北方交通：起重機(jī)臂體設(shè)計的優(yōu)化與應(yīng)用

近年來，隨著汽車起重機(jī)的不斷發(fā)展，汽車起重機(jī)吊臂截面形狀也由四邊形，六邊形，八邊形等逐漸進(jìn)化成U形。U形截面可以顯著提高截面的抗彎能力，試驗表明，起重機(jī)主臂截面相同周長相同厚度情況下，使用U形截面和使用六邊形截面相比抗彎性能提高近10%，因此U形截面主臂已被廣泛采用。利用有限元分析方法對U形截面吊臂進(jìn)行分析與優(yōu)化，對提高材料的利用率，提高吊臂的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性是非常有必要的。

1 工況分析

某型號汽車起重機(jī)為5節(jié)伸縮主臂，雙油缸加繩排式伸縮機(jī)構(gòu)。根據(jù)吊臂的形式可知起重機(jī)工作狀態(tài)下各節(jié)臂搭接處應(yīng)力值最大，為危險截面。一般情況下，每種臂長在相應(yīng)長度的最大起重力矩工況時應(yīng)力達(dá)到最大值。雙缸加繩排式伸縮機(jī)構(gòu)的起重機(jī)性能表一般為7列，我們選取每列中最大起重力矩的工況進(jìn)行分析。共7種工況。

2 幾何模型

處理吊臂幾何模型建立完成后，通過parasolid格式導(dǎo)入ANSYS workbench中。之后，根據(jù)不同臂長工況下伸縮油缸的行程，對二、三、四、五節(jié)臂進(jìn)行平移操作，共建立7種不同長度的幾何模型。危險截面處于吊臂的搭接處，而各節(jié)臂的臂頭臂尾處應(yīng)力值較小。將螺栓、銷軸、墊板、油杯等對吊臂整體分析影響很小的零件刪掉，并且去掉板上的焊接坡口，只留下包箍、滑輪支座、繩排拉板和滑塊等主要承力結(jié)構(gòu)。然后對一些不規(guī)則的零件進(jìn)行切割處理，使之變成比較規(guī)則的形狀，以便于劃分網(wǎng)格。

3 網(wǎng)格劃分

由于吊臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果抽中面用殼單元來分析將會在幾何處理時花費(fèi)大量時間，故采用實體模型。吊臂板采用solid186單元用sweep的方式劃分成規(guī)則的網(wǎng)格，個別不規(guī)則的零件采用自由分網(wǎng)。主要承力零件如上下槽板，在厚度方向劃分為2層單元，有5個節(jié)點，可以比較準(zhǔn)確的得到該處的應(yīng)力情況。solid186單元是一個高階三維20節(jié)點固體結(jié)構(gòu)單元，solid186單元具有二次位移模式，可以更好的模擬不規(guī)則的幾何形狀。吊臂中各節(jié)臂之間力的傳遞是通過伸縮油缸和伸縮繩排來進(jìn)行的，故而要把伸縮油缸和伸縮繩排也建立到模型中。伸縮油缸共有2根，分別連接在一節(jié)臂二節(jié)臂尾部和二節(jié)臂三節(jié)臂尾部。伸縮油缸采用beam188單元來模擬，beam188的截面尺寸即伸縮油缸的真實尺寸。伸縮油缸和吊臂尾部油缸支座處為銷軸連接，可以相互轉(zhuǎn)動，即不傳遞彎矩。銷軸也采用beam188單元來模擬，銷軸與伸縮油缸、銷軸與吊臂油缸支座處采用MPC revolution的方式進(jìn)行連接，使之可以相互轉(zhuǎn)動。伸縮繩采用link8單元進(jìn)行模擬，一端連接到吊臂的繩排支座處并繞過滑輪連接到另外節(jié)臂的繩排支座。

4 約束與載荷

滑塊材料為MC尼龍，剛度與鋼材相比相差很多，故采用No Separation的方式連接，此種方式連接對整個吊臂的剛度影響很小，而且NoSeparation連接方式是線性的，計算速度快?；颈畚膊颗c轉(zhuǎn)臺連接處約束UX、UY、UZ3個平動自由度和RotY，RotZ2個轉(zhuǎn)動自由度，即使吊臂可以繞根部在變幅平面內(nèi)轉(zhuǎn)動;變幅支座處采用同樣的方式進(jìn)行約束。五節(jié)臂頭部導(dǎo)向滑輪處施加朝向卷揚(yáng)方向的單繩拉力，起升滑輪處施加吊重載荷，2個滑輪之間有大小相等方向相反的單繩拉力。重力加速度取10m/s2，以加速度的方式添加。

5 應(yīng)力測試結(jié)果

按照該有限元分析對樣車原設(shè)計與工藝進(jìn)行了優(yōu)化處理。樣車試制完成之后，對吊臂進(jìn)行了應(yīng)力試驗，選擇與有限元分析相同的工況進(jìn)行測試，貼片位置為每節(jié)臂搭接處，應(yīng)力測試結(jié)果與有限元分析結(jié)果比較可以看出，實測值與有限元分析值比較接近，但是還是有一些誤差，主要原因是對吊臂兩鉸點的約束是全約束，沒有反映出吊臂工作中下車和轉(zhuǎn)臺的變形對吊臂造成的影響。

6 結(jié) 論

通過使用ANSYS軟件對汽車起重機(jī)吊臂進(jìn)行有限元分析表明分析結(jié)果與實際測量值接近，在可以接受的范圍內(nèi)，說明使用該方法分析得到的結(jié)果比較準(zhǔn)確，并且該方法過程簡單、操作簡便，可以有效地指導(dǎo)實際設(shè)計工作和生產(chǎn)制造。(本文來自北方交通)