QY25K型汽车起重机伸缩吊臂的有限元分析

 

    QY25K汽车起重机采用四节伸缩式箱形吊臂，如图1所示。各节臂之间可以相对滑动，靠它们搭接的上下滑块来传递作用力。基本臂1根部与转台通过水平销轴铰接，且其中部还与变幅液压缸5铰接，可实现吊臂在变幅平面内自由转动。吊臂伸缩采用一级伸缩液压缸、双绳排滑轮机构（两伸、两缩）以实现二、三、四节吊臂同步伸缩。

 

    吊臂截面形状为两块成型钢板对焊而成。其上半部为大圆角过渡形，下半部为外凸折板形，中部焊上槽形加强筋，见图2。

 

    吊臂的设计计算通常的方法是将吊臂结构视为梁模型进行强度及刚度等方面的分析。但实际上，吊臂是由薄板对焊起来的箱形结构，应该视为板壳模型。解决这样一个变截面板壳模型受力问题，比较行之有效的方法是有限元法。故我们应用此法，并采用功能强大、技术上非常成熟的商用有限元软件ANSYS为工具来进行分析。基于吊臂的实际工况较多，限于篇幅，本文仅以全伸臂工况为例（臂长L=32m，幅度R=6m，吊重6t），介绍QY25K汽车起重机伸缩吊臂结构有限元的分析过程。

 

    2伸缩吊臂有限元模型建立

 

    2.1实体建模

 

    考虑到吊臂的重量，在解算时由ANSYS自动计算。为确保其重心位置的正确性，必须以吊臂的真实工况位置（仰角θ）进行建模，亦即先要计算仰角θ的大小，再激活工作平面（workplane），将工作平面旋转θ角，在工作平面内造型。各节臂的筒体由薄板构成，取中面尺寸造型。基于基本臂的尾部及四节臂的头部结构异常复杂且刚性很大，故将其简化成实体，利用ANSYS强大的造型功能，如：拉伸、移动、拷贝、布尔加减运算、粘接等，可方便地建模。

 

    2.2单元选取及网格划分

 

    板采用板壳元Shell63来离散。Shell63是一种4节点线弹性单元，它遵循基尔霍夫假定，即变形前垂直中面的法线变形后仍垂直于中面，而且这种单元可以同时考虑弯曲变形及中面内的膜力，比较符合吊臂的实际受载情况。实体单元选用8节点的6面体单元Solid45。

 

    考虑到每节臂之间都有搭接部分，不易选中，且大部分板厚都不一样，若是每块板逐个进行网格划分，效率低下，容易出错，为此我们先在实体模型上指定属性，即赋予所有实体需划分的单元、材料特性、实常数等，然后由程序一次对所有板、块进行网格划分，同时也避免了在网格划分操作中重复设置属性。若是对某些网格形状不满意，则可对这部分重新进行划分，因为重新划分时，可删除已有的网格，但不会删除所指定的属性。

 

    各节臂筒体采用自由（free）及映射（mapped）方式划分。滑块处采用扫掠（sweep）划分，以保证其形状为六面体。整个网格划分，控制单元形状尽可能规则，避免形状畸形。

 

    最终形成吊臂的有限元模型规模：节点数52017个，单元数62827个，其中板单元42153个，实体单元20674个。网格如图3所示。

 

    2.3滑块接触处模型处理

 

    由于吊臂工作时，各节臂之间靠与滑块接触和挤压来传递力，有限元建模中，必须解决各节臂与滑块间的连接问题。首先考虑用ANSYS中的接触单元来分析，但由于该算例中，单元数颇多，模型规模大，且有12处接触（四节臂上下有12个滑块），而接触问题属于非线性，求解过程必须反复迭代计算，因而计算量实在太大，另外，其准确性也较差（实际结构中的接触特性尚不清楚），基于此，我们运用另外一种方法——节点自由度耦合技术来模拟滑块与各节臂的接触。工作时，滑块与吊臂保持接触，但它们之间沿接触面有相对滑动趋势，故相对应的节点间沿接触面的法向自由度必须耦合，而切向自由度则不能耦合，应当释放。为了达到此目的，首先要旋转节点坐标系，旋转角度即为仰角θ，利用各节臂与滑块在同一位置节点（CoincidentNode）间的耦合，可方便地实现12个滑块与吊臂对应节点的耦合。

 

    2.4加载及约束处理

 

    吊臂所受的载荷有：吊重、侧载、钢丝绳在臂头的拉力、风载、液压缸作用力及伸缩机构钢丝绳拉力。风载荷加到吊臂侧面上，而其它力则须加到相应位置的节点上（或关键点上），为了使得这些加载点能成为节点，首先需要在此位置处创建硬点（Hardpoints），此外，由于钢丝绳在臂头的拉力及伸缩机构钢丝绳拉力等方向与整体坐标系方向不一致，故还须旋转这些节点坐标系，以便于加载。

 

    约束处理：基本臂尾部与转台铰接处，约束3个方向平移自由度（UX、UY、UZ）和两个方向的转动自由度（ROTY、ROTZ）。释放绕销轴中心回转的转动自由度（ROTX）。变幅液压缸铰点处同样处理。

 

    3计算结果与分析

 

    通过对上述有限元模型进行计算，得到在工况下的最大变形量为：UX=0.542m，UY=－0.272m，UZ=－1.039m，均位于吊臂头部。应力计算结果用Ｖonmises当量应力值表示。吊臂上应力值较大的区域为：下滑块作用位置的折板处以及基本臂与变幅液压缸铰接处。最大应力发生在三节臂折板与左滑块接触处，其值达到551MPa，其上应力分布情况如图4所示（注：折板位置见图2）。图中标出应力值较大点，它们靠近吊臂外侧。其它滑块处的应力分布情况也是这样。

 

    QY25K型伸缩吊臂已做过结构应力试验，所加载荷有：吊重、侧载和风载，由于风载作用在吊臂的侧面，试验中很难施加，故将其转化到吊臂头部来进行施加。试验的测点均布置在滑块附近，现将用有限元法在测点处的计算应力值与实测值进行比较，见表1。

 

    4结束语

 

    （1）用有限元法对伸缩吊臂结构进行强度、刚度分析，其结果应该比常规的解析法更准确、可靠，且可以获得解析法难以分析的局部区域应力分布，如吊臂与滑块接触处、变幅液压缸铰接处，而这些区域往往又是危险部位。有限元分析的结果可为实际设计提供有价值的参考。

 

    （2）本文运用节点自由度耦合技术模拟滑块与吊臂的连接，并将计算结果与实测值进行对比，二者较为吻合。