基于ANSYS Workbench 的QY80型汽車起重機(jī)吊臂有限元分析*

程遠(yuǎn)祿，王劍彬，張成亮

(南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

0 引 言

隨著“一帶一路”基礎(chǔ)建設(shè)的不斷深化，我國汽車起重機(jī)行業(yè)迎來了快速發(fā)展的機(jī)遇期，與此同時(shí)人們對汽車起重機(jī)的安全性、起重能力、機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性等要求也在不斷提高，這就需要產(chǎn)品的持續(xù)更新?lián)Q代和優(yōu)化升級，向大噸位和高性能發(fā)展。吊臂是汽車起重機(jī)上最重要的工作部件，起重作業(yè)主要由它來完成的，所以吊臂的力學(xué)性能直接影響著起重機(jī)的起重性能和整機(jī)性能，因此對其進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)與力學(xué)分析有著重要意義。

采用傳統(tǒng)力學(xué)方法設(shè)計(jì)的起重機(jī)吊臂只局限于人工計(jì)算，不但計(jì)算復(fù)雜，而且計(jì)算精度較低；設(shè)計(jì)中按照經(jīng)驗(yàn)公式往往采用較大的安全因數(shù)，浪費(fèi)材料，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)笨重。有限元軟件的出現(xiàn)，給吊臂的結(jié)構(gòu)和力學(xué)分析帶來了巨大的便利，提高了分析水平、效率和精度，降低了難度，并且研究結(jié)果顯示：有限元方法應(yīng)用于起重機(jī)吊臂分析是可行、準(zhǔn)確的[1-3]。

1 實(shí)體建模方案

以某企業(yè)QY80汽車起重機(jī)吊臂為研究對象，該吊臂是5節(jié)伸縮式結(jié)構(gòu)，具體見圖1。其中，基本臂底部通過底座與轉(zhuǎn)臺鉸接，中下部通過支架與變幅缸鉸接，可實(shí)現(xiàn)吊臂在變幅平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。吊臂伸縮采用兩級伸縮液壓缸、雙繩排滑輪機(jī)構(gòu)(兩伸、兩縮)支撐在吊臂內(nèi)，通過滑塊導(dǎo)向，以實(shí)現(xiàn)二、三、四和五節(jié)吊臂同步伸縮。具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小等特點(diǎn)。

圖1 QY80汽車起重機(jī)吊臂結(jié)構(gòu)簡圖

汽車起重機(jī)發(fā)展時(shí)間較長, 通過不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，目前吊臂的截面形式主要是圓角化多邊形、U形、橢圓形等, 由于橢圓形需要較高的制造工藝，使用成本高，只有個(gè)別大型全路面起重機(jī)才使用這樣的截面形式。所以QY80吊臂截面采用U型+折彎鋼板對接焊成的筒體結(jié)構(gòu)形式，截面形狀如圖2所示，圓弧底邊可大大增強(qiáng)吊臂受壓邊的穩(wěn)定性和抗屈曲能力、能充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能[4]，使用高強(qiáng)度鋼材，減輕了吊臂重量，提高了整機(jī)的起重性能。并且，吊臂上下蓋板僅有2道焊縫，布置在側(cè)面中線附近低應(yīng)力區(qū)，各節(jié)臂的焊縫不分布在同一水平位置，焊接工藝性好，傳力更可靠。這種吊臂形狀代表國內(nèi)外較先進(jìn)的技術(shù)。

圖2 QY80汽車起重機(jī)吊臂截面示意圖

由于汽車起重機(jī)具有較強(qiáng)的靈活性，所以吊臂的實(shí)際工況較多，限于篇幅，筆者僅取全伸臂工況(吊臂總長48 m，作業(yè)幅度為10 m，起吊重量為12 t)進(jìn)行QY80汽車起重機(jī)吊臂結(jié)構(gòu)的有限元分析。因?yàn)槿毂酃r是起重機(jī)作業(yè)的典型工況，該工況下各節(jié)臂之間搭接長度最短，計(jì)算結(jié)果很能體現(xiàn)各節(jié)臂整體的力學(xué)性能是否符合要求。

伸縮式吊臂的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，包括各節(jié)臂的結(jié)構(gòu)和伸縮系統(tǒng)各傳動(dòng)件，如果對其進(jìn)行完整的建模分析，那將使建模和分析變得異常復(fù)雜，并且計(jì)算結(jié)果的理想程度也難以保證，所以要對吊臂進(jìn)行合理的簡化。由于吊臂有限元分析主要是計(jì)算吊臂危險(xiǎn)截面和搭接處的局部應(yīng)力情況，并且焊接質(zhì)量是可靠的，可將焊縫和各結(jié)構(gòu)部件看作一個(gè)連續(xù)體處理，因此將吊臂大大簡化，使得整個(gè)吊臂只包含筒體和滑塊結(jié)構(gòu)。吊臂的伸縮機(jī)構(gòu)不在模型中建立。

考慮到集成于ANSYS workbench環(huán)境的SpaceClaim Direct Modeler(SCDM)模塊具有全面兼容的數(shù)據(jù)接口和強(qiáng)大的模型處理與修補(bǔ)能力，采用三維造型軟件SolidWorks建立各節(jié)臂及滑塊的幾何模型，并通過SolidWorks與ANSYS的無縫嵌套接口直接進(jìn)入SCDM中對模型進(jìn)行處理和修補(bǔ)，然后進(jìn)行有限元分析。為了更符合實(shí)際自重載荷分布，將該模型在SolidWorks測得的重量與實(shí)際完整的吊臂結(jié)構(gòu)重量作對比，建模時(shí)所簡化的機(jī)構(gòu)重量以筒體的材料密度適當(dāng)增大的方式做出補(bǔ)償，取密度修正系數(shù)為1.12。吊臂的重量由ANSYS根據(jù)設(shè)置的重力加速度方向自動(dòng)計(jì)算，為確保重力方向的正確性，將該模型在SolidWorks中整體繞X軸旋轉(zhuǎn)78°(根據(jù)全伸臂工況的總臂長和工作幅度得該工況下的工作仰角θ=78°)后導(dǎo)入SCDM。

2 吊臂的有限元前處理

2.1 材料屬性定義

吊臂筒體和滑塊的材料屬性定義如表1所示。

表1 吊臂部件的材料屬性

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分的質(zhì)量對有限元計(jì)算精度和斂散性有著至關(guān)重要的影響。采用殼單元和實(shí)體單元分別對筒體和滑塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分。殼單元是一種4節(jié)點(diǎn)線彈性單元，它遵循基爾霍夫假定，即變形前垂直中面的法線變形后仍垂直于中面，而且這種單元可以同時(shí)考慮彎曲變形及中面內(nèi)的膜力，比較符合吊臂筒體的模型特征和實(shí)際受力情況。使用該單元需要先在SCDM模塊中對模型的各節(jié)臂筒體抽取中面并進(jìn)行修補(bǔ)，保證抽取中面后幾何體間的良好接觸。網(wǎng)格劃分時(shí)，使網(wǎng)格形狀盡可能規(guī)則，避免網(wǎng)格畸形，最終得到節(jié)點(diǎn)總數(shù)為96 424，單元總數(shù)為92 181。

2.3 接觸處理

如圖1所示，作業(yè)時(shí)各節(jié)臂之間依靠與滑塊的接觸和擠壓來傳遞力?；瑝K和吊臂之間，除了接觸面的法向外，其他相切方向都是不受約束的，允許有滑移。但是在某一工況下工作時(shí)，兩級伸縮液壓缸、雙繩排滑輪機(jī)構(gòu)(兩伸、兩縮)支撐在吊臂內(nèi)部限制切向的滑移。因此采用節(jié)點(diǎn)耦合的方法,滑塊與筒體接觸類型選擇Bonded，這種接觸認(rèn)為是剛性的，他們的接觸方程設(shè)置為MPC。這樣吊臂和滑塊的連接就避免了面接觸處理的非線性問題，從而保證求解精度。

2.4 約束處理與載荷的施加

根據(jù)吊臂的工作原理，在基本臂尾部和轉(zhuǎn)臺鉸接處以及中下部和變幅缸鉸接處的接觸孔分別插入Remote Displacement，將三個(gè)平移自由度(UX，UY，UZ)和兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度(ROTY，ROTZ)設(shè)置為0，繞孔中心自由旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度(ROTX)設(shè)置為free。經(jīng)分析，最終選定的載荷組合為:自重載荷+起重載荷+側(cè)偏載荷,并按B1類載荷計(jì)算,側(cè)載系數(shù)取3%，動(dòng)載系數(shù)取1.25[5]。計(jì)算得，起升載荷Q=147 kN，鋼絲繩拉力S=53.26 kN，側(cè)向載荷T=3528 N[6]。

3 計(jì)算結(jié)果的處理與分析

3.1 剛度分析

吊臂在變幅平面內(nèi)的許用撓度為：

吊臂在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的許用撓度為：

式中:L為吊臂臂長，48 m。

由此認(rèn)為吊臂在該工況下?lián)隙壬源?，?yīng)對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改善吊臂結(jié)構(gòu)的剛度特性。

3.2 強(qiáng)度分析

吊臂筒體材料選用國產(chǎn)960高強(qiáng)度鋼，屈服極限σs=830 MPa，許用應(yīng)力[σ]=σs/1.5=553 MPa。通過對吊臂有限元模型的加載計(jì)算，得到有限元應(yīng)力結(jié)果如圖3所示。

圖3 吊臂結(jié)構(gòu)Von-Mises應(yīng)力云圖

由圖3可知，Von-Mises等效應(yīng)力極大值743.78 MPa發(fā)生在二、三節(jié)臂之間右上滑塊與伸縮臂的接觸處，該區(qū)域?qū)儆谀Ｐ婉詈蠀^(qū)，在有限元計(jì)算過程中產(chǎn)生附加的拉壓應(yīng)力(并非施加于吊臂上的外載荷引起)，且這些部位實(shí)際是加強(qiáng)型的箱型結(jié)構(gòu)的簡化模型，很難精確反映支撐滑塊接觸表面處的潤滑等實(shí)際處理工藝，所以在滑塊接觸表面出現(xiàn)應(yīng)力奇異點(diǎn)，這并不代表實(shí)際應(yīng)力狀況，可忽略不計(jì)。

根據(jù)圣維南原理，在應(yīng)力集中偏遠(yuǎn)處的應(yīng)力分布可靠性較高，因此依據(jù)吊臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算習(xí)慣提取各節(jié)臂危險(xiǎn)區(qū)域有限元分析最大應(yīng)力值如表2所示。由此可知，吊臂各關(guān)鍵點(diǎn)處的應(yīng)力值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力，所以判定吊臂滿足強(qiáng)度要求，但設(shè)計(jì)過于保守，材料利用率不高。

表2 各伸縮臂危險(xiǎn)區(qū)域最大應(yīng)力值 /MPa

4 結(jié) 語

應(yīng)用ANSYS workbench協(xié)同仿真平臺，對QY80型汽車起重機(jī)吊臂在全伸工況下進(jìn)行有限元分析，得到吊臂相應(yīng)的應(yīng)力、位移情況。針對分析結(jié)果，從強(qiáng)度方面考慮，現(xiàn)有的吊臂結(jié)構(gòu)安全可靠，滿足強(qiáng)度要求，但設(shè)計(jì)過于保守，材料利用率不高，且增大了對支撐構(gòu)件的負(fù)荷；從整體剛度考慮，現(xiàn)有吊臂結(jié)構(gòu)剛性稍差。為了提高吊臂材料利用率和結(jié)構(gòu)剛性，可基于文中有限元分析得出的位移、應(yīng)力分布，通過改變每節(jié)臂上下板材厚度和不同臂之間的搭接量，及在每節(jié)臂的上表面焊接薄板加強(qiáng)筋等方法來優(yōu)化吊臂結(jié)構(gòu)。該有限元分析為后續(xù)工作提供非常有價(jià)值的參考。