基于ANSYS的起重機結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

李聰　張亞鵬　連冬曉

摘 要：在隨車起重機的前期設(shè)計論證階段，需進行詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度校核計算，結(jié)構(gòu)設(shè)計包括整機外形的布置、技戰(zhàn)術(shù)指標的實現(xiàn)及三維模型的建立等方面，在初步確定三維模型結(jié)構(gòu)后，可對整體結(jié)構(gòu)進行有限元分析計算，加入強度及剛度有限元計算后，可有效模擬實際工作狀況中部件的受力狀況，從而對危險受力點及截面進行預(yù)判，根據(jù)分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行改變并重新分析直至受力狀況優(yōu)化，從而能對結(jié)構(gòu)優(yōu)化及實際生產(chǎn)起到有效的指導(dǎo)作用。正確的有限元分析常常會有效的提高產(chǎn)品質(zhì)量，以致減小實際生產(chǎn)的成本，對于從設(shè)計到生產(chǎn)都能起到極大的促進作用。

關(guān)鍵詞：隨車起重機 三維模型 有限元分析 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

Study on the Performance of Lithium-ion Battery in Electric Vehicle during Cycling Test

Li Cong Zhang Yapeng Lian dongXiao

Abstract：In the preliminary design demonstration stage of the truck-mounted crane， detailed structural design and strength check calculations are required. The structural design includes the layout of the overall machine shape， the realization of technical and tactical indicators， and the establishment of three-dimensional models. The three-dimensional model structure is initially determined After that， finite element analysis and calculation of the overall structure can be carried out. After adding the finite element calculation of strength and stiffness， it can effectively simulate the force status of the components in actual working conditions， so as to predict the dangerous force points and cross-sections. According to the analysis results The structure is changed and re-analyzed until the stress condition is optimized， which can effectively guide the structure optimization and actual production. Correct finite element analysis can often effectively improve product quality， so as to reduce the actual production cost， which can greatly promote the process from design to production.

Key words：Truck mounted crane， 3D model， Finite element analysis，Structure optimization

1 引言

隨車起重機是指安裝在汽車底盤上，在一定范圍內(nèi)垂直提升和水平搬運重物的起重機械，又稱隨車吊，屬于物料搬運機械，是眾多起重運輸機械中的一個分支。[1]對于隨車起重機而言，其主要受力部件為底座、立柱、動臂、吊臂等，本文中主要以立柱及動臂為例介紹靜態(tài)結(jié)構(gòu)受力分析對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化的方法，此方法同樣適用于機械行業(yè)的其他領(lǐng)域。

ANSYS Workbench的分析過程一般包括三部分：前處理模塊、分析計算模塊、后處理模塊。前處理模塊主要由模型建立和網(wǎng)格劃分組成;分析計算模塊包括邊界條件的設(shè)置、載荷的添加及求解等;后處理模塊是有限元分析最重要的環(huán)節(jié)，它會對計算結(jié)果進行詳細分析，從而得到結(jié)構(gòu)的響應(yīng)狀態(tài)。

2 立柱實例分析

2.1 立柱鉸接點的受力計算

立柱是起重機中的重要連接部件，下部整體焊接于回轉(zhuǎn)支承或底座上，上部連接動臂或吊臂，且一般變幅油缸一端鉸接點連接于其上，其主要受力點即為與動臂和變幅油缸連接的鉸接點，經(jīng)計算，受力示意圖如下圖1所示：

2.2 三維模型的建立及網(wǎng)格劃分

用Pro/E按使用要求實體建模后，需轉(zhuǎn)為中間格式文件導(dǎo)入到ANSYS環(huán)境下，并對實體各零件定義單元類型和材料屬性，這對盡可能的模擬實際工況有巨大的影響。如對于模型較為復(fù)雜的情況，需先對模型進行簡化后，并分別定義各部分的單元類型以完成網(wǎng)格劃分，也可采用智能自由網(wǎng)格劃分的方式進行劃分，有限元模型如下圖2所示，單元節(jié)點之間相互連接，且結(jié)構(gòu)具有相互連續(xù)性，在具有倒角部位網(wǎng)格較密，而其他規(guī)則部分則較疏松。

在完成上述工作后，需進行載荷施加及邊界條件的設(shè)置，在立柱下端連接處添加固定約束，在兩鉸接點處分別添加如二維圖示的力載荷。完成設(shè)置后即可進行求解。

2.3 求解分析

在workbench求解框下，插入求解應(yīng)力、應(yīng)變及變形分析選項，進行求解計算，可得出下圖3所示的應(yīng)力分析云圖。

從下圖中可以看出，最大應(yīng)力值為735MPa，位于立柱下方的臺階面處，此受力狀況顯然已大于普通材料的屈服極限，故需要對立柱結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。容易想象，在應(yīng)力值大的地方可能是由于外形結(jié)構(gòu)的突變及鋼板的厚度影響的，所以，在取消立柱底部臺階面使其成為整體與底座連接后，受力分析云圖如下圖4所示。

顯然，經(jīng)過上述結(jié)構(gòu)的更改后，應(yīng)力分布狀況極大的改善，最大應(yīng)力值變?yōu)?35 MPa，假設(shè)選用700MPa高強板，安全系數(shù)為700÷335=2.1>1.5，即可強度滿足《起重機設(shè)計規(guī)范》相關(guān)要求。

在得出應(yīng)力分析的同時，可以查看受力部件的應(yīng)變即位移變化情況，立柱位移云圖如下圖5所示：

3 吊臂實例分析

吊臂作為起重機設(shè)計中的關(guān)鍵部件，需要進行詳細的分析及計算，尤其是伸縮臂對整體性能的影響，通過對吊臂三維模型的簡化，主要是對一些標準件及螺紋孔的簡要畫法可較大的改善網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，提高分析質(zhì)量及速度。

某項目吊臂受力分析示意圖如下圖6示：

如下圖所示，在吊臂下方鉸接點施加固定約束，并對部件的材料及單元類型進行定義后，在吊鉤受力點及變幅油缸支撐點施加如圖所示的作用力，在吊臂中部施加吊臂自身的重力。在自由劃分網(wǎng)格后，可得出圖7所示的應(yīng)力云圖及圖8所示的位移變形云圖。

由上圖可知，伸縮臂應(yīng)力集中點在吊臂頭板與吊臂連接處，吊臂整體應(yīng)力值位于166-250MPa之間，可滿足強度要求;而吊臂端部最大變形量為35mm，剛度也滿足相關(guān)要求。

4 結(jié)語

從以上論述可以看出，利用ANSYS Workbench有限元軟件可以有效地模擬起重機在綜合力及力矩載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變狀況，并根據(jù)求解的結(jié)果分析出結(jié)構(gòu)修改的方向，從而促進總體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

本文對靜態(tài)有限元受力分析的方向提出思路，如要綜合反映或模擬起重機的工況性能，還應(yīng)加入動力學分析和模態(tài)分析、熱固耦合分析等多方面，是一個綜合性的課題。動力學分析可以預(yù)判吊臂以及各運動部件在運動過程中的速度及加速度曲線，從而與實際情況對比;模態(tài)分析可以得出系統(tǒng)的一階或高階系統(tǒng)固有頻率，以分析系統(tǒng)的振動特性;熱固耦合分析可以真實模擬液壓系統(tǒng)工作狀況及溫升對系統(tǒng)的影響，以對結(jié)構(gòu)做出調(diào)整。

在改良后的起重機設(shè)計中，應(yīng)該根據(jù)實際受力狀況更加真實的將力、力矩及其他邊界條件施加于有限元分析計算中，從而得出更科學合理的結(jié)論，才能更為高效的促進設(shè)計和生產(chǎn)實際。

參考文獻：

[1]張質(zhì)文.起重機設(shè)計手冊[M].中國鐵道出版社，1997.

[2]張洪信.有限元基礎(chǔ)理論與ANSYS應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社，2006：2-3.

[3]劉相新，孟憲頤.有限元基礎(chǔ)與應(yīng)用教程[M].科學出版社，2006：3-5.

[4]李紅云，趙社戌，孫雁.ANSYS10.0基礎(chǔ)及工程應(yīng)用[M].機械出版社，2008：2-3.