基于ANSYS的胎帶機布料臂架金屬結(jié)構(gòu)的有限元分析

嚴(yán)大考，鐘藝謀，，張陽勇

（1．華北水利水電學(xué)院機械學(xué)院，河南鄭州 450045;2．中國水利水電第四工程局有限公司，甘肅臨夏 731600）

胎帶機是一種移動式物料輸送設(shè)備，廣泛應(yīng)用于水電、建筑、礦山等工程領(lǐng)域;主要由布料、上料、上車、輪胎式底盤、液壓及電控等系統(tǒng)組成．布料臂架是胎帶機的關(guān)鍵部件之一，屬典型的大懸臂結(jié)構(gòu)，其設(shè)計合理與否，直接影響胎帶機的安全可靠運行．

ANSYS是現(xiàn)代產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用廣泛的大型通用有限元分析軟件，可對機械產(chǎn)品的金屬結(jié)構(gòu)進行計算分析．筆者基于ANSYS對最大幅度50 m的伸縮式布料臂架金屬結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)的計算分析，并取得了較好的成果．

1 布料臂架的有限元分析模型

1．1 臂架結(jié)構(gòu)組成

胎帶機布料臂架金屬結(jié)構(gòu)主要由基礎(chǔ)臂、中間臂、前臂等組成，如圖1所示．臂架弦桿采用Q390D冷拔無縫等壁厚矩形鋼管，橫豎腹桿用45無縫鋼管，板材用Q345D．

1．2 臂架結(jié)構(gòu)的有限元模型

基于ANSYS軟件平臺，建立布料臂架的有限元計算模型，如圖2所示．其中弦桿、橫豎腹桿采用BEAM188單元，底面斜拉桿采用LINK8單元，板材采用 SHELL63 單元［1］．

布料臂架的邊界條件復(fù)雜［2－3］，模型中約束條件及其伸縮臂架間的耦合形式依據(jù)胎帶機的結(jié)構(gòu)特點、實際工況來確定．進行有限元計算時考慮的載荷有臂架、皮帶、托輥、溜管等自重，物料產(chǎn)生的載荷、風(fēng)載及其他附加載荷等．

1．3 建立臂架模型的關(guān)鍵技術(shù)

在對布料臂架進行有限元計算分析時，既要考慮臂架的俯仰，又要考慮臂架的伸縮，因此涉及的計算工況較多．為便于快速建立各種工況下的有限元模型，提高計算效率和減少重復(fù)建模的工作量，采取如下措施．

1）采用APDL命令流方式，對布料臂架金屬結(jié)構(gòu)的有限元模型進行參數(shù)化建模，達到快速計算和分析不同尺寸的設(shè)計方案，提高設(shè)計效率及質(zhì)量，降低設(shè)計成本等．

2）在對伸縮式布料臂架進行有限元計算分析時，需要考慮不同伸縮長度時的快速建模．采用調(diào)用數(shù)組的方式，將各節(jié)臂與滑道間的對應(yīng)耦合節(jié)點進行編號并存貯于相應(yīng)數(shù)組中，建模時依據(jù)不同伸縮長度進行節(jié)點快速自動耦合，從而實現(xiàn)快速建模．

3）布料臂架在不同的俯仰位置時，由于臂架自重、物料等載荷方向不斷變化，為了實現(xiàn)快速、自動建模，將相關(guān)載荷依據(jù)命令流方式自動加載．

2 典型工況的計算分析

胎帶機布料臂架計算工況較多［4－7］，主要考慮以下3種典型工況：工況1，布料臂架處于水平完全伸出狀態(tài);工況2，布料臂架處于水平狀態(tài)，且從最大幅度縮回，分析伸縮不同長度時，其變形和應(yīng)力情況;工況3，布料臂架處于完全伸出狀態(tài)，考慮臂架俯仰不同角度時，其最大撓度和最大應(yīng)力．

2．1 工況1

作用在臂架上的載荷：前臂端部的集中載荷（溜筒、改向滾筒組及其他附加載荷等），前臂、中間臂、基礎(chǔ)臂自重及其皮帶運輸系統(tǒng)的自重，物料載荷，風(fēng)載荷等．臂架受的載荷、約束等如圖3所示．

圖3 布料臂架的受載及約束簡圖

通過有限元分析計算，如圖4和5所示，該工況布料臂架最大應(yīng)力為 290．60 MPa（［σ390］ =293．23 MPa），最大變形為1 129 mm（［f］ =2 500 mm），滿足強度和剛度要求，最大應(yīng)力發(fā)生在基礎(chǔ)臂的尾部上弦桿處．

布料臂架前臂最大應(yīng)力值為195．64 MPa，出現(xiàn)在與中間臂下滑道接觸的主弦桿位置．中間臂最大應(yīng)力值為235．79 MPa，出現(xiàn)在與基礎(chǔ)臂下滑道接觸的主弦桿位置．

圖4 工況1時布料臂架的應(yīng)力云圖

圖5 工況1時布料臂架的變形云圖

2．2 工況2

由于前臂和中間臂的最大應(yīng)力位置在與滑道接觸的弦桿處，考慮到不同伸縮長度時，滑道與臂架弦桿間的相對位置將發(fā)生變化，有可能造成滑道與臂架弦桿間的應(yīng)力增大現(xiàn)象．因此需計算布料臂架從最大幅度縮回不同長度時，臂架的變形和應(yīng)力情況，見表1．

表1 臂伸縮不同長度時的有限元計算結(jié)果

圖6—9是布料臂架縮回至1 400 mm時應(yīng)力云圖及變形圖．布料臂架縮回至1 400 mm時，臂架最大應(yīng)力282 MPa，出現(xiàn)在基礎(chǔ)臂尾部上弦桿的一側(cè)，如圖9所示;最大變形為1 033 mm，出現(xiàn)在布料臂架頭部，如圖10所示，強度和剛度滿足要求．布料臂架前臂最大應(yīng)力值為220．0 MPa，出現(xiàn)于與中間臂下滑道接觸的主弦桿上，如圖8所示．前臂在縮回過程中，其最大應(yīng)力值有所增大．布料臂架中間臂最大應(yīng)力值為225．5 MPa，出現(xiàn)在與基礎(chǔ)臂下滑道接觸的主弦桿位置，如圖9所示．對比圖9與圖6可知，中間臂在縮回過程中，其最大應(yīng)力值減小了．

為了更加清晰地描述各節(jié)臂在不同縮回行程的最大應(yīng)力變化規(guī)律，特繪制了前臂、中間臂以及基礎(chǔ)臂的最大應(yīng)力變化曲線，如圖10—12所示．

圖10 縮回0～2 000 mm時基礎(chǔ)臂的最大應(yīng)力變化曲線

由圖10—12可知，布料臂架在縮回過程中：

1）基礎(chǔ)臂最大應(yīng)力值呈遞減趨勢，且最大應(yīng)力位于基礎(chǔ)臂的尾部上弦桿處．2）前臂最大應(yīng)力值呈現(xiàn)一定的波動性，且最大應(yīng)力在中間臂下滑道接觸的前臂主弦桿位置．

3）中間臂最大應(yīng)力值呈遞減特性，最大應(yīng)力位于與基礎(chǔ)臂下滑道接觸的中間臂主弦桿位置．

2．3 工況3

作用在臂架上的載荷類型及大小與工況1一致，但需要考慮在不同俯仰角時載荷方向的變化．在計算布料臂架俯仰工況時，分別計算了臂架角度－15°，－10°，－5°，0°，10°，20°，30°7 個位置，計算結(jié)果如圖13和圖14所示．

從圖13和圖14可看出，布料臂架在0°（臂架處于水平狀態(tài)，完全伸出）時，處于整個變幅過程最危險的位置．

通過對布料臂架的有限元計算，得出其在不同俯仰角時變幅油缸需提供的作用力大小，見表2．

表2 俯仰過程中變幅油缸的作用力

3 結(jié)語

通過對胎帶機布料臂架進行了有限元計算分析，得出如下結(jié)果．

1）采用APDL命令流和數(shù)組調(diào)用等方式建立布料臂架金屬結(jié)構(gòu)有限元模型，可快速完成不同尺寸的臂架設(shè)計方案有限元分析計算，計算效率高，成本低，質(zhì)量好等．

2）對布料臂架的金屬結(jié)構(gòu)進行了全面、系統(tǒng)的計算、分析及研究，研究成果對同類產(chǎn)品設(shè)計提供了技術(shù)支持．

3）由變幅油缸的作用力可確定變幅油缸的型號尺寸．

［1］陳志華，劉紅波，周婷，等．空間鋼結(jié)構(gòu)APDL參數(shù)化計算與分析［M］．北京：中國水利水電出版社，2009：31－32．

［2］何育斌．混凝土泵車底盤選型分析［J］．建設(shè)機械技術(shù)與管理，2010（8）：111－113．

［3］吳瀚暉，寧介雄．混凝土泵車布料臂架系統(tǒng)的仿真及參數(shù)化設(shè)計［J］．建設(shè)機械技術(shù)與管理，2006（6）：80－83．

［3］周長江，官鳳嬌，韓旭，等．布料機布料臂架有限元建模與仿真研究［J］．工程機械，2007，38（11）：20 －25．

［4］鄒少俊．浮式起重機金屬結(jié)構(gòu)有限元計算［J］．起重運輸機械，2012（10）：52－55．

［5］裴文華，王曉波，趙霞，等．900 t浮吊整體金屬結(jié)構(gòu)有限元計算分析［J］．湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，27（4）：31－33．

［6］邢海軍，張帆，張建超，等．架橋機金屬結(jié)構(gòu)有限元分析［J］．建筑機械，2006（7）：58 －60．