基于ANSYS Workbench的折臂式随车起重机吊臂有限元分析

 

本文以某重型折臂式随车起重机吊臂为研究对象，折臂式吊臂结构示意如所示，由转臂、基本臂以及6节伸缩臂等组成，转臂与基本臂由销轴铰接，而基本臂及各伸缩臂之间则是通过滑块搭接来实现相对滑动的，滑块与吊臂之间为面接触。基本臂及各伸缩臂截面形状为六边形，这种截面形式能较好地发挥材料机械性能，传递扭矩与横向力，且具有良好的导向性，能够抑制吊臂伸缩时的横向滑动，操纵平稳性好。本文针对不同的工况，利用有限元仿真技术，分析吊臂的结构变形及应力分布情况，校核吊臂是否满足强度、刚度方面的设计要求，计算结果可为后续的结构优化和改进提供。

 

1吊臂的有限元分析1.1材料属性定义吊臂各部分材料属性定义如表1所示。

 

表1吊臂材料属性部件材料弹性模量/MPa泊松比密度“kg臂体滑块1.2实体建模吊臂的结构比较复杂，不但包括各节臂主体结构而且还包括伸缩系统各传动件，如果对整个吊臂进行完整的建模分析，将使建模和分析变得异常复杂，并且计算结果的理想程度也难以保证，因此有必要对吊臂进行合理的简化。忽略对整体分析影响不大的细节特征，剔除不必要的零件结构，结合模型特点对坡口、装配缝隙等进行适当的修复。吊臂的液压伸缩机构不建模，为了更符合实际自重载荷分布，将三维造型软件测得的吊臂重量与实际整机重量做对比之后，伸缩机构的重量以臂体材料密度适当增大的方式做出补偿，本文取密度修正系数为1.12.件实体造型模块DesignModeler的局限性，本文采用三维造型软件SiemensNX7.0分别建立各节伸缩臂、基本臂及滑块的几何模型，并通过其与ANSYSWorkbench软件的无缝嵌套接口直接进入协同仿真环境进行有限元分析。伸缩臂臂体截面形式及主要结构参数如所示，中，a为折弯角度，为钢板厚度，d为腹板间距，为斜对边跨距。由于滑块的约束，各节伸缩臂的截面尺寸将相应地变化。滑块是厚度为12mm、长度为400mm的POM板，安装于各伸缩臂相互套接处，其宽度与安装处臂体的大小有关。

 

1.3接触处理随车起重机作业时，各伸缩臂和基本臂在套接处的内外表面并不是完全接触的，如所示，各臂之间依靠与滑块的接触和挤压来传递力。接触处法向自由度受到约束，而切向自由度不受限，允许有少量滑移。根据这一特点对吊臂和滑块的连接处理方法有两种：种是用面接触单元来进行处理；另一种是通过节点耦合的方法处理。前者属于非线性问题，需要反复迭代计算，不易收敛，且计算精度难以保证；因此为了更贴近实际工作情况，本文采用节点耦合的方法来处理吊臂与滑块上表面的接触，接触类型选择NoSeparation.而滑块下表面与臂体之间的连接则采用Bonded来模拟，这种接触认为是刚性的。

 

转臂、第二变幅油缸、基本臂三者之间通过销轴铰接，在接触设置中将其定义为Revolute.1.4网格划分网格质量对有限元计算精度和敛散性有着至关重要的影响。由于吊臂结构较为复杂，考虑到计算规模和计算速度，本文主要采用HexDominant方法以及扫掠法，分别对臂体和滑块进行网格划分。将容易出现坏单元的部分（例如加强板与臂体焊接处）采用Slice切片操作从规则主体上切出，然后采用高阶三维20节点Solid186单元局部划分网格，使网格形状尽可能规则，避免网格畸形，*终得到节点总数为216143，单元总数为109487.1.5施加载荷及约束作用在起重机上的载荷分为常规载荷、偶然载荷、特殊载荷及其他载荷等类型0.本文对吊臂进行的是静应力结构分析，考虑到风载荷引起的回转平面内所受载荷的值相对较小且偶然性太大，因而忽略不计。*终选定的载荷组合为：自重载荷（含吊臂、吊具及液压伸缩机构重量）+起重载荷（考虑动载系数）+侧偏载荷。自重载荷可通过在ANSYSWorkbench软件前处理模块中施加重力加速度得到；起重载荷则通过各工况下额定起升载荷乘以动载系数后，将相应的值以Force的形式施加在吊耳处；侧偏载荷可采用吊重偏移的方法施加于头部，但必须保证在加侧载时不得产生铅垂方向上的分力，侧载系数取5%H.考虑吊臂*危险的状态（全伸臂），根据规范3及该型号随车起重机起重性能确定结构分析的3种工况，结构分析工况如表2所示，表2中，g为重力加速度，m/s2，I“表示该项未施加。

 

由度约束，仅释放绕销轴中心的旋转自由度。为了模拟液压伸缩机构对于伸缩臂的轴向支撑，对各节伸缩臂与液压伸缩机构相连接的位置应用Remote表2结构分析工况工况臂长/m巾虽度/m额载/N侧载/N分析主要目的115.516.516500g―验证结构强度215.516.520625g―验证结构强度315.placement限制其沿吊臂轴向的刚性位移。

 

2求解及结果后处理与分析2.1求解及结果后处理在Mechanical环境中完成诸多前处理操作后，在Solution分支中插入Equivalent（Von-Mises）Stress和TotalDeformation，点击“Solve进行求解计算，为保证求解精度，求解器仍为ANSYS经典求解器。3种工况下吊臂结构的位移云图和应力云图如、所示。

 

3种工况下吊臂结构Von-Mises应力云。2强度分析吊臂主体材料选用HG785高强度钢，屈服极限s=680MPa，许用应力W=s/1.5=453MPa.由所示可知，3种工况下*大的等效应力分别为317.29、389.84、464.53MPa，均小于材料屈服极限但其中*大值超过材料许用应力。考虑Von-Mises等效应力极值均发生在下滑块与伸缩臂的套接处，该区域属于模型耦合区，在计算过程中产生附加拉压应力（非外载荷引起），且无法精确反映支撑滑块接触表面的实际处理工艺（如润滑等），所以在滑块接触表面附近出现应力奇异点，这并不代表实际应力状况，可忽略不计郭耀松，张新忠，张大伟。起重机吊臂结构的有限元分析。衣业装备与车辆工程，2009（7）：9-11.黄大巍，李风，毛文杰。现代起重运输机械。北京：化学工业出版社，2006.GB/T60684008汽车起重机和轮胎起重机试验规范。

 

北京：中国标准出版社，2009.韦仕富，王三民，郑钰琪，等。某型汽车起重机吊臂的有限元分析及试验验证。机械设计，2011，28（6）。

 

韩建保，李邦国，张鲁滨，等。车载式起重机吊臂强度条件和减重方案研究。现代制造工程，2005（6）。

 

0超级学习手册M.北京：人民邮电出版社，2013.表5有限元仿真计算值与测量值比较测胡青春，教授，主要研究方向为机械设计及理论。