摘 要

前车架是装载机工作装置的基础部件之一，也是装载机的一个关键部件，主要起支撑工作装置、连接后车架和转向油缸的作用。装载机作为一种工程机械不可避免面对很多复杂而恶劣的工作环境，而前车架作为其主要部件也会因工况不同而承受不同载荷。前车架在行走作业过程中不仅要承受各种工作装置产生的载荷，还要承受各系统传来的力和力矩，在各种负载恶劣的情况下工作时，更是要承受强烈的冲击载荷。

所谓装载机前车架，是装载机的基体部分，所有装载机零件都直接或者间接地装在装载机车架上面。其中前车架采用的箱型结构，是支撑着工作装置和前轮的基础的结构。所以装载机前车架既要有良好的强度与刚度也要有足够的可靠性。本课题在CAD建模软件UG中建立三维模型然后导入有限元软件ANSYS Workbench，应用有限元技术静态分析前车架的三种实际工况，找出并分析其损坏部位，从而对前车架的三维模型进行优化。同时对前车架零件进行模态分析，计算并提取其振动特性。

关键词：前车架，有限元，静态分析，模态分析，

Three - dimensional Modeling and Finite Element Analysis of Loader Front Frame

ABSTRACT

The front frame is one of the basic parts of the loader working device,it is also a key component of the loader,mainly supporting the working device, connecting the rear frame and turning the role of the cylinder.The loader as a construction machinery inevitably faces many complex and harsh working conditions,while the front frame as its main components will be due to different conditions and bear different loads.The front frame does not only bear the load generated by the various working devices during the walking operation,but also bear the power and torque of the system,but also bear the power and torque of the system,working in a variety of harsh conditions,it is to bear a strong impact load.

The so-called loader frame,is the base part of the loader,all loader parts are mounted directly or indirectly on the loader frame.The front frame used in the box structure,is the structure that supports the foundation of the working device and the front wheel.This topic in the CAD modeling software UG to establish a three-dimensional model and then import finite element software ANSYS Workbench,The finite element technique is used to analyze the three actual conditions of the front frame,Identify and analyze the damaged parts,So as to optimize the three-dimensional model of the front frame.At the same time on the front frame parts for modal analysis,calculate and extract its vibration characteristics.

Key words：Front frame,finite element analysis,static analysis,modal analysis

目 录

第一章 前言 - 1 -

1.1 课题研究背景 - 1 -

1.2 装载机前车架的国内外研究现状 - 2 -

1.3 本文的主要工作 - 2 -

第二章 装载机前车架有限元建立 - 4 -

2.1 有限元法和Workbench分析软件 - 4 -

2.2.1 有限元法的概述 - 4 -

2.1.2 ANSYS Workbench软件介绍 - 4 -

2.2 建立实体模型 - 4 -

2.3 材料属性及单位制 - 8 -

2.4 单元选择和网格划分 - 9 -

2.5 本章小结 - 11 -

第三章 前车架载荷计算 - 12 -

3.2 前车架结构与载荷 - 12 -

3.3 工作装置对前车架作用载荷的计算方法 - 14 -

3.3.1 计算方法的基本原理 - 14 -

3.3.2 等效空间结构法 - 14 -

3.4 工作装置对前车架作用载荷的计算 - 15 -

3.4.1 工作装置承受载荷描述 - 15 -

3.4.2 工作装置对前车架作用载荷的计算结果 - 16 -

3.5 本章小结 - 17 -

第四章 前车架的静强度分析 - 18 -

4.1 前车架简化约束 - 18 -

4.2 强度评价指标 - 18 -

4.3 前车架的静力学分析 - 18 -

4.3.1 工况1 正载、倾覆掘起 - 18 -

4.3.2 工况2 正载、水平插入工况 - 23 -

4.3.3 工况3 正载最大铲掘力工况 - 24 -

4.4 改进后的前车架静力学分析 - 26 -

4.4.1 工况1 正载、倾覆掘起 - 27 -

4.4.2 工况2 正载、水平插入工况 - 28 -

4.4.3 工况3 正载最大铲掘力工况 - 29 -

4.5 本章小结 - 30 -

第五章 前车架模态分析 - 32 -

5.1 引言 - 32 -

5.2 模态分析的基础理论 - 32 -

5.3 前车架模态分析 - 34 -

5.4 本章小结 - 36 -

第六章 全文总结与展望 - 38 -

6.1 全文总结 - 38 -

6.2 展望 - 38 -

致 谢 - 40 -

参考文献 - 41 -

第一章 前言

1.1 课题研究背景

工程机械用途较广的机械种类之一就是轮式装载机^[1]。这几年来，装载机的品种和产量发展的较快，根据我国26家主要企业统计的实际地区销售装载机资料显示，我国在2010年装载机的销量就达到了20万台以上，其中对外出口1.5万台左右，成为了世界上对装载机的制造和应用最多的国家。

前车架是一个基础部件，在装载机作业和行走过程中，前车架除了要承受载荷，是从工作装置传递过来的^[2]。

前车架的在结构设计方面要满足以下要求，必须有足够的刚度和强度而且布局也要合理，而且前车架的设计是否能够满足要求会对前车架的性能产生直接的影响，进而影响装载机整机的正常使用^[3]。

图1-1前车架和工作装置

1.2 装载机前车架的国内外研究现状

我国轮式装载机和国外相比起步晚且发展较慢，上世纪90年代的时候国外的研发及制造技术就已经达到了比较高的水平^[4]。国外大规模的集成电路发展和计算机的发展为其设计制造水平打下良好基础，各种操作管理系统被广泛应用于产品的设计、操控和维修等方面，因此国外的装载机制造技术十分精细，而且他们在装载机操作控制和使用寿命等方面在不断地改善和进步^[5]。