基于ANSYSWorkbench的簡(jiǎn)式汽車起重機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王佳怡， 廉哲滿

（延邊大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)科，吉林 延吉133002）

1 引 言

汽車起重機(jī)就是將起重作業(yè)部分安裝在通用或?qū)Ｓ闷嚨妆P(pán)上的起重機(jī)，并具有載重汽車的行駛性能。汽車起重機(jī)由于具有動(dòng)作靈活、集成化程度高、功率大、穩(wěn)定性好、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛受到各工程的青睞，在現(xiàn)代化生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用得越來(lái)越廣。汽車起重機(jī)主要由起升、變幅、回轉(zhuǎn)、起重臂和汽車底盤(pán)組成［1］。為保證安全，汽車起重機(jī)往往采用加大安全系數(shù)的方法，使吊臂粗大笨重。因此，減輕起重機(jī)自重，對(duì)提高整機(jī)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)有重要意義。本文將針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行具體分析，提出改進(jìn)方案，并完成了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 建立汽車起重機(jī)的三維模型

2.1 總體方案的確定

小型汽車起重機(jī)底盤(pán)的選擇是根據(jù)汽車起重機(jī)總重量約為120%到140%的起重量來(lái)選擇，即將汽車滿載后的總重量乘上0.70～0.83 得到的數(shù)值為改裝后的起重機(jī)最大額定起重量［2］。支架選擇為蛙式支腿。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、液壓缸數(shù)量少（一條腿一個(gè)液壓缸）、且重量輕，較適用于小型起重機(jī)。汽車起重機(jī)整體重量約為700kg，其中心距離在3.1～3.5m 范圍內(nèi)變化。本汽車起重機(jī)的吊臂頂部配有裝載箱，與其他汽車起重機(jī)的吊具裝置（(吊鉤、吊環(huán)等）有所不同。本汽車起重機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，底座部分的起重操縱按鈕裝置，替代了以往的獨(dú)立起重操縱室。

2.2 主要技術(shù)性能參數(shù)

汽車起重機(jī)的主要技術(shù)性能參數(shù)如表1 所示，是起重機(jī)工作性能指標(biāo)，也是最終檢驗(yàn)研究方案是否可行的主要參照依據(jù)，包括起重量、工作幅度、起重力矩、起升高度、工作速度、自重、通過(guò)性能等。

表1 技術(shù)性能參數(shù)

2.3 基于Pro/E 三維模型的建立

汽車起重機(jī)的總裝圖如圖1所示，是由起重機(jī)支架、底座、起重機(jī)旋轉(zhuǎn)支撐裝置、起重機(jī)柱、起重機(jī)吊臂等組成。汽車起重機(jī)作業(yè)時(shí)，起重機(jī)支架用來(lái)將整個(gè)車體升起脫離地面，完全由支腿支承車身水平，以提高作業(yè)時(shí)的抗傾覆能力。起重機(jī)底座是汽車起重機(jī)的重要組成部分，起重機(jī)底座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度將直接影響著整個(gè)起重機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。起重機(jī)旋轉(zhuǎn)支撐裝置是將起重機(jī)的回轉(zhuǎn)部分支撐在固定部分上，電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)減速器帶動(dòng)最后一級(jí)小齒輪與裝在起重機(jī)固定部分上的大齒圈相嚙合，以實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的回轉(zhuǎn)。起重機(jī)柱的下端與旋轉(zhuǎn)支撐裝置相連接，上端與起重機(jī)吊臂相連接且成一定角度，可通過(guò)調(diào)整其角度大小來(lái)實(shí)現(xiàn)吊臂的起升。起重機(jī)吊臂分為三節(jié)，它承受著起重機(jī)的各種外載荷，且耗鋼量大，占總機(jī)重量的20%［3］。

圖1 起重機(jī)總裝圖

3 汽車起重機(jī)有限元分析

3.1 三維模型的導(dǎo)入

建立準(zhǔn)確、可靠的計(jì)算模型是應(yīng)用有限元方法進(jìn)行汽車起重機(jī)有限元分析的重要步驟之一。ANSYS Workbench的CAD/CAE 協(xié)同環(huán)境能直接讀入各種CAD 軟件的零件模型，并在其統(tǒng)一環(huán)境中實(shí)現(xiàn)任意模型的裝配和CAE 分析，通過(guò)連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)與CAD 軟件之間的共享。其優(yōu)點(diǎn)是任何CAD 和CAE 人員對(duì)設(shè)計(jì)的改變都立即反映到對(duì)方軟件環(huán)境中，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與仿真的同步協(xié)同。本研究采用目前專業(yè)的三維繪圖軟件Pro/E 建立汽車起重機(jī)模型，并且在Pro/E 中對(duì)汽車起重機(jī)進(jìn)行了裝配（如圖1），并存儲(chǔ)為.x_t 格式直接導(dǎo)入到ANSYS Workbench 中，提高了建模的效率，為有限元分析做準(zhǔn)備。

3.2 有限元分析

（1）定義汽車起重機(jī)各個(gè)部分的材料屬性。起重機(jī)的吊臂采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q690D 制造，密度為7.58g/mm3，彈性模量（楊氏模量）為200GPa，泊松比為0.29，屈服強(qiáng)度為700MPa；起重機(jī)柱及底座材料為Q345B 制造，屈服強(qiáng)度為440MPa。

（2）對(duì)汽車起重機(jī)的整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。ANSYS Workbench 可以對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行自動(dòng)劃分，但是為了取得較好的結(jié)果，需要對(duì)部分網(wǎng)格手動(dòng)修改。將汽車起重機(jī)分為307，027 個(gè)單元和762，002 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

（3）施加約束條件。將支架與汽車起重機(jī)底座設(shè)為固定約束，在起重機(jī)裝載箱的上部給予垂直向下的壓力3.5kN，并對(duì)起重機(jī)的總體及局部的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行分析計(jì)算。

（4）得到分析結(jié)果。汽車起重機(jī)柱部分承受的最大應(yīng)力約為284MPa，底座部分承受最大應(yīng)力約為169MPa，如圖2、3 所示。

圖2 起重機(jī)柱應(yīng)力分布情況

圖3 起重機(jī)底座應(yīng)力分布情況

4 主要部件結(jié)構(gòu)改進(jìn)

本文通過(guò)ANSYS Workbench 中Shape Finder 模塊對(duì)研究對(duì)象的形狀進(jìn)行優(yōu)化分析。在Shape Finder 模塊中，為保證所研究對(duì)象的總體結(jié)構(gòu)不變，使體積最小化，盡可能地尋找對(duì)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不產(chǎn)生負(fù)面影響的可去除面積［4］。本文擬定縮減的目標(biāo)為原重量的40%。

根據(jù)分析得到的數(shù)據(jù)，對(duì)汽車起重機(jī)柱和底座提出了如下改進(jìn)方案：（1）對(duì)起重機(jī)柱和起重機(jī)底座局部進(jìn)行去除部分材料的特殊加工。（2）改變起重機(jī)柱豎直的兩塊鋼板厚度，由原來(lái)的6mm 縮減至4.5mm。

圖4、5 所示為優(yōu)化設(shè)計(jì)后的應(yīng)力分布情況。起重機(jī)柱由原來(lái)所承受的最大應(yīng)力284MPa 變?yōu)?80MPa，基本沒(méi)有發(fā)生變化，雖然底座由原來(lái)的169MPa 增長(zhǎng)至207MPa，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Q345B 結(jié)構(gòu)鋼的最大屈服強(qiáng)度440MPa，完全符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 起重機(jī)柱優(yōu)化設(shè)計(jì)后應(yīng)力分布情況

圖5 起重機(jī)底座優(yōu)化設(shè)計(jì)后應(yīng)力分布情況

5 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)簡(jiǎn)式起重機(jī)的參數(shù)，利用Pro/E 軟件建立了汽車起重機(jī)的三維模型，并成功地導(dǎo)入到ANSYS Workbench 軟件中進(jìn)行了有限元分析。利用Shape Finder模塊確立了改進(jìn)方案，使汽車起重機(jī)輕量化，達(dá)到了預(yù)期成果。

通過(guò)對(duì)汽車起重機(jī)柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在同等載荷作用下所承受的應(yīng)力未發(fā)生改變，且起重機(jī)柱重量由原來(lái)的85.58kg 減輕了28.96kg（約33.8%）。通過(guò)對(duì)汽車起重機(jī)底座的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在同等載荷作用下，起重機(jī)底座由60.03kg 減輕了34.31kg（約57.1%），雖然所受應(yīng)力有些增加但完全符合設(shè)計(jì)要求。

［1］ 楊晶，李衛(wèi)民，劉玉浩.汽車起重機(jī)吊臂的有限元分析［J］.遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，27（3）：195-197.

［2］ 徐斌.QY25 型汽車起重機(jī)設(shè)計(jì)［D］.大連：大連理工大學(xué)，2003.

［3］ 郭克希，李國(guó)志.汽車起重機(jī)吊臂參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)研發(fā)［J］.工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2010（6）：80-84.

［4］ 張功學(xué)，田楊.基于ANSYS Workbench 的變速自行車車架的有限元分析［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2009，28（6）：63-65.