基于ANSYS Workbench的折臂式隨車起重機吊臂有限元分析

 

    本文以某重型折臂式隨車起重機吊臂為研究對象，折臂式吊臂結(jié)構(gòu)示意如所示，由轉(zhuǎn)臂、基本臂以及6節(jié)伸縮臂等組成，轉(zhuǎn)臂與基本臂由銷軸鉸接，而基本臂及各伸縮臂之間則是通過滑塊搭接來實現(xiàn)相對滑動的，滑塊與吊臂之間為面接觸?；颈奂案魃炜s臂截面形狀為六邊形，這種截面形式能較好地發(fā)揮材料機械性能，傳遞扭矩與橫向力，且具有良好的導向性，能夠抑制吊臂伸縮時的橫向滑動，操縱平穩(wěn)性好。本文針對不同的工況，利用有限元仿真技術(shù)，分析吊臂的結(jié)構(gòu)變形及應力分布情況，校核吊臂是否滿足強度、剛度方面的設(shè)計要求，計算結(jié)果可為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進提供。

 

    1吊臂的有限元分析1.1材料屬性定義吊臂各部分材料屬性定義如表1所示。

 

    表1吊臂材料屬性部件材料彈性模量/MPa泊松比密度“kg臂體滑塊1.2實體建模吊臂的結(jié)構(gòu)比較復雜，不但包括各節(jié)臂主體結(jié)構(gòu)而且還包括伸縮系統(tǒng)各傳動件，如果對整個吊臂進行完整的建模分析，將使建模和分析變得異常復雜，并且計算結(jié)果的理想程度也難以保證，因此有必要對吊臂進行合理的簡化。忽略對整體分析影響不大的細節(jié)特征，剔除不必要的零件結(jié)構(gòu)，結(jié)合模型特點對坡口、裝配縫隙等進行適當?shù)男迯?。吊臂的液壓伸縮機構(gòu)不建模，為了更符合實際自重載荷分布，將三維造型軟件測得的吊臂重量與實際整機重量做對比之后，伸縮機構(gòu)的重量以臂體材料密度適當增大的方式做出補償，本文取密度修正系數(shù)為1.12.件實體造型模塊DesignModeler的局限性，本文采用三維造型軟件SiemensNX7.0分別建立各節(jié)伸縮臂、基本臂及滑塊的幾何模型，并通過其與ANSYSWorkbench軟件的無縫嵌套接口直接進入?yún)f(xié)同仿真環(huán)境進行有限元分析。伸縮臂臂體截面形式及主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如所示，中，a為折彎角度，為鋼板厚度，d為腹板間距，為斜對邊跨距。由于滑塊的約束，各節(jié)伸縮臂的截面尺寸將相應地變化?；瑝K是厚度為12mm、長度為400mm的POM板，安裝于各伸縮臂相互套接處，其寬度與安裝處臂體的大小有關(guān)。

 

    1.3接觸處理隨車起重機作業(yè)時，各伸縮臂和基本臂在套接處的內(nèi)外表面并不是完全接觸的，如所示，各臂之間依靠與滑塊的接觸和擠壓來傳遞力。接觸處法向自由度受到約束，而切向自由度不受限，允許有少量滑移。根據(jù)這一特點對吊臂和滑塊的連接處理方法有兩種：種是用面接觸單元來進行處理；另一種是通過節(jié)點耦合的方法處理。前者屬于非線性問題，需要反復迭代計算，不易收斂，且計算精度難以保證；因此為了更貼近實際工作情況，本文采用節(jié)點耦合的方法來處理吊臂與滑塊上表面的接觸，接觸類型選擇NoSeparation.而滑塊下表面與臂體之間的連接則采用Bonded來模擬，這種接觸認為是剛性的。

 

    轉(zhuǎn)臂、第二變幅油缸、基本臂三者之間通過銷軸鉸接，在接觸設(shè)置中將其定義為Revolute.1.4網(wǎng)格劃分網(wǎng)格質(zhì)量對有限元計算精度和斂散性有著至關(guān)重要的影響。由于吊臂結(jié)構(gòu)較為復雜，考慮到計算規(guī)模和計算速度，本文主要采用HexDominant方法以及掃掠法，分別對臂體和滑塊進行網(wǎng)格劃分。將容易出現(xiàn)壞單元的部分（例如加強板與臂體焊接處）采用Slice切片操作從規(guī)則主體上切出，然后采用高階三維20節(jié)點Solid186單元局部劃分網(wǎng)格，使網(wǎng)格形狀盡可能規(guī)則，避免網(wǎng)格畸形，*終得到節(jié)點總數(shù)為216143，單元總數(shù)為109487.1.5施加載荷及約束作用在起重機上的載荷分為常規(guī)載荷、偶然載荷、特殊載荷及其他載荷等類型0.本文對吊臂進行的是靜應力結(jié)構(gòu)分析，考慮到風載荷引起的回轉(zhuǎn)平面內(nèi)所受載荷的值相對較小且偶然性太大，因而忽略不計。*終選定的載荷組合為：自重載荷（含吊臂、吊具及液壓伸縮機構(gòu)重量）+起重載荷（考慮動載系數(shù)）+側(cè)偏載荷。自重載荷可通過在ANSYSWorkbench軟件前處理模塊中施加重力加速度得到；起重載荷則通過各工況下額定起升載荷乘以動載系數(shù)后，將相應的值以Force的形式施加在吊耳處；側(cè)偏載荷可采用吊重偏移的方法施加于頭部，但必須保證在加側(cè)載時不得產(chǎn)生鉛垂方向上的分力，側(cè)載系數(shù)取5%H.考慮吊臂*危險的狀態(tài)（全伸臂），根據(jù)規(guī)范3及該型號隨車起重機起重性能確定結(jié)構(gòu)分析的3種工況，結(jié)構(gòu)分析工況如表2所示，表2中，g為重力加速度，m/s2，I“表示該項未施加。

 

    由度約束，僅釋放繞銷軸中心的旋轉(zhuǎn)自由度。為了模擬液壓伸縮機構(gòu)對于伸縮臂的軸向支撐，對各節(jié)伸縮臂與液壓伸縮機構(gòu)相連接的位置應用Remote表2結(jié)構(gòu)分析工況工況臂長/m巾雖度/m額載/N側(cè)載/N分析主要目的115.516.516500g―驗證結(jié)構(gòu)強度215.516.520625g―驗證結(jié)構(gòu)強度315.placement限制其沿吊臂軸向的剛性位移。

 

    2求解及結(jié)果后處理與分析2.1求解及結(jié)果后處理在Mechanical環(huán)境中完成諸多前處理操作后，在Solution分支中插入Equivalent（Von-Mises）Stress和TotalDeformation，點擊“Solve進行求解計算，為保證求解精度，求解器仍為ANSYS經(jīng)典求解器。3種工況下吊臂結(jié)構(gòu)的位移云圖和應力云圖如、所示。

 

    3種工況下吊臂結(jié)構(gòu)Von-Mises應力云。2強度分析吊臂主體材料選用HG785高強度鋼，屈服極限s=680MPa，許用應力W=s/1.5=453MPa.由所示可知，3種工況下*大的等效應力分別為317.29、389.84、464.53MPa，均小于材料屈服極限但其中*大值超過材料許用應力?？紤]Von-Mises等效應力極值均發(fā)生在下滑塊與伸縮臂的套接處，該區(qū)域?qū)儆谀Ｐ婉詈蠀^(qū)，在計算過程中產(chǎn)生附加拉壓應力（非外載荷引起），且無法精確反映支撐滑塊接觸表面的實際處理工藝（如潤滑等），所以在滑塊接觸表面附近出現(xiàn)應力奇異點，這并不代表實際應力狀況，可忽略不計郭耀松，張新忠，張大偉。起重機吊臂結(jié)構(gòu)的有限元分析。衣業(yè)裝備與車輛工程，2009（7）：9-11.黃大巍，李風，毛文杰。現(xiàn)代起重運輸機械。北京：化學工業(yè)出版社，2006.GB/T60684008汽車起重機和輪胎起重機試驗規(guī)范。

 

    北京：中國標準出版社，2009.韋仕富，王三民，鄭鈺琪，等。某型汽車起重機吊臂的有限元分析及試驗驗證。機械設(shè)計，2011，28（6）。

 

    韓建保，李邦國，張魯濱，等。車載式起重機吊臂強度條件和減重方案研究?，F(xiàn)代制造工程，2005（6）。

 

    0超級學習手冊M.北京：人民郵電出版社，2013.表5有限元仿真計算值與測量值比較測胡青春，教授，主要研究方向為機械設(shè)計及理論。