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1挖掘装载机铲斗的三维建模
(1)挖掘装载机铲斗的组成
挖掘装载机铲斗部件是由动臂、连杆、铲斗零件组成，它是一个连杆机构，各个杆件的长度尺寸将直接影响该部件中铲斗的运动轨迹(即工作性能)，而各个杆件的横截面尺寸将直接影响该部件的承载能力。
(2)挖掘装载机铲斗部件的三维建模
运用三维设计软件Solidworks，通过拉伸〔Extrude) ,旋转(Revolve )、切割(Cut)和抽壳(Shell)，放样(Loft.)，扫描(Sweep)等三维特征造型功能.将挖掘装载机铲斗部件的各个零件创建成三维模型。再根据各零件模型的隶属关系装配成如图1所示的挖掘装载机铲斗部件的装配体三维模型。
2挖掘装载机铲斗部件的有限元分析
内嵌在三维设计软件Solidworks中的有限元分析系统Cosmos/Works是当今工程界较好的有限元分析软件之一，其能非常迅速地实现对大规模的复杂设计的分析和验证，并获得修正和优化设计所需的信息。
在此，通过对挖掘装载机铲斗部件进行有限元分析和研究，求出其在工作受载状态下的应力分布情况，并计算出其失效的部位，然后对应力集中及失效区域进行局部加强处理，以保证结构的强度和刚度，提高挖掘装载机的掘起力、下挖力和整体式车架的可靠性，确保整机的工作性能。
2.1挖掘装载机铲斗部件的载荷及约束分析
建立挖掘装载机铲斗部件的Solidworks三维模型以后.根据设计的要求来检验设计的强度，首先，在保证动臂、连杆、铲斗等零件几何精度的前提下，对三维模型作如下简化:将一些小的特征进行压缩，如倒角、圆角以及小孔等;压缩掉一些不影响整体结构性能的零件，如螺栓、螺母等;根据其工作要求确定工作载荷为 100 kN，其约束为动臂固定在机架上。简化后的三维模型如图2所示。
2.2挖掘装载机铲斗部件的有限元分析方法
Cosmos/Works提供了5种有限元分析方法:(1)静力分析(Static Analysis) ; (2)频率分析(Frequency Analysis) ; (3 )弯矩分析(Buckling Analysis);(4)热分析(Thermal Analysis);(5)优化设计分析(Optimization Analysis);根据挖掘装载机铲斗部件应力分析的需要，在此采用静力分析法。
2.3有限元计算原理
有限元就是对连续物体离散化，在物体内部和边界上划分节点。用许多离散的单元来逼近原来复杂的物体，如图3所示。
对于连续物体力学分析，有限元分析一般过程:
2.4挖掘装载机铲斗部件的有限元网格划分
网格自动划分是CAE软件的关键，由于挖掘装载机铲斗部件是用Solidworks三维实体建模的。所以采用抛物线性四面体实体单元作为划分单元。另外，在有限元分析中，网格划分必须要满足一定的条件，四面体单元的长宽比要接近1，在这个铲斗的有限元划分时，铲斗的厚度为12mm，所以单元划分的时候，最长单元的边长控制在12 mm左右。实际划分时选了3mm边长控制单元。划分结果为四面体实体单元64 306个，自由度数128915。
2.5挖掘装载机铲斗部件的有限元求解方法
Cosmos/Works对于静力分析提供3种求解方法:Direct Sparse,FFE和FFEPlus。一般来说,3种求解方法对同一问题的求解结果基本相似，但在选择时应注意:(1)对于大型和特大型问题(自由度大于300 000个)应优先使用FFEPIu。求解方法;(2)对于小型和中型问题(自由度在100000个到300 000个)应优先使用 Direct Sparse、或FFE求解方法。对于装配体问题并且考虑了零件间的相互接触、相互摩擦和不同材质时优先使用Direct Sparse求解方法，由于本例的自由度数128 915，因此本例使用Direct Sparse求解方法。求解所得的应力分布情况如图4所示。
2.6挖掘装载机铲斗部件的有限元计军强度分析
由图4所示的铲斗部件的应力分布图可见，铲斗部件的应力主要集中在联接动臂与铲斗回转副的联接板处(如图4中的白色区域)。最大应力达到6.935E8，铲斗部件发生了失效。图5为铲斗部件的失效图，图中白色区域即为铲斗部件的失效部位。
2.7基于有限元计算结果的挖掘装载机铲斗部件的改进设计研究
为了改善铲斗部件的应力集中，消除失效，采用如下改进设计方案:
(1)通过增加肋的宽度，减小应力集中，将肋的宽度从30mm增加到50 mra，此时该处的最大应力从6.378E8下降到5.925E8，其改善应力集中的效果一般，图6所示是其应力分布图，由图可见应力集中现象还是存在(图中白色区域即为应力集中部位)，再由相应的铲斗部件的失效图可见，铲斗部件还是发生了失效(见图7）,图中白色区域即为铲斗部件的失效部位。由此可见，该方案也不是理想方案。
(2)通过增加2块300 mm长的后盖板，同时增加铲斗壁厚，改善应力集中，从其应力分布图可见应力集中现象改善很多(图8中白色区域很少)，再由相应的铲斗部件的失效图可见铲斗部件失效现象消失了（图9中白色区域消失了)，满足强度要求。由此可见，该方案可行。
3结语
以上依据有限元计算分析结果，对挖掘装载机的各种改进设计方案进行优选，这种基于有限元技术的设计分析方法，大大提高了工程机械的设计速度和设计可靠性，同时也大大缩短了工程机械产品及其系列产品的开发周期，降低了产品开发的成本。
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