某6.3 t隨車吊臂應(yīng)力測試異常仿真分析

張勝蘭，楊佳宙,2

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 十堰 442002；2.吉林大學(xué) 汽車工程學(xué)院，吉林 長春 130012）

某6.3 t隨車吊臂應(yīng)力測試異常仿真分析

張勝蘭1，楊佳宙1,2

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 十堰 442002；2.吉林大學(xué) 汽車工程學(xué)院，吉林 長春 130012）

針對某公司6.3 t隨車吊臂在應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)應(yīng)力異常的現(xiàn)象，分析了實(shí)驗(yàn)工況及相關(guān)數(shù)據(jù)，對可能存在的制造裝配問題提出了5種假設(shè)。利用HyperWorks軟件對隨車吊臂進(jìn)行仿真分析，得到理想條件及5種假設(shè)條件下伸縮臂在不同工況下的應(yīng)力數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：隨車吊臂頂端部件的裝配關(guān)系與測試點(diǎn)的位置選取對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響較大，而吊臂根部的裝配關(guān)系以及節(jié)臂間的相對位置的改變對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響較小。針對上述分析結(jié)果提出改進(jìn)措施，為解決類似工程問題提供參考。

隨車吊臂；應(yīng)力測試；仿真；HyperWorks

隨車吊是一種集起重、運(yùn)輸于一體的工程機(jī)械，由于其具有操作方便、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，被越來越多的用戶接受。文中對某公司6.3 t隨車吊臂在應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)中某個(gè)工況下出現(xiàn)應(yīng)力異常的現(xiàn)象進(jìn)行研究。利用HyperWorks軟件建立該6.3 t隨車吊臂有限元分析模型，并對其進(jìn)行仿真分析，模擬各種可能造成應(yīng)力異常的工況，對照實(shí)驗(yàn)結(jié)果找到吊臂實(shí)驗(yàn)異常的原因，并提出改進(jìn)措施。

1 實(shí)驗(yàn)工況分析與問題的假設(shè)

1.1 實(shí)驗(yàn)工況分析

實(shí)驗(yàn)中吊臂上有9個(gè)測試點(diǎn)，測試點(diǎn)分布圖如圖1所示。測試點(diǎn)1～2位于三節(jié)臂A-A截面底部，測試點(diǎn)3～4位于二節(jié)臂B-B截面底部，測試點(diǎn)6～7位于基礎(chǔ)臂D-D截面?zhèn)让?，測試點(diǎn)8～9位于基礎(chǔ)臂E方向視圖的對稱位置，測試點(diǎn)5位于基礎(chǔ)臂C-C截面一側(cè)。實(shí)驗(yàn)分為4種工況，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1～4，其中零值表示儀器清零后的值；工況1～2下臂長為4.05 m，跨距為2.5 m，工況1下吊重為6.3 t，工況2下吊重為7.9 t；應(yīng)變1～3均為微應(yīng)變，表1～2中測試點(diǎn)6～7的數(shù)據(jù)和表3～4中測試點(diǎn)1～4、6～7的數(shù)據(jù)是應(yīng)力異常的數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)中應(yīng)變片沿測試點(diǎn)受力方向縱向布置，取3次微應(yīng)變值應(yīng)變1～3的平均微應(yīng)變（數(shù)量級為10-6）獲得測試點(diǎn)應(yīng)力值，計(jì)算公式為

式中：σ為應(yīng)力，MPa；E為彈性模量，MPa；ε為應(yīng)變量。由式（1）測得某點(diǎn)的應(yīng)力值，取最大主應(yīng)力的符號，工況1～2為三節(jié)臂全部收攏，臂長最短，載重量最大，工況3～4為三節(jié)臂全部伸出，臂長最長，載重量最小。

圖1 測試點(diǎn)分布圖

表1 工況1應(yīng)力測試數(shù)據(jù) MPa

表2 工況2應(yīng)力測試數(shù)據(jù) MPa

表3 工況3應(yīng)力測試數(shù)據(jù) MPa

表4 工況4應(yīng)力測試數(shù)據(jù) MPa

吊臂的結(jié)構(gòu)關(guān)于縱向截面左右對稱，截面為六邊形。由表1～4得出，位于對稱位置的測試點(diǎn)1～4、6～7的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差明顯；對比表3～4得出，測試點(diǎn)1的應(yīng)力值出現(xiàn)了正負(fù)顛倒。

1.2 問題的假設(shè)

針對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中吊臂應(yīng)力值出現(xiàn)的異常現(xiàn)象，對可能存在的制造裝配問題作假設(shè)：1）吊臂之間有橫向方向的相對位移；2）吊臂之間有縱向方向的相對轉(zhuǎn)角；3）假設(shè)1）～2）共同作用；4）二、三節(jié)臂繞縱軸向一側(cè)歪斜；5）變幅液壓缸裝配未對中、吊鉤不在承重銷的中點(diǎn)位置、承重銷未與銷孔對中等。

2 理想條件下吊臂靜力分析

理想條件即吊臂制造裝配過程中完全滿足設(shè)計(jì)意圖（完全對稱）。下述分析是基于理想條件的情況下做出的。

2.1 吊臂的有限元靜力分析

吊臂使用混合網(wǎng)格單元模擬，網(wǎng)格尺寸大小為10mm，最終得到39 336個(gè)節(jié)點(diǎn)和44 217個(gè)單元。吊臂根部與回轉(zhuǎn)臺以及變幅液壓缸與吊臂通過銷軸鉸接，均為約束3個(gè)方向的平動(dòng)自由度和2個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，釋放沿銷軸中心回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度［1］，如圖2所示。吊臂所用材料為65號鋼，σs為430 MPa，E為2.1×105MPa，密度為7.9×10-9t·mm-3，泊松比為0.3；對簡化后模型施加慣性載荷和外力載荷，重力加速度取9 900mm·s-2。

圖2 施加約束

根據(jù)不同工況下吊臂長與吊臂跨距可以計(jì)算出外載荷與吊臂的夾角［2］：

式中：R為吊臂跨距，m；L為吊臂臂長，m；θ為外載荷與吊臂的夾角，（°）。由式（2）和式（3）求得：工況1～2和工況3～4下的外載荷與吊臂所夾的銳角分別為38.12°和17.09°。工況1與工況3施加約束和載荷后的模型如圖3所示。在邊界條件與載荷施加完成的基礎(chǔ)上進(jìn)行求解和后處理［3］，4種工況的應(yīng)力云圖如圖4所示。

測試點(diǎn)1～9對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)編號為38 066、37 072、29 224、29 828、10 171、12 175、5 918、10 567、9 139。仿真中測試點(diǎn)位置節(jié)點(diǎn)選取位置參見圖5，對應(yīng)的應(yīng)力值見表5。從應(yīng)力云圖可以看出：理想條件下吊臂上部不總是受拉應(yīng)力，吊臂底部也不總是受壓應(yīng)力，吊臂底部的應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖3 不同工況下吊臂的邊界條件和載荷

圖4 不同工況下吊臂的應(yīng)力云圖

圖5 測試點(diǎn)對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的選取

圖6 吊臂底部局部應(yīng)力云圖

表5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比 MPa

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理想條件數(shù)據(jù)對比

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理想條件下的仿真數(shù)據(jù)如表5所示：不同工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理想數(shù)據(jù)存在較大的差異；理想條件下位于對稱位置的各測試點(diǎn)應(yīng)力值大致相等。

3 非正常條件下吊臂靜力分析

3.1 吊臂有限元模型的分析

以工況4為例列出3類異常工況的分析過程。

1）吊臂之間存在軸向方向的相對轉(zhuǎn)角 在HyperMesh坐標(biāo)系中將相鄰節(jié)臂繞X軸旋轉(zhuǎn)3°（圖7a～b），求解后應(yīng)力云圖如圖7c所示。

2）變幅液壓缸裝配未對中 由于液壓缸未能與銷的中點(diǎn)對齊而造成較大的裝配誤差，引起邊界條件的變化，如圖8a所示；變幅液壓缸約束位置不居中，求解后應(yīng)力云圖如圖8b所示。

3）吊臂頂端承重銷與銷孔未對中 吊臂頭部的承重銷與其裝配處的銷孔出現(xiàn)裝配誤差，導(dǎo)致承重銷的一端偏離銷孔中心，如圖9a所示，應(yīng)力云圖見圖9b；由圖9c可以看到，此時(shí)吊臂下部和上部的應(yīng)力出現(xiàn)明顯的不對稱。

圖7 吊臂繞X軸旋轉(zhuǎn)前后對比及旋轉(zhuǎn)后的應(yīng)力云圖

圖8 變幅液壓缸未對中示意圖和應(yīng)力云圖

圖9 承重銷偏離銷孔中心示意圖和應(yīng)力云圖

3.2 數(shù)據(jù)對比分析

3種異常工況應(yīng)力數(shù)據(jù)對比如表6所示，通過對比分析可知：節(jié)臂繞X軸旋轉(zhuǎn)與承重銷偏離銷孔中心對測試點(diǎn)的應(yīng)力值有較大的影響，都會導(dǎo)致處于對稱位置測試點(diǎn)的應(yīng)力值出現(xiàn)較大的差異，且后者影響最大；而變幅液壓缸未對中時(shí)對測試點(diǎn)的應(yīng)力值幾乎沒有影響。實(shí)際工程中，造成試驗(yàn)中出現(xiàn)測試點(diǎn)應(yīng)力異常的現(xiàn)象是由多種因素相互作用耦合而成的［4］，而有限元仿真沒能完全模擬現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的多因素影響（如焊接質(zhì)量與三節(jié)臂裝配關(guān)系等），因此文中有限元仿真與實(shí)驗(yàn)得出的應(yīng)力異常數(shù)據(jù)吻合度較低。上述分析過程僅模擬了3種可能出現(xiàn)的情況，但上述3種情況不同組合及不同情況在組合中所占權(quán)重不同都會產(chǎn)生不同的作用效果，由于篇幅所限，文中并未列出。文中提到節(jié)臂底部并非只受到壓應(yīng)力，在節(jié)臂與節(jié)臂連接處的附近會出現(xiàn)拉應(yīng)力，并且測試點(diǎn)1～4位于節(jié)臂底部壓應(yīng)力與拉應(yīng)力的過渡區(qū)，因此，如果應(yīng)變片粘貼在這些區(qū)域的附近且粘貼的位置不對稱也會造成實(shí)驗(yàn)中的異?，F(xiàn)象。

表6 應(yīng)力數(shù)據(jù)對比 MPa

4 總結(jié)及改進(jìn)建議

對隨車吊臂制造過程中可能出現(xiàn)的裝配問題進(jìn)行了仿真分析，對比分析數(shù)據(jù)后得出：1）吊臂自身結(jié)構(gòu)異常會直接影響測試點(diǎn)的應(yīng)力值；2）吊臂和吊具以及汽車底盤連接處的裝配關(guān)系會直接影響測試點(diǎn)的應(yīng)力值，其中承重銷與銷孔中心未對齊對測試點(diǎn)的影響最大；3）測試點(diǎn)的選取和應(yīng)變片的粘貼位置以及實(shí)驗(yàn)操作是否合理同樣會影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

針對上述問題提出4點(diǎn)改進(jìn)建議：1）重新裝配3個(gè)節(jié)臂，保證相鄰節(jié)臂不出現(xiàn)繞橫向或縱向方向的扭轉(zhuǎn)；2）檢查承重銷與銷孔的相對位置、變幅液壓缸與吊臂鉸接處銷軸的相對位置和吊鉤（吊具）與吊臂末端承重銷軸相關(guān)位置的裝配，保證吊臂的邊界條件與載荷施加正確；3）檢查吊臂焊接處焊接質(zhì)量是否滿足工程要求，若不滿足要求須重新焊接吊臂結(jié)構(gòu)；4）重新選取測試點(diǎn)的位置和粘貼應(yīng)變片并增加實(shí)驗(yàn)次數(shù)，降低實(shí)驗(yàn)的人為誤差。

［1］蔣紅旗，王繁生.起重機(jī)吊臂結(jié)構(gòu)有限元模態(tài)分析［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006（3）：20-22.

［2］張占國，成凱.重型清障車吊臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（9）：25-27.

［3］黃琳.起重機(jī)伸縮臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2007.

［4］尹福炎，王成林.應(yīng)變膠粘劑對應(yīng)變計(jì)和傳感器性能的影響［J］.衡器，2004，33（2）：13-22.

Simulation Analysis of a 6.3 t Lorry-mounted Crane Jib’s Abnormal Stress Test

Zhang Shenglan1,Yang Jiazhou1，2
（1.School of Automotive Engineering,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China;2.College of Automobile Engineering,Jilin University,Changchun 130012,China)

In view of 6.3 t lorry-mounted crane jib’s abnormal stress in the testing experiment,the jib’s experimental condition and related data were analyzed,and 5 kinds of assumptions on the possible manu?facturing and assembly problems were put forward.The simulation analysis was carried out on the lorry crane jib by using HyperWorks,the jib’s stress data of different working conditions were obtained under ideal conditions and 5 kinds of assumptions.The results show that the top assembly relation of the lor?ry-mounted crane jib and the location of the test points have greater effect on the test data,while the jib’s root assembly relation and the relative position between the knuckle arm have less effect on the test data.According to the results,the improvement measures were put forward to provide a reference for similar problems..

lorry-mounted crane jib；stress test；simulation；HyperWorks

TH213.6

A

1008-5483（2017）04-0017-05

10.3969/j.issn.1008-5483.2017.04.004

2017-05-19

汽車動(dòng)力傳動(dòng)與電子控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（ZDK1201501）

張勝蘭（1965-），女，湖北紅安人，教授，碩士，從事汽車CAD與輕量化設(shè)計(jì)方面的研究。E-mail：slzhang10@163.com