32T隨車起重機(jī)吊臂有限元分析及優(yōu)化*

曹文鋼，黃 飛，展 亮

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

0 引言

隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，起重機(jī)已經(jīng)慢慢替代人工起重，人們對(duì)起重機(jī)的依賴成度也越來(lái)越高。吊臂是起重機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，是外載荷承擔(dān)者，因此吊臂的結(jié)構(gòu)必須經(jīng)過(guò)反反復(fù)復(fù)的設(shè)計(jì)以趨于合理［1］。

隨著汽車起重機(jī)的不斷發(fā)展，汽車起重機(jī)吊臂的截面也在不斷的變化，從箱形截面到六邊形、橢圓形截面，而橢圓形截面由于生產(chǎn)技術(shù)過(guò)于困難，沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。筆者以32T隨車起重機(jī)研究對(duì)象，其吊臂為六邊形截面。

早期汽車起重機(jī)吊臂的設(shè)計(jì)只局限于人工計(jì)算，按照經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行分析，尤其對(duì)吊臂的應(yīng)變分析，計(jì)算難度大且精度較低。有限元軟件的出現(xiàn)，給吊臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的便利，提高了設(shè)計(jì)水平、效率和精度，降低了設(shè)計(jì)難度［2］。

1 有限元分析

1.1 分析前處理

筆者以吊臂整體進(jìn)行分析，吊臂的整體零件多達(dá)300個(gè)，必須將與計(jì)算無(wú)關(guān)或關(guān)系微小的液壓部分及其他部分刪除，將原有的例角、圓角還原，以簡(jiǎn)便計(jì)算。簡(jiǎn)化后的模型仍有200個(gè)零件，在考慮到約束方面，Workbench對(duì)于接觸連接默認(rèn)為剛性連接，即無(wú)須對(duì)每個(gè)零件之間添加約束的優(yōu)勢(shì)情況下，使用Workbench分析平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算。且Workbench含有建模的功能，還提供了很多自動(dòng)化模塊和較強(qiáng)的適用能力，一些新增工具可以自動(dòng)檢測(cè)并處理常見(jiàn)問(wèn)題，如小邊、碎面、孔洞、裂痕以及尖角面等［5］，特別是模型參數(shù)化讓吊臂的優(yōu)化的方法和過(guò)程變的簡(jiǎn)單、易理解，操作過(guò)程更為簡(jiǎn)明。

由于整個(gè)吊臂零件多達(dá)200個(gè)，應(yīng)用一般網(wǎng)格方式得到的節(jié)點(diǎn)單元較多，計(jì)算量過(guò)大，且吊臂結(jié)構(gòu)多以板為主，可以用中面抽取結(jié)合自動(dòng)網(wǎng)格劃分方式，得到83394個(gè)節(jié)點(diǎn)，61835個(gè)單元。

隨車起重機(jī)只有最危險(xiǎn)工況滿足要求才能保證所有工況達(dá)到要求，其最危險(xiǎn)工況是吊臂處于水平且伸長(zhǎng)到最端位置，故選擇該工況進(jìn)行有限元分析。起重機(jī)起升額定載荷Q=30 380 kg，按經(jīng)驗(yàn)公式將吊臂自重1/3折算到吊臂端部，得出總載荷Q'=38 921 N，添加在最前端。

1.2 強(qiáng)度分析

吊臂有限元應(yīng)力分布見(jiàn)圖1，其最大值為281.6 MPa，整體應(yīng)力處為40 MPa，基本臂重疊處為160 MPa左右，都滿足要求，只有部分單點(diǎn)引起了應(yīng)力集中，出現(xiàn)極大應(yīng)力值［3］，且最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力324.0 MPa，所以整個(gè)吊臂的強(qiáng)度滿足要求。

圖1 吊臂有限元應(yīng)力分布圖

1.3 剛度分析

吊臂有限元位移分布見(jiàn)圖2，各個(gè)截面位移最大為16.87 mm，實(shí)際位移不可避免，且比計(jì)算值大一些，因?yàn)樵谠撚?jì)算模型里，吊臂與回轉(zhuǎn)臺(tái)是直接相連的，回轉(zhuǎn)臺(tái)受力要產(chǎn)生形變，支承裝置本身也會(huì)發(fā)生形變，此結(jié)果是吊臂本身受外力產(chǎn)生的位移，而此位移小于吊臂許用位移量，固具有足夠的剛度。

圖2 吊臂有限元位移分布圖

2 吊臂的優(yōu)化

優(yōu)化設(shè)計(jì)是Workbench基本功能之一，其算法及操作方式簡(jiǎn)單、優(yōu)化效率高、自動(dòng)化功能齊全等特點(diǎn)。其過(guò)程依次為:參數(shù)化建模，首次靜力分析，導(dǎo)入設(shè)計(jì)變量再分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度、剛度校核，得出最終結(jié)果。優(yōu)化包含設(shè)計(jì)變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)三種參數(shù)。

2.1 設(shè)計(jì)變量

設(shè)計(jì)變量有一定的范圍，優(yōu)化就是分析范圍內(nèi)的各個(gè)參數(shù)排列組合得到的結(jié)果。筆者選取一節(jié)簡(jiǎn)化吊臂結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，且將腹板與加強(qiáng)板合成一板，腹板與加強(qiáng)板合成后重新定義為上下壁，以吊起物體時(shí)為上下。原始尺寸為:下臂P3=16 mm，上臂P4=11 mm其形狀如圖3所示。

2.2 約束條件和目標(biāo)函數(shù)

截面尺寸改變影響著截面積，從而整個(gè)臂的質(zhì)量也是變化的，選取質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)P5，且此函數(shù)最為重要;同時(shí)臂架受載荷的情況下會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，結(jié)構(gòu)沒(méi)有應(yīng)力集中情況，其最大應(yīng)力具有參考意義，可以用來(lái)評(píng)估臂架整體應(yīng)力情況，隨著截面尺寸的變化，得到的Equivalent Stress Maximum的值也會(huì)發(fā)生變化，筆者選取這個(gè)值為約束條件P7;另外優(yōu)化對(duì)整個(gè)位移的變化也有很大影響，選取Total Deformation Maximum為約束條件P6。

圖3 吊臂截面圖

2.3 優(yōu)化

根據(jù)設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)，系統(tǒng)排列組合了10個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)，設(shè)計(jì)變量的范圍為:14≤P3≤18，9.5≤P4≤12.5及計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 優(yōu)化分析結(jié)果圖

以質(zhì)量為第一準(zhǔn)則，在滿足吊臂結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的前提下，得出第6組最為合理，優(yōu)化前后對(duì)比如表1所列。

表1 優(yōu)化對(duì)比表

通過(guò)分析，優(yōu)化后最大應(yīng)力值沒(méi)有超出材料的許用應(yīng)力范圍，且有所減小;最大位移有所提高，但滿足剛度要求;基本臂的質(zhì)量約為242.74 kg，質(zhì)量減輕百分比約為5.802%，截面尺寸經(jīng)過(guò)優(yōu)化的吊臂質(zhì)量減少，節(jié)約了材料和成本，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較安全。

整個(gè)吊臂較大應(yīng)力集中在基本臂重疊附近，根據(jù)工程實(shí)際可在應(yīng)力集中位置，采取焊接加強(qiáng)板等方法來(lái)提高吊臂結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。由于在分析前處理時(shí)將加強(qiáng)板等零件進(jìn)行了簡(jiǎn)化和刪除，因此優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)略有偏高，最終結(jié)果需在實(shí)際中驗(yàn)證。

4 結(jié)論

運(yùn)用ANSYS Workbench軟件對(duì)整個(gè)吊臂進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，通過(guò)對(duì)結(jié)果分析，判斷出起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合要求。并在靜力分析的基礎(chǔ)上，對(duì)吊臂的截面進(jìn)行了尺寸優(yōu)化，得到滿足要求的最佳方案，使吊臂質(zhì)量減少了約5.802%，降低了生產(chǎn)成本，使吊臂結(jié)構(gòu)更趨于合理。

由于實(shí)驗(yàn)條件不足，本文內(nèi)容只局限于有限元分析，其結(jié)果沒(méi)有通過(guò)實(shí)驗(yàn)判斷其合理性，缺乏有力的實(shí)驗(yàn)依據(jù);分析前處理中簡(jiǎn)化了模型，特別是液壓部分的刪除對(duì)分析結(jié)果造成的偏差無(wú)法計(jì)算，精確度比計(jì)算值偏低;加載時(shí)候?qū)⒛Ｐ驮O(shè)定在無(wú)風(fēng)、無(wú)塵等理想的環(huán)境中，仍需實(shí)踐來(lái)證明。

［1］ 王 瑄，李宏光，趙 航.現(xiàn)代汽車安全［M］.北京:人民交通出版社，1997.

［2］ 楊 晶，李衛(wèi)民.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):196－197，201.

［3］ 趙家黎，薛 盼.汽車起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［D］.蘭州:蘭州理工大學(xué)，2011.

［4］ GB/T3811－2008.起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.2008.

［5］ 浦廣益.ANSYS Workbench基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解［M］.第二版.北京:中國(guó)水利水電出版社，2013.

［6］ 朱學(xué)敏.起重機(jī)械［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.