某型汽車起重機吊臂的有限元分析及試驗驗證

 

基金項目：國家自然科學基金資助項目（50875210）吊臂是某型汽車起重機的主要受力構件，通過吊臂能夠將重物提升到一定的高度，改變吊臂傾角可達到變幅的目的，以增大作業范圍。吊臂設計是否合理，直接影響著起重機的承載能力和整機性能。因此對起重機的吊臂進行合理的結構設計和力學分析有著非常重要的意義。

 

某型汽車起重機整機如所示，采用兩節伸縮式吊臂。各節臂間有相對滑動。靠其中的支撐滑塊來支撐吊臂并傳遞力。吊臂截面采用六邊形形式，六邊形截面側板薄，壓成折穹形，受力合理，下蓋板較上蓋板競度小，具有較高抗屈曲能力"°。

 

變化范圍為：0矣矣70°，0矣X矣4300mm.當=0時，吊臂呈水平，當X=4300mm時，吊臂呈現全伸長對起重機吊臂的傳統計算方法多為依據經驗公式的手工計算，由于手工計算的物理模型過于簡化，建立的數學模型不完全符合結構的力學特性，故無法保證計算的精度。在有限元技術非常成熟的今天，借助有限元商用軟件來計算大型復雜結構，能夠在大大減少勞動量的同時還提高計算精度。目前有限元軟件越來越廣泛地應用于工程機械的強剛度分析，但針對汽車起重機的分析研究并不多見，紀爰敏等2利用ANSYS有限元軟件對QY25K型汽車起重機吊臂進行強剛度分析，并與試驗結果進行對比，二者結果也比較吻合，但是該分析僅針對一種工況，這就降低了計算結果對實際設計的性；焦文瑞等S同樣利用ANSYS軟件對汽車起重機四邊形伸縮吊臂進行有限元分析，并與理驗，且僅對一種工況進行分析，對現實設計分析的指導性不強；蔣紅旗4基于ANSYS軟件在不同工況下對高空作業車吊臂進行有限元分析，結果合理，并提出改進方案，但其同樣缺乏真實試驗。針對以上分析現狀存在的問題，文中采用ANSYS有限元分析軟件在不同危險工況下對某起重吊臂進行靜強剛度計算，并與真實試驗結果進行對比。

 

表1吊臂結構材料參數構件材料彈性模量/Pa泊松比密度/1吊臂有限元模型的建立11實體建模鑒于ANSYS軟件實體造型的局限性和吊臂自身結構的復雜性，文中采用通用三維造型軟件SolidWorks對吊臂進行實體建模，之后以Parasolid（xt）格式將實體模型導入ANSYS進行有限元分析。

 

1.2單元類型的選擇基于軟件對吊臂進行有限元分析的通常方法均是將吊臂結構視為線模型，后賦予梁單元屬性進行強度和剛度等方面的有限元計算，但是梁單元是用線來代替三維實體結構，并不能反映結構幾何上的細節，且伸縮式吊臂是由鋼板焊接而成的箱型結構，應該選用二維板殼單元和三維實體單元混合分網，或全部選用三維實體單元劃分網格。考慮到吊臂模型較復雜，文中采用三維實體單元Solid187對吊臂進行有限元分析。

 

Solid187單元是一個高階三維10節點固體結構單元，單元具有二次位移模式，可以更好地模擬不規則的模型5.1.3材料定義吊臂結構材料定義參數見表1.為線性，從而大大減少計算機時。采用自由分網（Free）技術，*終形成單元數為5561-5施加載荷及約束處理1.5.1載荷分析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別63，但是由于常規載荷是起重機正常工作中經常發生的載荷，且此次對起重機吊臂進行的是靜強度試驗分析，所以對吊臂計算所需的載荷僅為常規載荷中的自重載荷、起升載荷，考慮動載系數與相應靜載荷相乘的動載效應及由于貨物偏擺與風載等因素產生的側向載荷（偶然載荷）。

 

由于ANSYS有限元軟件可根據結構材料參數自動計算其重力，故在此無需另行施加吊臂額定起升載荷PQ是起重機起吊額定質量（在試驗中為28t）時的重力。當貨物無約束起升離開地面時，貨物的慣性力將會使起升載荷出現動載增大的作用，此動載效應用一個大于1的起升動載系數！2乘以額定起升載荷Pq來考慮67，試驗中起升動載系數！2根據試驗確定。取1.25.側載可以采用吊重側向偏移的方法施加于臂架頭部，但必須保證在施加側載時不得產生鉛垂方向的附加分力，其大小用一個側載系數乘以額定起升載荷Pq來考慮，側載系數根據*大額定起重量選擇68，在此次試驗中，側載系數取。05.表2結構應力測試工況工況臂長/m幅度/m吊具重項載荷。

 

1.4實體模型處理及劃分網格從吊臂的整體結構來看，各節臂之間通過滑塊接觸和擠壓來傳遞力，故分析中必須解決各節臂與滑塊的連接關系。由于涉及接觸問題，本該通過ANSYS設定接觸對來進行求解，但是由于接觸分析屬于非線性分析范疇，求解過程需要反復迭代，既耗時又不易收斂，且吊臂實際結構中的接觸特性不易模擬，為盡可能減小吊臂結構發生應力奇異的區域，只能用一般的有限元方法求解。其中，節點尤合（CoupieDOFs）是比較常用的技術，但是節點耦合技術要求接觸面上對應節點的坐標必須一致，此條件在一般條件下很難滿足考慮到此次分析為靜態分析（構件不能有剛體位移），故分析中采用布爾操作一粘貼（Vglue）對模型進行處理，即將滑塊同各級臂粘連起來，此法使得分析模型轉由于此次試驗分析僅針對起重機吊臂結構，故還需在臂架頭部施加起升繩拉力S1，S2，其方向位于臂架端點與起升卷筒的連線上（如所示）。

 

根據規范69，采用雙聯滑輪組時，鋼絲繩*大拉力為：考慮吊臂的*危險工況（全伸臂），根據GB/T6068.3―2005〈汽車起重機和輪胎起重機試驗規范第3部分，結構試驗布置結構應力測試工況，如表表3不同工況下吊臂結構撓度值mm工況變幅平面內撓度Lx回轉平面內撓度Ly174.841.05273.9225.92393.951.32當起吊額定載荷時，變幅平面內撓度為：a―鋼絲繩與吊具夾角，a=40°；n組滑輪組效率'取n組=96；式（1）中分母乘2表示繞入卷筒的鋼絲繩分支數為2.由于計算考慮的是吊臂*危險工況，故取Si=吊具重力吊臂，較接-變幅液壓缸吊臂受力簡。5.2施加載荷及位移約束由于基本臂根部鉸點（中點A）和變幅油缸上鉸點（中點B）在變幅平面內為簡支，在回轉平面內呈固支，故需在柱坐標系下約束基本臂相應銷孔的徑向自由度和軸向自由度。

 

對于作用在吊臂上的載荷，可根據前述計算的數值和相應工況并以相應的方向施加于吊臂頭部，如所示。

 

對于吊臂自身重力，ANSYS軟件將根據密度與重力加速度自行計算，在此無需另行施加。

 

2計算結果的處理及分析21剛度校核上的變形分量，從而可計算出變幅平面及回轉平面內曉度，見表3.當起吊額定載荷，并附加側向載荷（額定載荷的5%）時，回轉平面內撓度為：Ly吊臂在回轉平面內的許用撓度，m；針對3種工況的許用撓度為：綜上分析，3種工況下吊臂均滿足剛度要求。

 

2.2強度校核吊臂金屬材料選用DB685鋼，屈服極限。=590MPa，許用應力W=/1.5=393MPa.由應力云，和可知，3種工況下*大VonMise等效應力分別為388，397，487MPa，3者雖均小于屈服極限。，但后2者均大于許用應力W.考慮到VonMise等效應力極值均發生在后滑塊與基本臂接觸處，該區域屬于模型耦合區，針對該區域執行布爾操作（Vglue）在有限元計算過程中會產生附加的拉壓應力（并非施加于吊臂上的外載荷引起），且此吊臂模型僅是實際結構的簡化模型，很難精確反映支撐滑塊接觸表面處的實際處理工藝（如潤滑等），所以在滑塊接觸表面出現應力奇異點，這并不代表實際應力狀況，可忽略不計。

 

略去應力奇異點，從應力云，及曲線，可以看出，3種工況下吊臂構件的*大VonMise等效應力分別為279，3者均小于許用應力W.綜上分析，吊臂在3種工況下均滿足強度要求。

 

3有限元計算值與實測應力值的對比分析3-1吊臂的應力測試試驗利用Y-18型靜態電阻應變儀對吊臂進行應力測試。由于二級臂與前滑塊接觸位置附近及變幅液壓缸與基本臂鉸接處均為潛在的危險應力區，加之考慮吊臂截面劇變處可能會產生應力集中，故在實際測試過程中，應變片布置在如所示的10個位置上。

 

吊臂測點分布。2應力實測值與有限元計算值的對比分析由于結構應力試驗所測的是吊臂關鍵位置的拉壓應力f結合ANSYS在實測點計算出的第1主應力S1（*大拉應力）和第3主應力S3（*大壓應力），有限元法計算值與實測值對比見表4.由表4可知，所有測點的有限元應力計算值均小于材料許用應力W，其中*大應力發生在第3工況第9測點，這與真實測試結果芫全吻合，且在該測點處，有限元計算值與實測值的誤差非常小（0.29%）。雖然在某些測點（4號及2號測點）中誤差值有些偏大，這是因為吊臂實際結構復雜，簡化后的三維實體模型與實際模型還存在差別，尤其是基本臂前端下滑快處模型模擬的差別，使得二級臂底板和折板與之相接觸的局部區域應力偏大。且汽車起重機是一種短周期循環工作的機械，這就造成了起重機實際載荷的多變性，而基于軟件模擬的有限元模型無法芫全模擬實際載荷工況，這也會造成有限元計算值與實際測量值之間的誤差增大。

 

綜上分析，基于ANSYS有限元軟件分析結果是合理可靠的。

 

表4有限元計算應力值與實測應力值比較測點工況1工況2工況3實測值有限元計算值誤差/%實測值有限元計算值誤差/%實測值有限元計算值誤差/%4結論利用大型通用有限元分析軟件ANSYS計算某起重機吊臂在3種*危險工況下的應力和變形情況。計算得出，吊臂在3種工況下均滿足強度及剛度要求。比較3種工況下的撓度及應力極值，發現吊臂變幅平面內撓度*大值為93.95mm，發生在工況3；回轉平面內撓度*大值為25.92mm，發生在工況2；吊臂結構*大VonMise等效應力為487MPa，低于材料屈服極限，發生在工況3.*后還對吊臂結構進行應力測試，并將有限元計算值與實測值進行對比，發現ANSYS計算結果還是比較吻合的。這也進一步說明了基于ANSYS軟件建立的有限元模型能夠正確反映該起重機的實際力學特性，計算結果可靠，可用來評價該起重機的力學性能。此外，基于文中分析計算得出的應力應變分布，可以通過改變截面形狀、薄板厚度、前后滑塊間距等方法來優化吊臂結構，為后續工作提供非常有價值的。