汽車起重機(jī)轉(zhuǎn)臺的有限元分析及優(yōu)化_圖文

1、汽車起重機(jī)轉(zhuǎn)臺的有限元分析及優(yōu)化摘要：汽車起重機(jī)的轉(zhuǎn)臺是用來安裝吊臂、起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、上車發(fā)動(dòng)機(jī)、司機(jī)室、液壓閥組及管路等的機(jī)架。轉(zhuǎn)臺通過回轉(zhuǎn)支承安裝在起重機(jī)的車架上，為了保證起重機(jī)的正常工作，轉(zhuǎn)臺應(yīng)具有足夠的剛度和強(qiáng)度。對于汽車起重機(jī)，為了有較好的通過性和較低的成本，應(yīng)盡量減小轉(zhuǎn)臺的外形尺寸及重量。隨著計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中的廣度和深度的不斷發(fā)展，它在提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期、節(jié)約成本方面發(fā)揮了越來越重要的作用。目前CAE分析的對象已由單一的零部件分析拓展到系統(tǒng)級的裝配體，如挖掘機(jī)、汽車起重機(jī)等整機(jī)的仿真，而且，CAE分析不再僅僅是專職分析人員的工作

2、，設(shè)計(jì)人員參與CAE分析已經(jīng)成為必然。 關(guān)鍵詞：汽車起重機(jī)；轉(zhuǎn)臺；有限元分析 1. 引言 1. 汽車起重機(jī)轉(zhuǎn)臺作為起重機(jī)三大結(jié)構(gòu)件之一，負(fù)責(zé)起重機(jī)上車和底盤之間力的傳遞。在現(xiàn)今高強(qiáng)板大量使用的情況下，如何簡化結(jié)構(gòu)、減少重量是起重機(jī)設(shè)計(jì)的難題之一。經(jīng)典ANSYS有限元分析界面是用板殼單元在ANSYS里面建模并進(jìn)行計(jì)算，但是存在建模過于復(fù)雜，難以修改，模型無法導(dǎo)出的問題，屬于驗(yàn)證性計(jì)算，而使用ANSYS Workbench Enviroment（AWE）則可以用PRO/E軟件建立模型，再導(dǎo)入AWE進(jìn)行計(jì)算，且在PRO/E中修改模型后再次導(dǎo)入可以保留之前設(shè)置的邊界條件，設(shè)計(jì)效率成倍提高。ANSYS

3、Workbench Enviroment（AWE）作為新一代多物理場協(xié)同CAE仿真環(huán)境，其獨(dú)特的產(chǎn)品構(gòu)架和眾多支承性產(chǎn)品模塊為整機(jī)、多場耦合分析提供了非常優(yōu)秀的系統(tǒng)級解決方案。具體來講，AWE具有的主要特色如下：1. 強(qiáng)大的裝配體自動(dòng)分析功能針對航空、汽車、電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件眾多的技術(shù)特點(diǎn)，AWE可以識別相臨的零件并自動(dòng)設(shè)置接觸關(guān)系，從而節(jié)省模型建立的時(shí)間。而現(xiàn)行的許多軟件均需手動(dòng)設(shè)置接觸關(guān)系，這不但浪費(fèi)時(shí)間還容易出錯(cuò)。除此之外，AWE還提供了許多工具，以方便手動(dòng)編輯接觸表面或?yàn)楝F(xiàn)有的接觸指定接觸類型。AWE提供了與CAD軟件及設(shè)計(jì)流程之間的超強(qiáng)的整合性，從而發(fā)揮CAE對設(shè)計(jì)流程最大限度

4、的貢獻(xiàn)。最新的AWE使用接口，可與CAD系統(tǒng)中的實(shí)體及曲面模型雙向連接，具有更高的幾何導(dǎo)入成功率。當(dāng)CAD模型變化是，不需要對所施加的負(fù)載和支撐重新定義。AWE與CAD系統(tǒng)的雙向相關(guān)性還意味著，通過AWE的參數(shù)管理可方便的控制CAD模型的參數(shù)，從而提高設(shè)計(jì)效率；AWE的這一功能，還可對多個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，自動(dòng)修改每一設(shè)計(jì)方案的幾何模型。2. 自動(dòng)化網(wǎng)格劃分功能許多CAE用戶都花大部分的時(shí)間在建立網(wǎng)格上，AWE在大型復(fù)雜部件，如起重機(jī)組裝配件的網(wǎng)格建立上獨(dú)具特色，自動(dòng)網(wǎng)格生成技術(shù)可大大節(jié)省用戶的時(shí)間。根據(jù)分析類型不同，有很多因素影響分析的精度。傳統(tǒng)的專業(yè)分析人員花大量的時(shí)間和訓(xùn)練來掌握各種分析

5、，手動(dòng)處理模型以保證分析的精度；而對于設(shè)計(jì)人員來講，他所關(guān)注的應(yīng)該是自己的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，而不是有限元方法，因此需要一個(gè)可靠的工具來替代傳統(tǒng)的工具，盡可能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。AWE的自動(dòng)化網(wǎng)格劃分功能如下：Ø 自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，對于精度要求高的區(qū)域會(huì)自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格密度。Ø 自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，生成形狀、特性較好的元素，保證網(wǎng)格的高質(zhì)量。Ø 自動(dòng)收斂技術(shù)，是自動(dòng)迭代過程，通過自適應(yīng)網(wǎng)格劃分以使指定的結(jié)果達(dá)到要求的精度。例如，如果對某一個(gè)零件的最大應(yīng)力感興趣，可指定該零件的收斂精度。Ø 自動(dòng)求解選擇，AWE根據(jù)所求解問題的類型自動(dòng)選擇適合的求解器求解。智能化的負(fù)載和邊界條件自動(dòng)處

6、理。工程背景汽車起重機(jī)轉(zhuǎn)臺作為起重機(jī)三大結(jié)構(gòu)件之一，負(fù)責(zé)起重機(jī)上車和底盤之間力的傳遞。在現(xiàn)今高強(qiáng)板大量使用的情況下，如何簡化結(jié)構(gòu)、減少重量是起重機(jī)設(shè)計(jì)的難題之一。經(jīng)典ANSYS有限元分析界面是用板殼單元在ANSYS里面建模并進(jìn)行計(jì)算，但是存在建模過于復(fù)雜，難以修改，模型無法導(dǎo)出的問題，屬于驗(yàn)證性計(jì)算，而使用ANSYS Workbench Enviroment（AWE）則可以用PRO/E軟件建立模型，再導(dǎo)入AWE進(jìn)行計(jì)算，且在PRO/E中修改模型后再次導(dǎo)入可以保留之前設(shè)置的邊界條件，設(shè)計(jì)效率成倍提高。現(xiàn)以我20噸起重機(jī)為例，介紹如何使用AWE有限元分析手段，進(jìn)行轉(zhuǎn)臺部分的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。2. 計(jì)算

7、工況及受力分析1. 繪制轉(zhuǎn)臺受力簡圖、尺寸參數(shù)圖如下所示：圖1 轉(zhuǎn)臺受力簡圖圖2 轉(zhuǎn)臺尺寸參數(shù)圖一圖3 轉(zhuǎn)臺尺寸參數(shù)圖二主要參數(shù)說明：O轉(zhuǎn)臺后鉸點(diǎn)A轉(zhuǎn)臺前鉸點(diǎn)(變幅后鉸點(diǎn)B變幅前鉸點(diǎn)C臂頭滑輪組D吊臂臂頭(沿吊臂后鉸點(diǎn)O到臂頭的垂足F吊臂及伸縮機(jī)構(gòu)重心位置H轉(zhuǎn)臺中心(轉(zhuǎn)臺前鉸點(diǎn)同回轉(zhuǎn)中心的交點(diǎn)G額定載荷G 吊臂及伸縮機(jī)構(gòu)質(zhì)量T單繩拉力n1超載系數(shù)n2鋼絲繩倍率P轉(zhuǎn)臺后鉸點(diǎn)受力N轉(zhuǎn)臺前鉸點(diǎn)受力L吊臂長度LH轉(zhuǎn)臺中心到吊臂的垂直距離T1轉(zhuǎn)臺后鉸點(diǎn)到卷揚(yáng)鋼絲繩的垂直距離C1臂頭滑輪組到OD的垂直距離F1吊臂重心到OD線的垂直距離F2吊臂重心過O點(diǎn)平行于吊臂的距離A1轉(zhuǎn)臺前后鉸點(diǎn)的水平距離A2轉(zhuǎn)臺前后

8、鉸點(diǎn)的豎直距離G1轉(zhuǎn)臺后鉸點(diǎn)到回轉(zhuǎn)中心的水平距離R工作幅度(重物重心到回轉(zhuǎn)中心的水平距其他參數(shù)如圖示為夾角或直線距離不再特殊說明。受力分析計(jì)算A=arctan( -(1rA= -(2B=arctan( -(3rB= -(4C=arctan( -(5rC= -(6C=arccos( -(7吊臂仰角D= C +C -(8F=arctan( -(9rF= -(10AOB=D+-A-B -(11LOA=rB*sin(arctan(-(12T=G* -(13以轉(zhuǎn)臺后鉸點(diǎn)O為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，根據(jù)轉(zhuǎn)矩平衡求得轉(zhuǎn)臺前鉸點(diǎn)正壓力為N=(G*n1*(R+G1+G*rF*cos(D-F-T*T1* -(14AB=D-B+a

9、rctan( -(15Nx=N*cos(AB -(16Ny=N*sin(AB -(17由整體分析水平方向受力平衡得Px=Nx-T*cos(D -(18由整體分析豎直方向受力平衡得Py=Ny-G-G*n1 -(19進(jìn)而求得轉(zhuǎn)臺后鉸點(diǎn)力P= -(20LH=*cos(D+A-arctan( -(21后鉸點(diǎn)力P對轉(zhuǎn)臺中心H點(diǎn)產(chǎn)生的彎矩M=P*LH -(22根據(jù)起重性能表在最短主臂工況下對彎矩M逐個(gè)求解后對比可知最大彎矩點(diǎn)所在工況點(diǎn)。依據(jù)上述公式代入已知條件可求得轉(zhuǎn)臺在最大吊載、最大彎矩和最大幅度下的前后鉸點(diǎn)受力如表1所示：工況最大吊載最大彎矩最大幅度單位起重量25T前鉸點(diǎn)力F1646kN后鉸點(diǎn)力F24

10、66kN卷揚(yáng)單繩拉力F3282828kN配重重量F4272727kN表1 轉(zhuǎn)臺載荷表建立模型使用三維軟件PRO/E進(jìn)行三維實(shí)體建模如下圖圖4 轉(zhuǎn)臺三維實(shí)體模型該轉(zhuǎn)臺使用桁架式結(jié)構(gòu)：兩塊主立板加槽板形成主要框架，局部拼箱體，使整體結(jié)構(gòu)兼具抗彎和抗扭能力。3. 模型簡化簡化模型是指忽略模型或裝配中的細(xì)節(jié)。由于實(shí)際結(jié)構(gòu)往往是復(fù)雜的，如果完全按實(shí)物建立有限元模型，實(shí)際上是不必要的，有時(shí)候反而造成網(wǎng)格劃分困難，影響計(jì)算精度，還會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過長，影響效率。因此，在進(jìn)行有限元分析之前，常常將零部件上的一些細(xì)節(jié)特征進(jìn)行壓縮處理。在壓縮這些特征時(shí)必須注意以下兩點(diǎn)：1. 壓縮特征是否會(huì)改變分析模型的特性。2.

11、壓縮特征是否會(huì)影響敏感度和優(yōu)化分析。本例在建立轉(zhuǎn)臺的有限元模型時(shí)，對其進(jìn)行了簡化，所有的螺紋孔及通孔均不作體現(xiàn)。4. 分析步驟1. 導(dǎo)入模型圖5 接觸條件在模型導(dǎo)入后已經(jīng)自動(dòng)設(shè)置為bonded圖6 2. 劃分網(wǎng)格因轉(zhuǎn)臺為板件拼接而成，為體高計(jì)算精度，減少節(jié)點(diǎn)、單元數(shù)量故使用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。圖7 節(jié)點(diǎn)數(shù)：156795單元數(shù)：318253. 邊界條件F2F4F3F1 圖8 載荷施加圖例以轉(zhuǎn)臺底板為支撐面，設(shè)為固定約束(Fixed Support分別在最短主臂下的最大吊載、最大彎矩、最大幅度三種工況下，對轉(zhuǎn)臺進(jìn)行強(qiáng)度校核。載荷情況按表一所示施加。轉(zhuǎn)臺計(jì)算只需施加對轉(zhuǎn)臺影響較大的幾個(gè)力，像液壓閥座

12、，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩，轉(zhuǎn)臺自重等因影響較小均未施加。4. 設(shè)定求解參數(shù)，即設(shè)定求解何種問題，哪些物理量選擇Solution>Insert>Deformation>Total;選擇Solution>Insert>Stress>Equivalent(Von-Mises如下圖所示圖9 5. 求解單擊Solve求解，如下圖所示6. 觀察求解結(jié)果通過計(jì)算，該轉(zhuǎn)臺在最大吊載、最大彎矩、最大幅度三種工況下下，應(yīng)力云圖如下所示。AC B優(yōu)化前應(yīng)力云圖-最大吊載BAC 優(yōu)化前應(yīng)力云圖-最大彎矩BAC 優(yōu)化前應(yīng)力云圖-最大幅度從應(yīng)力云圖我們發(fā)現(xiàn)在A區(qū)和B區(qū)出現(xiàn)了局部應(yīng)力集中

13、現(xiàn)象，而在C區(qū)整體應(yīng)力值偏小，可以通過挖孔減少轉(zhuǎn)臺重量，同時(shí)又能降低該區(qū)域剛度，起到分散應(yīng)力的作用。下面是轉(zhuǎn)臺變形云圖，最大變形處約6mm，因?yàn)檗D(zhuǎn)臺計(jì)算不對變形量作要求，所以該值僅供參考之用。優(yōu)化前變形云圖-最大吊載優(yōu)化前變形云圖-最大彎矩優(yōu)化前變形云圖-最大幅度7. 優(yōu)化方案。為降低A、B區(qū)應(yīng)力集中，采取貼加強(qiáng)板的方式。詳見下圖。C區(qū)優(yōu)化形式如下圖8. 優(yōu)化后求解，見下圖 優(yōu)化后應(yīng)力云圖-最大吊載優(yōu)化后應(yīng)力云圖-最大彎矩優(yōu)化后應(yīng)力云圖-最大幅度從結(jié)果上看，原A區(qū)、B區(qū)應(yīng)力集中現(xiàn)象已經(jīng)完全得到改善，轉(zhuǎn)臺重量由優(yōu)化前的1069kg減少為優(yōu)化后的1047kg。以下是改進(jìn)后各工況的變形云圖：優(yōu)化后變

14、形云圖-最大吊載優(yōu)化后變形云圖-最大彎矩優(yōu)化后變形云圖-最大幅度下面為優(yōu)化前后應(yīng)力和變形對比列表：最大吊載工況：A區(qū)應(yīng)力MPaB區(qū)應(yīng)力MPa最大變形mm重量kg優(yōu)化前1922981069優(yōu)化后106811047變化量-45%-74.5%-35%-2%最大彎矩工況：A區(qū)應(yīng)力MPaB區(qū)應(yīng)力MPa最大變形mm重量kg優(yōu)化前2703281069優(yōu)化后1981521047變化量-27%-54%0%-2%最大幅度工況：A區(qū)應(yīng)力MPaB區(qū)應(yīng)力MPa最大變形mm重量kg優(yōu)化前3173251069優(yōu)化后2261241047變化量-28.7%-62%-1.7%-2%通過上面優(yōu)化前后對比發(fā)現(xiàn)，在主立板高應(yīng)力區(qū)貼加強(qiáng)

15、版可以有效降低局部高應(yīng)力區(qū)的受力狀態(tài)，應(yīng)力減小幅度最大高達(dá)74.5%，由于整體柔性增強(qiáng)，最大變形量還有減小的趨勢。9. 轉(zhuǎn)臺材料選用HG60，屈服強(qiáng)度極限460MPa，抗拉強(qiáng)度極限590MPa，s/b=0.780.7，根據(jù)GB/T3811，安全系數(shù)取n=1.5，基本許用應(yīng)力s=(0.5s+0.35b/n=290MPa。根據(jù)上述分析結(jié)果判斷，在三種工況下，轉(zhuǎn)臺整體應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求。1. 結(jié)論本文借助ANSYS Workbench有限元軟件，通過對比的方法對汽車起重機(jī)轉(zhuǎn)臺的分析及優(yōu)化過程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，轉(zhuǎn)臺是起重機(jī)三大結(jié)構(gòu)件之一，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性直接影響到整車的性能。通過對多種轉(zhuǎn)臺做有限元分析后發(fā)現(xiàn)，對于桁架式轉(zhuǎn)臺，應(yīng)力集中多分布在本文所述