QY25K型汽車起重機伸縮吊臂的有限元分析

1、QY25K型汽車起重機伸縮吊臂的有限元分析紀愛敏彭鐸劉木南羅衍領(lǐng)張培強1伸縮吊臂的結(jié)構(gòu)組成及分析方法QY25K汽車起重機采用四節(jié)伸縮式箱形吊臂，如圖 1所示。各節(jié)臂 之間可以相對滑動，靠它們搭接的上下滑塊來傳遞作用力?；颈?1 根部與轉(zhuǎn)臺通過水平銷軸鉸接，且其中部還與變幅液壓缸5鉸接，可 實現(xiàn)吊臂在變幅平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動。吊臂伸縮采用一級伸縮液壓缸、雙 繩排滑輪機構(gòu)（兩伸、兩縮）以實現(xiàn)二、三、四節(jié)吊臂同步伸縮。吊臂截面形狀為兩塊成型鋼板對焊而成。其上半部為大圓角過渡形,下半部為外凸折板形，中部焊上槽形加強筋，見圖 2。吊臂的設(shè)計計算通常的方法是將吊臂結(jié)構(gòu)視為梁模型進行強度及剛 度等方面的分析。但

2、實際上，吊臂是由薄板對焊起來的箱形結(jié)構(gòu)，應(yīng) 該視為板殼模型。解決這樣一個變截面板殼模型受力問題，比較行之有效的方法是有限元法。故我們應(yīng)用此法，并采用功能強大、技術(shù)上 非常成熟的商用有限元軟件ANSYS為工具來進行分析。基于吊臂的 實際工況較多，限于篇幅，本文僅以全伸臂工況為例（臂長L=32 m， 幅度R=6 m，吊重6 t），介紹QY25K汽車起重機伸縮吊臂結(jié)構(gòu)有限 元的分析過程。2伸縮吊臂有限元模型建立2.1實體建?？紤]到吊臂的重量，在解算時由 ANSYS自動計算。為確保其重心位 置的正確性，必須以吊臂的真實工況位置（仰角 0 ）進行建模，亦即 先要計算仰角0的大小，再激活工作平面（work

3、plane ），將工作平面 旋轉(zhuǎn)B角，在工作平面內(nèi)造型。各節(jié)臂的筒體由薄板構(gòu)成，取中面尺 寸造型?；诨颈鄣奈膊考八墓?jié)臂的頭部結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜且剛性很 大，故將其簡化成實體，利用 ANSYS 強大的造型功能，如：拉伸、 移動、拷貝、布爾加減運算、粘接等，可方便地建模。2.2 單元選取及網(wǎng)格劃分板采用板殼元 Shell63 來離散。 Shell63 是一種 4 節(jié)點線彈性單元， 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考慮彎曲變形及中面內(nèi)的膜力， 比較符合 吊臂的實際受載情況。實體單元選用 8 節(jié)點的 6 面體單元 Solid45 ?？紤]到每節(jié)臂之間都有

4、搭接部分， 不易選中，且大部分板厚都不一樣， 若是每塊板逐個進行網(wǎng)格劃分，效率低下，容易出錯，為此我們先在 實體模型上指定屬性，即賦予所有實體需劃分的單元、材料特性、實 常數(shù)等，然后由程序一次對所有板、塊進行網(wǎng)格劃分，同時也避免了 在網(wǎng)格劃分操作中重復(fù)設(shè)置屬性。 若是對某些網(wǎng)格形狀不滿意， 則可 對這部分重新進行劃分，因為重新劃分時，可刪除已有的網(wǎng)格，但不 會刪除所指定的屬性。各節(jié)臂筒體采用自由（ free ）及映射（ mapped ）方式劃分。滑塊處 采用掃掠（ sweep ）劃分，以保證其形狀為六面體。整個網(wǎng)格劃分，控制單元形狀盡可能規(guī)則，避免形狀畸形最終形成吊臂的有限元模型規(guī)模：節(jié)點數(shù)

5、52 017個，單元數(shù)62 827 個，其中板單元42 153個，實體單元20 674個。網(wǎng)格如圖3所示。2.3滑塊接觸處模型處理由于吊臂工作時，各節(jié)臂之間靠與滑塊接觸和擠壓來傳遞力，有限元建模中，必須解決各節(jié)臂與滑塊間的連接問題。首先考慮用ANS YS中的接觸單元來分析，但由于該算例中，單元數(shù)頗多，模型規(guī)模大， 且有12處接觸（四節(jié)臂上下有12個滑塊），而接觸問題屬于非線性， 求解過程必須反復(fù)迭代計算，因而計算量實在太大，另外，其準確性 也較差（實際結(jié)構(gòu)中的接觸特性尚不清楚），基于此，我們運用另外 一種方法一一節(jié)點自由度耦合技術(shù)來模擬滑塊與各節(jié)臂的接觸。工作時，滑塊與吊臂保持接觸，但它們之間

6、沿接觸面有相對滑動趨勢，故 相對應(yīng)的節(jié)點間沿接觸面的法向自由度必須耦合，而切向自由度則不能耦合，應(yīng)當釋放。為了達到此目的，首先要旋轉(zhuǎn)節(jié)點坐標系，旋轉(zhuǎn) 角度即為仰角0，利用各節(jié)臂與滑塊在同一位置節(jié)點（CoincidentNode ）間的耦合，可方便地實現(xiàn)12個滑塊與吊臂對應(yīng)節(jié)點的耦合。2.4 加載及約束處理吊臂所受的載荷有：吊重、側(cè)載、鋼絲繩在臂頭的拉力、風(fēng)載、液壓 缸作用力及伸縮機構(gòu)鋼絲繩拉力。 風(fēng)載荷加到吊臂側(cè)面上， 而其它力 則須加到相應(yīng)位置的節(jié)點上（或關(guān)鍵點上） ，為了使得這些加載點能 成為節(jié)點，首先需要在此位置處創(chuàng)建硬點（ Hard points ），此外，由 于鋼絲繩在臂頭的拉力及伸

7、縮機構(gòu)鋼絲繩拉力等方向與整體坐標系 方向不一致，故還須旋轉(zhuǎn)這些節(jié)點坐標系，以便于加載。 約束處理：基本臂尾部與轉(zhuǎn)臺鉸接處， 約束 3 個方向平移自由度 （UX、UY、UZ）和兩個方向的轉(zhuǎn)動自由度（ROTY、ROTZ ）。釋放繞銷軸 中心回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動自由度（ROTX）。變幅液壓缸鉸點處同樣處理。3 計算結(jié)果與分析通過對上述有限元模型進行計算，得到在工況下的最大變形量為：UX=0.542 m ，UY=0.272 m ， UZ= 1.039 m ，均位于吊臂頭部。 應(yīng)力計算結(jié)果用V on mises當量應(yīng)力值表示。吊臂上應(yīng)力值較大的 區(qū)域為：下滑塊作用位置的折板處以及基本臂與變幅液壓缸鉸接處。 最大應(yīng)

8、力發(fā)生在三節(jié)臂折板與左滑塊接觸處，其值達到 551 MPa， 其上應(yīng)力分布情況如圖 4 所示（注：折板位置見圖 2）。圖中標出應(yīng) 力值較大點，它們靠近吊臂外側(cè)。 其它滑塊處的應(yīng)力分布情況也是這 樣。QY25K型伸縮吊臂已做過結(jié)構(gòu)應(yīng)力試驗，所加載荷有：吊重、側(cè)載 和風(fēng)載，由于風(fēng)載作用在吊臂的側(cè)面，試驗中很難施加，故將其轉(zhuǎn)化 到吊臂頭部來進行施加。試驗的測點均布置在滑塊附近，現(xiàn)將用有限 元法在測點處的計算應(yīng)力值與實測值進行比較，見表1。I 4njj-175-in13402524IM 11 ftto-in|(KJ101IfiT.TI7DIMI146.3閻嘗)iT-230-13 1 IM4結(jié)束語 （1）用有限元法對伸縮吊臂結(jié)構(gòu)進行強度、剛度分析，其結(jié)果應(yīng)該 比常規(guī)的解析法更準確、 可靠，且可以獲