基于ANSYS Workbench的折臂式隨車起重機(jī)吊臂有限元分析

 

本文以某重型折臂式隨車起重機(jī)吊臂為研究對(duì)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(shí)現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)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(jī)械性能，傳遞扭矩與橫向力，且具有良好的導(dǎo)向性，能夠抑制吊臂伸縮時(shí)的橫向滑動(dòng)，操縱平穩(wěn)性好。本文針對(duì)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(yīng)力分布情況，校核吊臂是否滿足強(qiáng)度、剛度方面的設(shè)計(jì)要求，計(jì)算結(jié)果可為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)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(shí)體建模吊臂的結(jié)構(gòu)比較復(fù)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(dòng)件，如果對(duì)整個(gè)吊臂進(jìn)行完整的建模分析，將使建模和分析變得異常復(fù)雜，并且計(jì)算結(jié)果的理想程度也難以保證，因此有必要對(duì)吊臂進(jìn)行合理的簡化。忽略對(duì)整體分析影響不大的細(xì)節(jié)特征，剔除不必要的零件結(jié)構(gòu)，結(jié)合模型特點(diǎn)對(duì)坡口、裝配縫隙等進(jìn)行適當(dāng)?shù)男迯?fù)。吊臂的液壓伸縮機(jī)構(gòu)不建模，為了更符合實(shí)際自重載荷分布，將三維造型軟件測(cè)得的吊臂重量與實(shí)際整機(jī)重量做對(duì)比之后，伸縮機(jī)構(gòu)的重量以臂體材料密度適當(dāng)增大的方式做出補(bǔ)償，本文取密度修正系數(shù)為1.12.件實(shí)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(jìn)入?yún)f(xié)同仿真環(huán)境進(jìn)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(duì)邊跨距。由于滑塊的約束，各節(jié)伸縮臂的截面尺寸將相應(yīng)地變化。滑塊是厚度為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(jī)作業(yè)時(shí)，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(diǎn)對(duì)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(jìn)行處理；另一種是通過節(jié)點(diǎn)耦合的方法處理。前者屬于非線性問題，需要反復(fù)迭代計(jì)算，不易收斂，且計(jì)算精度難以保證；因此為了更貼近實(shí)際工作情況，本文采用節(jié)點(diǎn)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(rèn)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(duì)有限元計(jì)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(fù)雜，考慮到計(jì)算規(guī)模和計(jì)算速度，本文主要采用HexDominant方法以及掃掠法，分別對(duì)臂體和滑塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將容易出現(xiàn)壞單元的部分（例如加強(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)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(jī)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(duì)吊臂進(jìn)行的是靜應(yīng)力結(jié)構(gòu)分析，考慮到風(fēng)載荷引起的回轉(zhuǎn)平面內(nèi)所受載荷的值相對(duì)較小且偶然性太大，因而忽略不計(jì)。*終選定的載荷組合為：自重載荷（含吊臂、吊具及液壓伸縮機(jī)構(gòu)重量）+起重載荷（考慮動(dòng)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(dòng)載系數(shù)后，將相應(yīng)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(shí)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(xiǎn)的狀態(tài)（全伸臂），根據(jù)規(guī)范3及該型號(hào)隨車起重機(jī)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(xiàng)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(jī)構(gòu)對(duì)于伸縮臂的軸向支撐，對(duì)各節(jié)伸縮臂與液壓伸縮機(jī)構(gòu)相連接的位置應(yīng)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(yàn)證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度215.516.520625g―驗(yàn)證結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(diǎn)擊“Solve進(jìn)行求解計(jì)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(yīng)力云圖如、所示。

 

3種工況下吊臂結(jié)構(gòu)Von-Mises應(yīng)力云。2強(qiáng)度分析吊臂主體材料選用HG785高強(qiáng)度鋼，屈服極限s=680MPa，許用應(yīng)力W=s/1.5=453MPa.由所示可知，3種工況下*大的等效應(yīng)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(yīng)力。考慮Von-Mises等效應(yīng)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(jì)算過程中產(chǎn)生附加拉壓應(yīng)力（非外載荷引起），且無法精確反映支撐滑塊接觸表面的實(shí)際處理工藝（如潤滑等），所以在滑塊接觸表面附近出現(xiàn)應(yīng)力奇異點(diǎn)，這并不代表實(shí)際應(yīng)力狀況，可忽略不計(jì)郭耀松，張新忠，張大偉。起重機(jī)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(fēng)，毛文杰?，F(xiàn)代起重運(yùn)輸機(jī)械。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.GB/T60684008汽車起重機(jī)和輪胎起重機(jī)試驗(yàn)規(guī)范。

 

北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.韋仕富，王三民，鄭鈺琪，等。某型汽車起重機(jī)吊臂的有限元分析及試驗(yàn)驗(yàn)證。機(jī)械設(shè)計(jì)，2011，28（6）。

 

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

 

0超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)M.北京：人民郵電出版社，2013.表5有限元仿真計(jì)算值與測(cè)量值比較測(cè)胡青春，教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論。