工程機械伸縮臂接觸應(yīng)力高效有限元分析

王艷輝，崔　哲，董立娟，冀浩杰，姜文光

(1.徐工隨車起重機有限公司，江蘇 徐州　221004；2.燕山大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 秦皇島　066004)

工程機械伸縮臂接觸應(yīng)力高效有限元分析

王艷輝1，崔哲2，董立娟2，冀浩杰2，姜文光2

(1.徐工隨車起重機有限公司，江蘇 徐州221004；2.燕山大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 秦皇島066004)

摘要：工程機械中存在大量的滑動伸縮機構(gòu)接觸問題，對此類問題進行分析的最有效方法是有限元法，但是對于大型復(fù)雜機械進行整機分析時面臨著計算耗時過長和計算不易收斂等問題，為提高分析效率，采取先整體后局部的兩步分析法，即從整體粗網(wǎng)格模型分析結(jié)果提取局部子模型位移邊界條件，然后將其施加到細網(wǎng)格局部子模型上來分析詳細局部接觸部位應(yīng)力的求解策略.以某一實際設(shè)計的高空作業(yè)車伸縮臂間滑動接觸結(jié)構(gòu)分析為例實施了兩步法分析過程，在獲得相近局部分析精度的條件下，采用整體-局部兩步分析法比用細網(wǎng)格整體模型求解顯著提高求解效率.

關(guān)鍵詞：伸縮臂；有限元分析；整體-局部分析法；接觸應(yīng)力

滑移伸縮臂體結(jié)構(gòu)是工程機械設(shè)備中常用的機構(gòu)之一，其結(jié)構(gòu)中存在復(fù)雜的接觸問題，由于接觸區(qū)域各構(gòu)件的幾何形狀及和局部受力都很復(fù)雜，接觸狀態(tài)還受中間滑塊的材料、尺寸、數(shù)量、布置、安裝間隙等諸多因素的影響，因此用傳統(tǒng)解析法獲得此部位局部接觸應(yīng)力的準(zhǔn)確分布是非常困難的，通常都是采用數(shù)值模擬的辦法來進行求解[1]，有限元法是最常用的有效求解復(fù)雜接觸問題的數(shù)值分析計算方法.

在工程機械設(shè)計中，經(jīng)常需要對一些尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)件進行強度和剛度方面的分析校核，這些結(jié)構(gòu)件中的接觸問題是普遍存在的，為了得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果，需要加大有限元網(wǎng)格密度[2-4].如此，模型單元和節(jié)點數(shù)量巨大，加之接觸問題的高度非線性，導(dǎo)致計算耗時長，計算收斂困難，對于大型機械設(shè)備整機分析更是難上加難[5-6].為了提高計算效率本文嘗試采取整體-局部兩步分析法(也叫子模型法)，即先進行粗網(wǎng)格整機有限元分析，分析結(jié)果為局部接觸部位子模型提供邊界條件，然后用加密網(wǎng)格對局部子模型進行精確分析來得到詳細局部接觸部位應(yīng)力及變形結(jié)果的求解策略.本文用子模型法對某高空作業(yè)車伸縮臂結(jié)構(gòu)進行了強度分析，并且討論了滑塊材料的選擇對臂體應(yīng)力的影響.

1伸縮臂結(jié)構(gòu)

圖1　伸縮式高空作業(yè)車結(jié)構(gòu)示意圖

伸縮臂體是高空作業(yè)車的主要受力構(gòu)件，其設(shè)計的好壞直接影響作業(yè)的安全可靠性.本次研究的某高空作業(yè)車結(jié)構(gòu)形式為典型的伸縮式(圖1)，其臂體由基本臂和三節(jié)伸縮臂組成.臂體采用箱型結(jié)構(gòu)，截面形狀為六邊形.

各節(jié)伸縮臂之間可以相對滑動，靠它們之間搭接的滑塊來導(dǎo)向和傳遞作用力.伸縮臂臂尾裝有上滑塊、側(cè)滑塊和斜滑塊，臂頭裝有上滑塊、側(cè)滑塊、斜滑塊和下滑塊.單節(jié)伸縮臂橫截面示意圖如圖2所示.臂體整體結(jié)構(gòu)橫截面示意圖如圖3所示.

圖2　單節(jié)臂體橫截面示意圖

圖3　臂體整體結(jié)構(gòu)橫截面示意圖

2整體模型分析

為了能真實的反應(yīng)臂體工作時的受力狀態(tài)，本文選取了轉(zhuǎn)臺、臂體、工平臺三部分結(jié)構(gòu)作為整體進行計算.

2.1　有限元模型建立

利用ANSYS有限元分析軟件中提供的APDL參數(shù)化建模語言，建立了某高空作業(yè)車上車結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元模型.高空作業(yè)車結(jié)構(gòu)件主要由鋼板折彎焊接而成，且?guī)缀文Ｐ捅容^復(fù)雜，故選擇二次實體單元solid186建立結(jié)構(gòu)件有限元模型.選擇二次單元可以在計算精度許可范圍內(nèi)盡量將模型稀疏化，降低模型自由度，提高計算效率.

Link8單元是有著廣泛工程應(yīng)用的桿單元，它可以用來模擬：桁架、纜索、連桿、彈簧等.本文將利用Link8單元模擬臂體伸縮鏈條和液壓油缸.通過在臂體和滑塊接觸面之間設(shè)定接觸單元來模擬臂體和滑塊之間的滑動接觸行為，由目標(biāo)單元和接觸單元的定義原則，將臂體定為標(biāo)面，單元采用targe170，將滑塊定為接觸面，單元采用conta174.臂體和滑塊材料都為合金鋼.

所建立的高空作業(yè)車上車有限元模型如圖4所示，其中圖4(a)為整體有限元網(wǎng)格細化模型，其能較準(zhǔn)確的計算臂體接觸區(qū)域應(yīng)力分布，但是計算耗時非常長，如果接觸計算的參數(shù)設(shè)置不當(dāng)計算還經(jīng)常出現(xiàn)不收斂的現(xiàn)象；圖4(b)為整體粗網(wǎng)格模型，其能快速完成計算，為后續(xù)子模型計算提供邊界條件.采用穿軸法來模擬鉸接軸，避免了計算銷軸處接觸問題，節(jié)省了計算機資源，提高了計算效率[7-9].

圖4　高空作業(yè)車上車有限元模型

2.2　載荷及約束

1)上車模型所受載荷的處理

上車自重：直接給出各部件所用材料的密度和重力加速度，軟件會根據(jù)所建模型的尺寸自動進行計算，自重作為慣性載荷施加.

工作平臺的外載：工作平臺的最大載荷325 kg，均布到工作平臺底面，方向為豎直向下.

2)約束條件的處理

圖5　上車整體分析加載及約束示意圖

2.3　分析結(jié)果

上車整體結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格細化模型計算所得伸縮臂應(yīng)力云圖如圖6.

圖6　伸縮臂等效應(yīng)力分布云圖

各節(jié)伸縮臂等效應(yīng)力最大值都出現(xiàn)在臂體與滑塊接觸處，這是因為此處臂體受到彎曲應(yīng)力和局部接觸應(yīng)力的聯(lián)合作用，所以臂體與滑塊接觸部位應(yīng)力值較高.由于滑塊附近臂體受力較復(fù)雜，要對其進行較準(zhǔn)確的計算，臂體與滑塊接觸部位就需要較大的網(wǎng)格密度，這樣進行整機計算時計算量將會非常大，對后續(xù)相關(guān)分析計算帶來不便.

3滑動連接接觸區(qū)域子模型分析

為了能提高計算效率，順利進行后續(xù)相關(guān)計算，本文提出了利用子模型法對滑動連接接觸區(qū)域進行計算.在進行子模型分析之前首先建立整機粗網(wǎng)格有限元模型，如圖4(b)所示，并對其進行分析計算.然后建立臂體搭接處的子模型，其網(wǎng)格密度與圖4(a)中整機模型網(wǎng)格密度保持相同，提取整機粗網(wǎng)格模型切割邊界的節(jié)點位移作為子模型的邊界條件，對子模型進行計算并將計算結(jié)果與2.3中整機有限元網(wǎng)格細化模型計算結(jié)果進行比較.

臂體搭接處子模型有限元模型如圖7所示，通過子模型法計算得到臂體與滑塊接觸附近等效應(yīng)力分布如圖8所示.

圖7　臂體搭接處子模型圖

圖8　子模型法計算臂體應(yīng)力云圖

由子模型計算結(jié)果與整體網(wǎng)格細化模型計算結(jié)果比較可知，一伸臂與基本臂滑塊接觸附近最大應(yīng)力值在整體網(wǎng)格細化模型中計算值為320.3 MPa，在子模型中計算值為318.6 MPa，兩者相差0.53%，其余兩節(jié)臂計算誤差也在1%以內(nèi).這表明采用子模型法計算臂體滑塊接觸附近的應(yīng)力分布是可行的，并且可以大大提高計算效率.

4滑塊材料選擇分析

滑塊為臂體結(jié)構(gòu)的重要組成部件，其材料屬性對臂體的受力行為有很大影響.本文分別選取合金鋼、銅合金、尼龍3種不同材料進行分析計算，比較不同滑塊材料對臂體受力行為的影響.滑塊材料屬性如表1所示.

表1　滑塊材料屬性列表

應(yīng)用子模型法計算滑塊取不同材料時各節(jié)臂最大等效應(yīng)力如表2所示.

表2　滑塊為不同材料時各節(jié)臂最大等效應(yīng)力列表　MPa

5結(jié)論

1)利用子模型法計算了某高空作業(yè)車臂體滑塊接觸附近應(yīng)力分布，整體粗網(wǎng)格模型計算時間與三個子模型計算時間總和僅為整體網(wǎng)格細化模型計算時間的10%左右，大大提高了計算效率，同時保證了計算精度，與整體網(wǎng)格細化模型計算結(jié)果相比相對計算誤差在1%以內(nèi).

2)利用所開發(fā)的模型分析了臂體間滑塊材料對臂體應(yīng)力的影響，其中滑塊為尼龍時臂體應(yīng)力值最大，為合金鋼時次之，為銅合金時最小.在實際結(jié)構(gòu)中采用銅合金滑塊來降低臂體應(yīng)力水平.

3)本文所開發(fā)的整體-局部伸縮臂分析有限元分析模型已經(jīng)實現(xiàn)了全面參數(shù)化，可為新伸縮臂的設(shè)計提供高效應(yīng)力分析手段.

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(編輯崔思榮)

中圖分類號：TB115

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-358X(2015)03-0080-05

Analysis on the Efficient Finite Element Contact Stress for Telescopic Boom of Construction Machinery

WANG Yanhui1, CUI Zhe2, DONG Lijuan2, JI Haojie2, JIANG Wenguang2

(1.XCMG Xuzhou Truck-Mounted Crane Co. Ltd, Xuzhou 221004, China;

2.School of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)

Abstract:The contact between the adjacent booms of the mechanical telescopic system on construction machinery is a commonly existing problem needs to be dealt with rationally and the most effective way to solve it is through the finite element(FE) analyses.However,for large scale engineering machines,analysis of the whole structures needs too long computing time and in many cases the solution is hard to converge.In order to increase the computational efficiency,this paper adopted a two-stage solution strategy,i.e.,analysis of the global FE model with very coarse mesh is carried out first to derive the local boundary conditions for sub-models which only contain the geometry of the local contact regions of the adjacent booms.As the sub-models only model a small fraction of the whole machine, sufficient fine FE meshes could be used to yield accurate local contact stress results with less computational resources.An example analysis of a practical design using the efficient computational strategy has been implemented.The global-local two-stage method was found to be much more efficient than the modeling the entire machine using fine FE mesh for achieving comparable local contact stress accuracy.

Key words:telescopic boom; finite element analysis; global-local analysis; contact stress