汽车起重机吊臂的有限元分析

 

    基金项目：辽宁省重大科技攻关项目（2006219008-4A）李卫民（1965-），男，辽宁朝阳人，教授，博士吊臂是汽车起重机的重要组成部分。它承受着起重机的各种外载荷，一般占总机重量的20%，耗钢量大。随着起重量的不断增大，其吊臂的重量也不断的增大。因此对汽车起重机吊臂进行合理的结构设计及力学分析是有着重要意义的。

 

    随着汽车起重机的不断发展，汽车起重机吊臂的截面已由六边形、椭圆形截面逐步取代了早期的箱形截面，而椭圆形截面鉴于其生产技术上的困难，目前还没有广泛应用，本课题所研究的汽车起重机吊臂采用目前比较先进的六边形截面。其截面形状示意图如所示。

 

    传统意义上对于汽车起重机吊臂的设计只局限于手工计算，而且一般都是经验公式，尤其对吊臂的应变分析采用贴应变片的方法，其计算量大而且无法保证计算的精度。近年来，随着起重机的不断发展，汽车起重机吊臂设计所使用的计算理论和方法也取得了很大的进步和发展。目前国内外广泛使用有限元法等新的计算方法，进行吊臂的设计计算，大大缩短了设计周期，提高了设计水平和精度。

 

    目前对于汽车起重机吊臂的有限元研究主要集中在起重机吊臂的优化设计、稳定性分析上，对起重机吊臂的强度及刚度的分析多限于箱形截面的吊臂，对于六边形截面吊臂的有限元分析尚未见报道。本文采用功能强大的有限元软件ANSYS对截面为六边形的汽车起重机吊臂进行强度、刚度分析。由于起重机吊臂在实际工作中工况较多，本文限于篇幅仅选用其中四组具有典型代表意义的工况为例来介绍QY25汽车起重机伸缩吊臂结构有限元的分析过程，分别为：基本臂工况：臂长：10.50m；*大起重量：24t；工作幅度：3.5m.中长臂工况1：臂长：17.70m；*大起重量：15t；工作幅度：4.0m.中长臂工况2：臂长：24.90m；*大起重量：11t；工作幅度：4.0m.全伸臂工况：臂长：32.40m；*大起重量：7.5t；工作幅度：5.0m.1有限元分析前处理过程有限元模型的建立主要包括实体模型的建立、结构的离散化、加载和约束3个步骤。

 

    1.1有限元模型的建立建立吊臂的有限元模型，是进行有限元分析的前提与基础。模型建立的基本原则是既要如实反映结构的主要特征，又要尽量降低模型的复杂程度，以保证优化结果既有较高的计算精度又能降低计算工作量，以节约优化计算所需的时间。

 

    为了较真实模拟结果的几何形状，提高分析的精度，必须以吊臂的真实工况位置（仰角0）进行建模，再激活工作平面，将工作平面旋转0角，在工作平面内造型。建模的过程中采用自顶向下和自底向上的方式相结合，熟练运用工作平面、三维坐标系以及布尔运算。对于吊臂筒体尺寸，以板厚度中分面位置来确定建立模型，模型的其他尺寸完全按照图纸设计。在建模的同时要考虑模型上的各个加强板，由于上下盖板上的加强板与模型是焊接在一起的，在对壳单元定义实常数时要分别定义两个实常数，但是由于模型建立的过程中尺寸是按照板中面的尺寸建立的，所以在定义厚度的同时盖板与加强板之间有重叠的厚度，即无法保证原有的厚度尺寸，对于此问题一般的处理方法要考虑其偏心，但对于本例其结果影响不严重的情况下，将加强板与盖板视为一块板，定义一个厚度值即加强板的厚度与盖板的厚度之和即可。为了方便施加载荷及约束，在建模的同时单独建立滑块的作用面。根据实际情况，将结构做适当的简化，按照简化后的结构进行建模。

 

    1.2单元的选取及网格的划分对已经建立好的三维有限元模型定义单元属性，包括定义单元类型、实常数、单元材料属性等等。吊臂的筒体结构尺寸满足于弹性力学及有限元理论中关于薄板或薄壳弯曲理论中的定义，即弹性体的三个方向的尺寸中，厚度尺寸远小于长度和宽度的尺寸，因此选择壳单元是合适的。对于壳单元需要定义的实常数为其厚度，壳单元shell63由四个节点即四个厚度所定义，但在本例中单元具有统一的厚度，只有在**个节点处输入厚度值即可，其余实常数是针对各向异性材料的，本处不需要。材料属性与几何模型无关，本例中要定义材料的杨氏模量、泊松比及密度。

 

    由于模型的各个部分的厚度不同，所以在进行网格划分前先要分别定义各个部分的参数，对吊臂的网格划分米取自由网格划分与映射网格划分相结合的方法，整个网格划分，控制形状尽量可能规则，避免形状畸形。在网格划分的过程中，对于应力集中处以及重要的地方使用较密的网格划分，其他地方尽量使用较稀的网格。

 

    1.3载荷的施加及约束的处理对于吊臂结构所选取的载荷组合为：吊重（考虑动载系数和起升冲击系数）+吊臂自重。对于吊臂的自重，在ANSYS软件前处理模块中输入吊臂所用材料的密度和重力加速度，程序便根据输入的单元类型、实常数，自动将单元载荷因子的信息计入总载荷进行计算，但是要注意单位的统一；对于载重力，吊臂整体结构在吊重时只有四节臂承受载重力，其他各节臂通过滑块相互传递作用力，利用力学知识，从汽车起重机吊臂的三角点入手，通过平衡方程将作用在四节臂上的吊重转化为臂段之间的相互作用力，作用在滑块与吊臂的作用面处。

 

    由于本文所研究的吊臂结构为分段考虑，所以滑块与吊臂之间的作用力视为外力，要对滑块与吊臂间的接触部分做特殊的处理。从整个伸缩吊臂的结构来看，各节臂和滑块之间靠相互间的接触和挤压来传递力，属于接触问题，它是非线性的。目前求解接触问题的趋势是采用有限元接触法或一般有限元法，在计算机上对吊臂这样一个复杂结构采用有限元接触法，在现有技术条件下还有困难，而且所求得的解不容易收敛，所以只能用一般的有限元方法求解。对于滑块的处理采用吊臂尾部的两处滑块施加约束，吊臂头部的两处滑块施加载荷的方法。指定分析类型为静力分析，然后运行求解。进入通用后处理器，后处理通过图形或列表方式显示分析结果。*终得出汽车起重机吊臂的各个臂段在不同工况下应力及位移云图。

 

    2有限元吊臂的优化设计优化设计是一种寻求或确定*优设计方案的技术。所谓“*优设计”，指的是一种方案可以满足所有的设计要求，而且所需的支出本例中即重量*小。也就是说，*优设计方案就是一个*有效率的设计方案。

 

    确定优化设计变量。减轻起重机吊臂的自重，对提高整机经济技术指标有重要的意义。由于各节臂的长度是根据使用要求或油缸行程等预先确定的，其轮廓尺寸在自身长度内保持不变，其加强板的位置应根据上、下盖板的危险截面的位置确定，因此选择*合理的轮廓尺寸及加强板尺寸是减轻自重的重要途径。因此，定义加强板的宽B、高H及厚T为设计变量。利用ANSYS的建模功能，以原设计值为初始设计序列，建立吊臂的参数化模型。

 

    目标函数。目标函数是设计所追求指标的数学反映，它应能用来评价设计的优劣，同时必须是设计变量的可计算函数。在ANSYS优化设计中，只允许有一个目标函数，即单目标优化。如果有多个目标，则事先必须用加权等方法变为单目标优化问题。目标函数数值只能为正。为避免负值出现，可以在目标函数上加上一个足够大的正值。本优化以减少臂重为目标，因重量与体积成正比（假定密度是均匀的），那么减小总体积就相当于减小总重量。

 

    因此可以选择总体积为目标函数。

 

    状态变量。状态变量通常是控制设计的因变量数值，是设计变量的函数，在ANSYS中，这种函数关系不是显式的，对状态变量的约束构成了约束方程。ANSYS允许定义的状态变量不超过100个，实际选取时，应选取适度的状态变量的数目，以保证足够的约束设计。设计中，为保证臂的强度和刚度，设定应力STRESSM和位移DEFLM为状态变量，控制应力和位移的大小，即使臂满足强度和刚度要求。

 

    优化结果及分析。以二节臂在中长臂工况下为例，采用ANSYS软件提供的一阶方法进行迭代优化计算，通过有限元分析得出二节臂的体积减小了，吊臂的重量也随之下降，而应力虽然在优化后增加了，但仍属于安全范围之内，强度得到了充分的发挥。

 

    3分析算例以二节臂在中长臂工况下为例，在ANSYS中进行模型建立、网格划分、施加载荷及约束、进行求解，得出其应力云图，如所示。

 

    4结论本文使用大型通用有限元分析软件ANSYS的结构分析模块ANSYSStructure，建立了汽车起重机吊臂的有限元模型，计算了吊臂的各个臂段在不同工况下的应力和位移情况，有限元分析计算结果与实验的实测值是相吻合的，说明了本软件系统和分析方法是切实可行的，该软件系统也为今后的汽车起重机吊臂的设计提供了有力的技术支撑。

 

    为气囊直径、排气孔直径、气流率、织带刚度，根数据从而重新确定一组参数组合，从上文的对比结据正交表安排仿真试验，应用极差分析的方法处理果可以看出优化程度比较明显。

 

    表3正交试验的数据分析各因素不同水平相应综合伤害指标和各因素不同水平相应综合伤害指标平均值极差综合伤害指标平均值极差优方案表4优化程度原模型改进后改进值