鉸接體吊具有限元分析

郭世均+羅朋+石能芳

摘 要：鉸接體作為鉸接式自卸車前后車架連接的紐帶，其安裝難道很大。為了方便鉸接體的安裝必須借助其他有效的輔助工具，因此設(shè)計了鉸接體吊具。在設(shè)計過程中利用UG設(shè)計吊具三維模型，再通過ansys workbench進行有限元分析，強度校核。再根據(jù)分析結(jié)果對吊具進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計出輕量化、可靠、高性能的吊具。

關(guān)鍵詞：吊具；有限元；ansys workbench；強度

鉸接式自卸車屬于非公路鉸接式自卸汽車，是針對我國的實際情況，專門開發(fā)的適合于礦山、水利工地等使用車型。前后車架通過鉸接體連接，可使整車具有機動性強、靈敏度高、適應(yīng)性強等特點。而笨重的鉸接體要實現(xiàn)前后車架的相連無疑成為整車組裝的一大難點。

鉸接體為不規(guī)則形狀，上下鉸接點都為軸承安裝孔，左右兩側(cè)為轉(zhuǎn)向缸安裝孔，后部為大軸承安裝軸。鉸接體安裝難點就是軸承安裝軸需要水平裝入后車架的鉸接體支撐內(nèi)，這需要保證鉸接體在起吊過程中不晃動，并可前后做近似水平移動，且起吊工具不妨礙鉸接體插入后車架鉸接體支撐安裝孔內(nèi)。根據(jù)鉸接體幾何形狀特點及安裝要求，對吊具進行如下設(shè)計：吊具通過銷軸與鉸接體轉(zhuǎn)向缸安裝孔連接，同時保證鉸接體與吊具中心處于四個吊耳中心，使吊具與鉸接體保持平衡，天車可通過吊繩連接四個吊耳，把鉸接體移動到安裝位置進行安裝。

1 建立幾何模型

通過UG軟件建立吊具的三維模型，吊具主要組成：左右縱梁、前后橫梁、四個吊耳、左右支撐梁、鉸接體連接座、鉸接體連接銷?？v梁、橫梁、都采用箱型梁結(jié)構(gòu)，通過U型的折彎板與相應(yīng)蓋板焊接而成。左右縱梁折彎板、蓋板厚度均為8mm，箱型梁內(nèi)部采用8個厚度為5mm的加強筋板；前后橫梁與左右縱梁結(jié)構(gòu)相類型；支撐梁主要由前后蓋板及左右側(cè)板焊接而成，頂端與左右橫梁連接，底端與鉸接體安裝座焊接在一起，支撐梁是整個吊具最主要受力部位，除了受鉸接體重力外，還受到由于鉸接重力產(chǎn)生的力矩。為了更好的傳力，支撐梁頂部開設(shè)方形孔，左右縱梁分別穿過方形孔后再進行焊接。這樣可以減輕焊縫負擔，加長吊具壽命?？紤]到吊具的受力情況，左右支撐梁前蓋板采用20mm厚的板，后蓋板及左右側(cè)板才有8mm厚鋼板焊接而成。并在左右支撐梁鉸接體連接座位置在上加強筋板，保證受力部位的強度。

鉸接體連接座由上座耳和下座耳焊接在支撐梁上構(gòu)成，連接銷可通過鉸接體連接座上的連接孔實現(xiàn)鉸接體與吊具的安裝?？紤]到鉸接體的重量主要通過連接銷與鉸接體連接座孔壁的接觸傳力，故上座耳與下座耳采用30mm厚的板。

2 建立有限元模型

把吊具幾何模型導(dǎo)入有限元軟件ansys workbench中，對其進行有限元模型建立。

定義材料及屬性：模型使用材料為Q235A，彈性模量E=2.12×1011，泊松比u=0.288，屈服強度σs=235MPa，密度為7860kg/m3。

定義好材料后對網(wǎng)格進行劃分。根據(jù)吊具的受力情況分析支撐梁與左右縱梁位置可能出現(xiàn)應(yīng)力集中，為提高精度，在連接部位進行局部網(wǎng)格細化。網(wǎng)格劃分完畢查看網(wǎng)格劃分情況，網(wǎng)格單元數(shù)496208，網(wǎng)格單元數(shù)995516。

3 吊具有限元分析

吊具吊耳主要受吊繩拉力，可在吊具上施加約束，吊具鉸接體安裝座受鉸接體向下的垂下力，還受到由重力引起的力矩，可通過ansys workbench在相應(yīng)鉸接體連接位置施加遠端載荷，為提高計算精度，考慮吊具所受重力，在系統(tǒng)中添加重力加速度g。

4 結(jié)果分析

查看求解結(jié)果，最大應(yīng)力出現(xiàn)在支撐梁與左右縱梁連接位置，最大應(yīng)力點8.42×107，安全系數(shù)2.79，最大變形量為0.17mm。吊具重量為254.4kg，作為鉸接體組裝的一個吊具，能夠滿足強度要求外還必須達到輕量化，才能夠最大極限發(fā)揮它的作用，而不應(yīng)吊具過重造成其他負擔。同時，輕量化可以減少鋼材的使用量，節(jié)約成本，降低造價。為了達到低成本、輕量化的目標，在保證強度要求的前提下可對吊具進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

5 吊具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

要想改善支撐梁與左右縱梁連接部位的應(yīng)力集中，可以再連接處增添加強筋。而其他部位應(yīng)力值遠低于材料的屈服應(yīng)力，可以對降低鋼板厚度，從而降低吊具的增體強度。左右縱梁折彎板與蓋板板厚由8mm改為5mm，所用加強筋由5mm改為3mm，前后橫梁做相似調(diào)整。左右支撐梁應(yīng)力富余更大，前蓋板板厚由20mm調(diào)整為10mm，左右側(cè)板厚度均降低到5mm，加強筋板厚度均改為3mm；鉸接體連接座上下耳板應(yīng)力雖然很底，但考慮到銷軸連接孔需要一定的壁厚與銷軸配合，板厚降低到20mm即可。

對改進后的吊具導(dǎo)入ansys workbench進行有限元分析，分析結(jié)果顯示最大應(yīng)力還是出現(xiàn)在左右縱梁與左右支撐梁連接位置區(qū)域，最大應(yīng)力為1.004×108Pa，通過ansys workbench可得出吊具的安全因子云圖，結(jié)果顯示最小安全因子為2.34，滿足強度要求；最大形變位于支撐梁下端，形變量為1.1mm，滿足吊具的剛度要求。改進后的吊具質(zhì)量為169kg，鋼材用量減少85.4kg，重量大大較低，組裝人員操作更方便，實用性更強。同時也減少了大量的鋼材費，大大降低了吊具的成本。

6 結(jié)束語

通過有限元分析可知道吊具工作時的應(yīng)力分布情況?？筛鶕?jù)應(yīng)力云圖對吊具進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。應(yīng)力過于集中處可進行局部加強，應(yīng)力富余區(qū)域進行強度削弱。這樣可以設(shè)計出可靠、經(jīng)濟的吊具。

在產(chǎn)品設(shè)計過程中要適當利用有限元軟件求解分析復(fù)雜工程和產(chǎn)品的力學(xué)性能，從而對產(chǎn)品進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以最小成本滿足產(chǎn)品性能要求。以經(jīng)驗主義加強產(chǎn)品強度，會造成產(chǎn)品成本過高，資源浪費；盲目降低產(chǎn)品強度則留下安全隱患。在設(shè)計前期通過仿真分析，發(fā)現(xiàn)問題解決問題，可以大大減少試驗期的工作量、周期和經(jīng)費。

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