得到了液压油箱在某种极限工况下的应力及变形云图，进而确定了液压油箱的危险受力区域，与实际破坏位置一致，针对破坏位置设计了更加合理的结构，大大提高了液压油箱的可靠性。

2、原液压油箱结构分析

    Hyperworks作为高效的CAE软件集前后处理与求解器于一体，它集成设计与分析所需各种工具，具有无比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的操作界面。HyperMesh拥有直观的用户图形界面和高速度、高质量的自动网格划分功能，且能够与众多CAD系统和有限元求解器进行方便的数据交换，极大地提高了有限元网格划分的效率，大大缩短工程分析的周期。

    2.1 有限元模型

    根据设计者提供的几何模型,采用四边形壳单元对原设计模型进行网格划分。取单元尺寸为5mm，对于关注的重要区域进行必要细化，网格尺寸为1mm。底座采用实体单元模拟，最终整个液压油箱模型的单元数为1209505，节点数为1207764，其中，固定螺栓采用梁单元模拟，液压油质量均布在油箱表面上，根据相应的分析标准进行加载。有限元模型如图1所示。

 图1 有限元模型

    2.2 材料参数

    液压油箱所用的材料为钢材，具体参数如表1所示。

表1 材料参数

    2.3 计算结果

    通过OptiStruct进行求解，液压油箱的最大应力188.8MPa，最大应力区域出现在焊缝位置，非常容易发生疲劳破坏，且与实际破坏位置一致，证明所建立的模式是可行有效的，具体应力云图和实物破坏如图2所示。

图2 整体应力云图

3、新结构分析

    为了降低主要受力区域的应力水平，提高液压油箱的可靠性。对原结构进行相应的结构更改，新结构底部变成C形加强板，具体几何模型如图3所示。对新修改的结构进行强度分析，分析结果显示，新结构应力水平较原结构有明显下降，降低约55.7%，应力云图如图4所示；较原结构变形量也有明显降低，降低约51.4%，变形量图如图5所示。具体对比结果详见表2。

图3 几何模型

图4 应力云图

图5 变形量

表2 两种方案结果对比

4、结论

    本文应用HyperWorks软件对某款挖掘机的液压油箱车架进行了系统建模、分析、结构改进，通过计算分析找到了原设计结构的危险点。经过设计改进，得到了更加合理的液压油箱结构。新结构的最大应力大幅降低，大大提高了液压油箱的可靠性。另外，新改进液压油箱的变形也有所减小，说明刚度的也得到了加强。通过此分析项目，笔者充分体验到了HyperWorks软件在CAE建模、分析的强大功能。