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，折臂式吊臂結構示意如所示，由轉臂、基本臂以及6節伸縮臂等組成，轉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相對滑動的，滑塊與吊臂之間為面接觸。基本臂及各伸縮臂截面形狀為六邊形，這種截面形式能較好地發揮材料機械性能，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，操縱平穩性好。本文針對不同的工況，利用有限元仿真技術，分析吊臂的結構變形及應力分布情況，校核吊臂是否滿足強度、剛度方面的設計要求，計算結果可為后續的結構優化和改進提供。

 

    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實體建模吊臂的結構比較復雜，不但包括各節臂主體結構而且還包括伸縮系統各傳動件，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特征，剔除不必要的零件結構，結合模型特點對坡口、裝配縫隙等進行適當的修復。吊臂的液壓伸縮機構不建模，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協同仿真環境進行有限元分析。伸縮臂臂體截面形式及主要結構參數如所示，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，各節伸縮臂的截面尺寸將相應地變化。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。

 

    1.3接觸處理隨車起重機作業時，各伸縮臂和基本臂在套接處的內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。

 

    轉臂、第二變幅油缸、基本臂三者之間通過銷軸鉸接，在接觸設置中將其定義為Revolute.1.4網格劃分網格質量對有限元計算精度和斂散性有著至關重要的影響。由于吊臂結構較為復雜，考慮到計算規模和計算速度，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格劃分。將容易出現壞單元的部分（例如加強板與臂體焊接處）采用Slice切片操作從規則主體上切出，然后采用高階三維20節點Solid186單元局部劃分網格，使網格形狀盡可能規則，避免網格畸形，*終得到節點總數為216143，單元總數為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構分析，考慮到風載荷引起的回轉平面內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重量）+起重載荷（考慮動載系數）+側偏載荷。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后，將相應的值以Force的形式施加在吊耳處；側偏載荷可采用吊重偏移的方法施加于頭部，但必須保證在加側載時不得產生鉛垂方向上的分力，側載系數取5%H.考慮吊臂*危險的狀態（全伸臂），根據規范3及該型號隨車起重機起重性能確定結構分析的3種工況，結構分析工況如表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自由度。為了模擬液壓伸縮機構對于伸縮臂的軸向支撐，對各節伸縮臂與液壓伸縮機構相連接的位置應用Remote表2結構分析工況工況臂長/m巾雖度/m額載/N側載/N分析主要目的115.516.516500g―驗證結構強度215.516.520625g―驗證結構強度315.placement限制其沿吊臂軸向的剛性位移。

 

    2求解及結果后處理與分析2.1求解及結果后處理在Mechanical環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經典求解器。3種工況下吊臂結構的位移云圖和應力云圖如、所示。

 

    3種工況下吊臂結構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。考慮Von-Mises等效應力極值均發生在下滑塊與伸縮臂的套接處，該區域屬于模型耦合區，在計算過程中產生附加拉壓應力（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。起重機吊臂結構的有限元分析。衣業裝備與車輛工程，2009（7）：9-11.黃大巍，李風，毛文杰。現代起重運輸機械。北京：化學工業出版社，2006.GB/T60684008汽車起重機和輪胎起重機試驗規范。

 

    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。現代制造工程，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計及理論。