基于PATRAN的汽車起重機(jī)的轉(zhuǎn)臺有限元分析

王憲雪

【摘 要】本文針對125噸位汽車起重機(jī)的轉(zhuǎn)臺進(jìn)行了受力分析，使用Patran有限元分析軟件對其進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果給出了改進(jìn)轉(zhuǎn)臺的設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】汽車起重機(jī)；轉(zhuǎn)臺；MSC.Patran有限元

轉(zhuǎn)臺作為汽車起重機(jī)的主要三大部件之一，在整個(gè)吊裝作業(yè)中起著極其重要的作用。它主要由幾十塊厚度不同、形狀各異的鋼板、鋼梁等拼焊而成，是一種由左右墻板、左右上蓋板、底板組件以及加強(qiáng)板組成的半封閉式的大箱形薄壁結(jié)構(gòu)。在作業(yè)中，轉(zhuǎn)臺形狀及受力情況復(fù)雜，計(jì)算精度難以保證[1]。傳統(tǒng)方法是將其作為自由支承的懸臂梁運(yùn)用解析法進(jìn)行分析，不但計(jì)算起來十分繁瑣，計(jì)算結(jié)果粗糙，而且耗時(shí)耗力，難以滿足產(chǎn)品更新?lián)Q代的需求[2]。因此在設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)臺時(shí)，只能根據(jù)有經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，往往會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)料的問題。隨著有限元軟件的發(fā)展應(yīng)用，人們總結(jié)研究出了有限元軟件的發(fā)展應(yīng)用以及運(yùn)用有限元軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算的方法，實(shí)踐也證明，此方法能夠真實(shí)地模擬轉(zhuǎn)臺的吊載工況，不但節(jié)省了人力物力，而且計(jì)算精度高，正適用目前高速發(fā)展的產(chǎn)品需求[3]。

1.轉(zhuǎn)臺三維模型的建立

本文采用強(qiáng)大的三維建模軟件Pro/E進(jìn)行三維模型的建立，由于125噸汽車起重機(jī)屬于較大型的汽車起重機(jī)，故采用可拆卸式副卷揚(yáng)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)分析時(shí)值針對主卷揚(yáng)及轉(zhuǎn)臺焊接主體進(jìn)行分析。

2.轉(zhuǎn)臺有限元分析

2.1 MSC.Patran有限元軟件

F1：下鉸點(diǎn)力；F2：尾鉸點(diǎn)力；F3：

卷揚(yáng)拉力；F4：推力油缸拉力；F5：配重力

圖1 轉(zhuǎn)臺受力圖

MSC.Patran是一個(gè)集成的并行框架式有限元前后處理及分析仿真系統(tǒng)。MSC.Patran最早由美國宇航局（NASA）倡導(dǎo)開發(fā)，是工業(yè)領(lǐng)域最著名的并行框架式有限元前后處理機(jī)分析系統(tǒng)，其開放式、多功能的體系結(jié)構(gòu)可將工程設(shè)計(jì)、工程分析、結(jié)果評估、用戶化設(shè)計(jì)和交互圖形界面集于一身，構(gòu)成一個(gè)完整的CAE集成環(huán)境[4、5]。

轉(zhuǎn)臺受力分析見圖1：下鉸點(diǎn)力F1由變幅油缸施加在轉(zhuǎn)臺焊接體上，方向朝后下方；尾鉸點(diǎn)力F2由起重臂產(chǎn)生，方向朝前上方；卷揚(yáng)箱處由于受到鋼絲繩的拉力，故產(chǎn)生力F3，方向與尾鉸點(diǎn)力方向相同；該轉(zhuǎn)臺由于采用了滑移配重，配重的滑移由主卷揚(yáng)箱兩側(cè)的推力油缸產(chǎn)生F4，方向朝向后方；當(dāng)掛上配重后，配重對轉(zhuǎn)臺焊接體施加豎直向下的配重力F5。

2.2 轉(zhuǎn)臺的物理模型

圖2 轉(zhuǎn)臺有限元模型

一般來講，有限元軟件的建模功能相對薄弱，所以本文采用強(qiáng)大的三維建模軟件Proe進(jìn)行模型的建立，選擇MSC.Patran進(jìn)行有限元分析。MSC.Patran是一個(gè)集成的并行框架式有限元前后處理及分析仿真系統(tǒng)，可直接從CAD/CAM系統(tǒng)中獲取幾何模型，甚至參數(shù)和特征，分析精確度高，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果更為相近，可指導(dǎo)實(shí)物的改進(jìn)。由于MSC.Patran的面模分析功能強(qiáng)大，故以Proe建立的三維模型為基礎(chǔ)，采用solidworks進(jìn)行模型面模的建立。對受力較大的部位進(jìn)行局部加強(qiáng)。對受力較小的部位進(jìn)行開孔減重處理，并對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，建?；咀裱韵聨讞l原則：

（1）由三維模型建立面模的原則是：以板厚的中間平面為面模的位置平面；

（2）由于轉(zhuǎn)臺的大多數(shù)板結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，所以可采用智能劃分法進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，單元采用殼單元；

（3）變幅油缸下鉸點(diǎn)、起重臂尾鉸點(diǎn)、卷揚(yáng)、配重鉸點(diǎn)及推力油缸處均采用RBE2的MPC，轉(zhuǎn)臺底板與回轉(zhuǎn)支承的連接孔處采用RBE2形式的MPC。

（4）不影響受力的工藝孔、倒圓角、倒角等特征對計(jì)算結(jié)果很小，在建立面模時(shí)可不予考慮；

（5）轉(zhuǎn)臺座圈與底板連接以螺栓連接，應(yīng)在螺栓孔處建立剛性區(qū)域，施加的力或約束應(yīng)施加在相應(yīng)孔剛性區(qū)域的中心位置處。

有限元模型見圖2。

2.3 邊界約束條件及載荷

根據(jù)起重機(jī)的工作狀態(tài)，可知：轉(zhuǎn)臺與回轉(zhuǎn)支承連接的剛性區(qū)域處，應(yīng)施加6個(gè)方向的全約束，轉(zhuǎn)臺受的五種力可通過集中載荷的形式實(shí)現(xiàn)。

2.4 材料屬性

根據(jù)整車的吊載性能，預(yù)選轉(zhuǎn)臺鋼板的材料為HG785，其屈服應(yīng)力為；許用應(yīng)力。

2.5 計(jì)算工況

以轉(zhuǎn)臺工作的4種最惡劣工況進(jìn)行分析：

工況1（全配重最大起重量工況）：額定載荷+側(cè)向載荷+全配重40T，工作幅度3m，吊重125T；

工況2（全配重最大起重力矩工況）：額定載荷+側(cè)向載荷+全配重40T，工作幅度6m，吊重86T；

工況3（全配重最大起重力矩工況）：1.25超載+全配重40T，工作幅度6m，吊重107.5；

工況4（零配重最大起重力矩工況）：1.25超載+0配重，工作幅度5m，吊重102.5；

方向的規(guī)定：回轉(zhuǎn)支承中心軸與車架座圈上表面的交點(diǎn)定位原點(diǎn)，以整車車長方向?yàn)閤方向，中回至車頭方向?yàn)閤軸正方向；中回至右機(jī)棚方向?yàn)閥軸正方向；中回至車架上方為z軸正方向。

鉸點(diǎn)力 工況一 工況二 工況三 工況四

F1水平 141047 708492 870355 531537

F1垂直 -2294722 -2235946 -2746772 23934

F2水平 -141047 -708492 -870355 -531537

F2垂直 85423 1226654 1526780 1222892

F3水平 28890 14400 15850 10650

F3垂直 109001 98553 109967 116894

F4 320000 320000 320000 320000

F5 -372400 -372400 -372400 -372400

2.6 計(jì)算結(jié)果分析

工況一的應(yīng)力最大區(qū)域位于推力油缸支座處，最大為447MPa；掛配重的四個(gè)三角板與卷揚(yáng)后立板的交界處，應(yīng)力較大，為420MPa；變幅鉸點(diǎn)處得應(yīng)力也在400MPa以上，為435MPa。

工況二的應(yīng)力最大區(qū)域也是推力油缸支座處，最大為450MPa；掛配重的四個(gè)三角板與卷揚(yáng)后立板的交界處，應(yīng)力也較大，為420MPa（因?yàn)榫侨渲?，故此處力與工況一相同）；變幅鉸點(diǎn)處得應(yīng)力也在400MPa以上，為441MPa。其余應(yīng)力均低于400MPa。工況二的位移最大值也出現(xiàn)在轉(zhuǎn)臺尾部掛配重處，由于受側(cè)向載荷的影響，最大位移出現(xiàn)在右后部，位移為15.4mm。

工況三的應(yīng)力最大區(qū)域出現(xiàn)在變幅油缸鉸點(diǎn)處，最大為491MPa；掛配重的四個(gè)三角板與卷揚(yáng)后立板的交界處，應(yīng)力也較大，為420MPa（因?yàn)榫侨渲?，故此處力與工況一相同）。最大應(yīng)力值超過應(yīng)力允許值，對變幅鉸點(diǎn)處采用三角加強(qiáng)板進(jìn)行加強(qiáng)，應(yīng)力明顯下降，低于460MPa。工況三的位移最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)臺尾部掛配重處，由于受到側(cè)向載荷的影響，最大位移出現(xiàn)在右后部，位移為12.4mm。

工況四的應(yīng)力最大區(qū)域出現(xiàn)在變幅油缸鉸點(diǎn)處，最大應(yīng)力為468MPa；由于是零配重超載工況，所以轉(zhuǎn)臺變幅鉸點(diǎn)附近，左右大立板前部均出現(xiàn)應(yīng)力較大區(qū)域，在300MPa以上，但低于400MPa。分析變幅鉸點(diǎn)處468應(yīng)力處，只有一個(gè)單元，故可把此處看成是應(yīng)力集中，應(yīng)力集中點(diǎn)的應(yīng)力滿足小于560MPa即可。工況四的位移最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)臺尾部掛配重處，由于受到側(cè)向載荷的影響，最大位移出現(xiàn)在右后部，位移為21.5mm。

由分析結(jié)果可知，除部分應(yīng)力集中處外，大部分區(qū)域應(yīng)力都控制在材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)，而且應(yīng)力集中處的應(yīng)力值均在屈服應(yīng)力范圍內(nèi)，符合強(qiáng)度要求。

3.結(jié)論

轉(zhuǎn)臺作為起重機(jī)的重要三大結(jié)構(gòu)件之一，其結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣將直接影響整機(jī)的吊載性能，采用MSC.Patran對轉(zhuǎn)臺進(jìn)行有限元分析，可在第一時(shí)間內(nèi)得到轉(zhuǎn)臺的受力變化，從而以此為依據(jù)，對轉(zhuǎn)臺進(jìn)行局部加強(qiáng)，起到節(jié)約設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間的目的。對應(yīng)力大的地方，如變幅鉸點(diǎn)、推力油缸支座、配重支架處采用加強(qiáng)板加強(qiáng)，對應(yīng)力較小的地方，如立板中間位置，開減重孔，起到在不影響性能的前提下，使轉(zhuǎn)臺輕量化。實(shí)踐證明，此方法切實(shí)可行。

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