汽車起重機轉(zhuǎn)臺有限元分析及優(yōu)化

1、汽車起重機轉(zhuǎn)臺的有限元分析及優(yōu)化摘要：汽車起重機的轉(zhuǎn)臺是用來安裝吊臂、起升機構、變幅機構、回轉(zhuǎn)機構、上車發(fā)動機、司機室、液壓閥組及管路等的機架。轉(zhuǎn)臺通過回轉(zhuǎn)支承安裝在起重機的車架上，為了保證起重機的正常工作，轉(zhuǎn)臺應具有足夠的剛度和強度。對于汽車起重機，為了有較好的通過性和較低的成本，應盡量減小轉(zhuǎn)臺的外形尺寸及重量。隨著計算機輔助工程（CAE）技術在工業(yè)應用領域中的廣度和深度的不斷發(fā)展，它在提高產(chǎn)品設計質(zhì)量、縮短設計周期、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、汽車起重機等整機的仿真，而且，CAE分析不再僅僅是專職分析人員的工作

2、，設計人員參與CAE分析已經(jīng)成為必然。 關鍵詞：汽車起重機；轉(zhuǎn)臺；有限元分析 1. 引言 1. 汽車起重機轉(zhuǎn)臺作為起重機三大結構件之一，負責起重機上車和底盤之間力的傳遞。在現(xiàn)今高強板大量使用的情況下，如何簡化結構、減少重量是起重機設計的難題之一。經(jīng)典ANSYS有限元分析界面是用板殼單元在ANSYS里面建模并進行計算，但是存在建模過于復雜，難以修改，模型無法導出的問題，屬于驗證性計算，而使用ANSYS Workbench Enviroment（AWE）則可以用PRO/E軟件建立模型，再導入AWE進行計算，且在PRO/E中修改模型后再次導入可以保留之前設置的邊界條件，設計效率成倍提高。ANSYS

3、Workbench Enviroment（AWE）作為新一代多物理場協(xié)同CAE仿真環(huán)境，其獨特的產(chǎn)品構架和眾多支承性產(chǎn)品模塊為整機、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. 強大的裝配體自動分析功能針對航空、汽車、電子產(chǎn)品結構復雜，零部件眾多的技術特點，AWE可以識別相臨的零件并自動設置接觸關系，從而節(jié)省模型建立的時間。而現(xiàn)行的許多軟件均需手動設置接觸關系，這不但浪費時間還容易出錯。除此之外，AWE還提供了許多工具，以方便手動編輯接觸表面或為現(xiàn)有的接觸指定接觸類型。AWE提供了與CAD軟件及設計流程之間的超強的整合性，從而發(fā)揮CAE對設計流程最大限度

4、的貢獻。最新的AWE使用接口，可與CAD系統(tǒng)中的實體及曲面模型雙向連接，具有更高的幾何導入成功率。當CAD模型變化是，不需要對所施加的負載和支撐重新定義。AWE與CAD系統(tǒng)的雙向相關性還意味著，通過AWE的參數(shù)管理可方便的控制CAD模型的參數(shù)，從而提高設計效率；AWE的這一功能，還可對多個設計方案進行分析，自動修改每一設計方案的幾何模型。2. 自動化網(wǎng)格劃分功能許多CAE用戶都花大部分的時間在建立網(wǎng)格上，AWE在大型復雜部件，如起重機組裝配件的網(wǎng)格建立上獨具特色，自動網(wǎng)格生成技術可大大節(jié)省用戶的時間。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間和訓練來掌握各種分析

5、，手動處理模型以保證分析的精度；而對于設計人員來講，他所關注的應該是自己的產(chǎn)品設計，而不是有限元方法，因此需要一個可靠的工具來替代傳統(tǒng)的工具，盡可能實現(xiàn)自動化。AWE的自動化網(wǎng)格劃分功能如下： 自適應網(wǎng)格劃分，對于精度要求高的區(qū)域會自動調(diào)整網(wǎng)格密度。 自適應網(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。 自動收斂技術，是自動迭代過程，通過自適應網(wǎng)格劃分以使指定的結果達到要求的精度。例如，如果對某一個零件的最大應力感興趣，可指定該零件的收斂精度。 自動求解選擇，AWE根據(jù)所求解問題的類型自動選擇適合的求解器求解。智能化的負載和邊界條件自動處理。工程背景汽車起重機轉(zhuǎn)臺作為起重機三大結構件之

6、一，負責起重機上車和底盤之間力的傳遞。在現(xiàn)今高強板大量使用的情況下，如何簡化結構、減少重量是起重機設計的難題之一。經(jīng)典ANSYS有限元分析界面是用板殼單元在ANSYS里面建模并進行計算，但是存在建模過于復雜，難以修改，模型無法導出的問題，屬于驗證性計算，而使用ANSYS Workbench Enviroment（AWE）則可以用PRO/E軟件建立模型，再導入AWE進行計算，且在PRO/E中修改模型后再次導入可以保留之前設置的邊界條件，設計效率成倍提高?，F(xiàn)以我20噸起重機為例，介紹如何使用AWE有限元分析手段，進行轉(zhuǎn)臺部分的設計優(yōu)化方法。2. 計算工況及受力分析1. 繪制轉(zhuǎn)臺受力簡圖、尺寸參數(shù)圖

7、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A轉(zhuǎn)臺前鉸點(變幅后鉸點)B變幅前鉸點C臂頭滑輪組D吊臂臂頭(沿吊臂后鉸點O到臂頭的垂足)F吊臂及伸縮機構重心位置H轉(zhuǎn)臺中心(轉(zhuǎn)臺前鉸點同回轉(zhuǎn)中心的交點)G額定載荷G 吊臂及伸縮機構質(zhì)量T單繩拉力n1超載系數(shù)n2鋼絲繩倍率P轉(zhuǎn)臺后鉸點受力N轉(zhuǎn)臺前鉸點受力L吊臂長度LH轉(zhuǎn)臺中心到吊臂的垂直距離T1轉(zhuǎn)臺后鉸點到卷揚鋼絲繩的垂直距離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點平行于吊臂的距離A1轉(zhuǎn)臺前后鉸點的水平距離A2轉(zhuǎn)臺前后鉸點的豎直距離G1轉(zhuǎn)臺后鉸點到回轉(zhuǎn)中心的水

8、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。受力分析計算A=arctan() -(1)rA= -(2)B=arctan() -(3)rB= -(4)C=arctan() -(5)rC=-(6)C=arccos() -(7)吊臂仰角D= C +C-(8)F=arctan()-(9)rF=-(10)AOB=D+-A-B-(11)LOA=rB*sin(arctan()-(12)T=G*-(13)以轉(zhuǎn)臺后鉸點O為旋轉(zhuǎn)點，根據(jù)轉(zhuǎn)矩平衡求得轉(zhuǎn)臺前鉸點正壓力為N=(G*n1*(R+G1)+G*rF*cos(D-F)-T*T1)* -(14)AB=D-B+arct

9、an() -(15)Nx=N*cos(AB) -(16)Ny=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)進而求得轉(zhuǎn)臺后鉸點力P=-(20)LH=*cos(D+A-arctan() -(21)后鉸點力P對轉(zhuǎn)臺中心H點產(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逐個求解后對比可知最大彎矩點所在工況點。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2516.510.6T前鉸點力F

10、1675.2657.4646kN后鉸點力F2352.8458.2466kN卷揚單繩拉力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進行三維實體建模如下圖圖4 轉(zhuǎn)臺三維實體模型該轉(zhuǎn)臺使用桁架式結構：兩塊主立板加槽板形成主要框架，局部拼箱體，使整體結構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節(jié)。由于實際結構往往是復雜的，如果完全按實物建立有限元模型，實際上是不必要的，有時候反而造成網(wǎng)格劃分困難，影響計算精度，還會導致計算時間過長，影響效率。因此，在進行有限元分析之前，常常將零部件上的一些細節(jié)特征進行壓縮處理。在壓縮這些特征

11、時必須注意以下兩點：1. 壓縮特征是否會改變分析模型的特性。2. 壓縮特征是否會影響敏感度和優(yōu)化分析。本例在建立轉(zhuǎn)臺的有限元模型時，對其進行了簡化，所有的螺紋孔及通孔均不作體現(xiàn)。4. 分析步驟1. 導入模型圖5接觸條件在模型導入后已經(jīng)自動設置為bonded圖62. 劃分網(wǎng)格因轉(zhuǎn)臺為板件拼接而成，為體高計算精度，減少節(jié)點、單元數(shù)量故使用六面體網(wǎng)格進行劃分。圖7節(jié)點數(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)臺進行強度校核。載荷情況按表一

12、所示施加。轉(zhuǎn)臺計算只需施加對轉(zhuǎn)臺影響較大的幾個力，像液壓閥座，回轉(zhuǎn)機構產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩，轉(zhuǎn)臺自重等因影響較小均未施加。4. 設定求解參數(shù)，即設定求解何種問題，哪些物理量選擇SolutionInsertDeformationTotal;選擇SolutionInsertStressEquivalent(Von-Mises)如下圖所示圖95. 求解單擊Solve求解，如下圖所示6. 觀察求解結果通過計算，該轉(zhuǎn)臺在最大吊載、最大彎矩、最大幅度三種工況下下，應力云圖如下所示。AC B優(yōu)化前應力云圖-最大吊載BAC優(yōu)化前應力云圖-最大彎矩BAC 優(yōu)化前應力云圖-最大幅度從應力云圖我們發(fā)現(xiàn)在A區(qū)和B區(qū)出現(xiàn)了局

13、部應力集中現(xiàn)象，而在C區(qū)整體應力值偏小，可以通過挖孔減少轉(zhuǎn)臺重量，同時又能降低該區(qū)域剛度，起到分散應力的作用。下面是轉(zhuǎn)臺變形云圖，最大變形處約6mm，因為轉(zhuǎn)臺計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)應力集中，采取貼加強板的方式。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)化后應力云圖-最大吊載優(yōu)化后應力云圖-最大彎矩優(yōu)化后應力云圖-最大幅度從結果上看，原A區(qū)、B區(qū)應力集中現(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。以下是改進后各工況的變形云圖

14、：優(yōu)化后變形云圖-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)化前后應力和變形對比列表：最大吊載工況：A區(qū)應力MPaB區(qū)應力MPa最大變形mm重量kg優(yōu)化前1922984.91069優(yōu)化后106813.21047變化量-45%-74.5%-35%-2%最大彎矩工況：A區(qū)應力MPaB區(qū)應力MPa最大變形mm重量kg優(yōu)化前2703285.71069優(yōu)化后1981525.71047變化量-27%-54%0%-2%最大幅度工況：A區(qū)應力MPaB區(qū)應力MPa最大變形mm重量kg優(yōu)化前3173255.91069優(yōu)化后2261245.81047變化量-28.7%-62%-1.7%-2%通

15、過上面優(yōu)化前后對比發(fā)現(xiàn)，在主立板高應力區(qū)貼加強版可以有效降低局部高應力區(qū)的受力狀態(tài)，應力減小幅度最大高達74.5%，由于整體柔性增強，最大變形量還有減小的趨勢。9. 轉(zhuǎn)臺材料選用HG60，屈服強度極限460MPa，抗拉強度極限590MPa，s/b=0.780.7，根據(jù)GB/T3811，安全系數(shù)取n=1.5，基本許用應力s=(0.5s+0.35b)/n=290MPa。根據(jù)上述分析結果判斷，在三種工況下，轉(zhuǎn)臺整體應力均小于許用應力，滿足設計要求。5. 結論本文借助ANSYS Workbench有限元軟件，通過對比的方法對汽車起重機轉(zhuǎn)臺的分析及優(yōu)化過程進行了詳細介紹，轉(zhuǎn)臺是起重機三大結構件之一，其結構設計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，應力集中多分布在本文所