汽車起重機(jī)吊臂的有限元分析

遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào)汽車起重機(jī)吊臂的有限元分析楊晶李衛(wèi)民劉玉浩2（1.遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧錦州121001；2.空軍第三飛行學(xué)院，遼寧錦州121000）括實(shí)體建模、網(wǎng)格劃分、載荷和約束的處理；并對汽車起重機(jī)吊臂進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。得出的結(jié)論為汽車起重機(jī)吊臂的設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。基金項(xiàng)目：遼寧省重大科技攻關(guān)項(xiàng)目（2006219008-4A）李衛(wèi)民（1965-），男，遼寧朝陽人，教授，博士吊臂是汽車起重機(jī)的重要組成部分。它承受著起重機(jī)的各種外載荷，一般占總機(jī)重量的20%，耗鋼量大。隨著起重量的不斷增大，其吊臂的重量也不斷的增大。因此對汽車起重機(jī)吊臂進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及力學(xué)分析是有著重要意義的。隨著汽車起重機(jī)的不斷發(fā)展，汽車起重機(jī)吊臂的截面已由六邊形、橢圓形截面逐步取代了早期的箱形截面，而橢圓形截面鑒于其生產(chǎn)技術(shù)上的困難，目前還沒有廣泛應(yīng)用，本課題所研究的汽車起重機(jī)吊臂采用目前比較先進(jìn)的六邊形截面。其截面形狀示意圖如所示。傳統(tǒng)意義上對于汽車起重機(jī)吊臂的設(shè)計(jì)只局限于手工計(jì)算，而且一般都是經(jīng)驗(yàn)公式，尤其對吊臂的應(yīng)變分析采用貼應(yīng)變片的方法，其計(jì)算量大而且無法保證計(jì)算的精度。近年來，隨著起重機(jī)的不斷發(fā)展，汽車起重機(jī)吊臂設(shè)計(jì)所使用的計(jì)算理論和方法也取得了很大的進(jìn)步和發(fā)展。目前國內(nèi)外廣泛使用有限元法等新的計(jì)算方法，進(jìn)行吊臂的設(shè)計(jì)計(jì)算，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)水平和精度。目前對于汽車起重機(jī)吊臂的有限元研究主要集中在起重機(jī)吊臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性分析上，對起重機(jī)吊臂的強(qiáng)度及剛度的分析多限于箱形截面的吊臂，對于六邊形截面吊臂的有限元分析尚未見報(bào)道。本文采用功能強(qiáng)大的有限元軟件ANSYS對截面為六邊形的汽車起重機(jī)吊臂進(jìn)行強(qiáng)度、剛度分析。由于起重機(jī)吊臂在實(shí)際工作中工況較多，本文限于篇幅僅選用其中四組具有典型代表意義的工況為例來介紹QY25汽車起重機(jī)伸縮吊臂結(jié)構(gòu)有限元的分析過程，分別為：基本臂工況：臂長：10.50m；最大起重量：24t；工作幅度：3.5m.中長臂工況1：臂長：17.70m；最大起重量：15t；工作幅度：4.0m.中長臂工況2：臂長：24.90m；最大起重量：11t；工作幅度：4.0m.全伸臂工況：臂長：32.40m；最大起重量：7.5t；工作幅度：5.0m.1有限元分析前處理過程有限元模型的建立主要包括實(shí)體模型的建立、結(jié)構(gòu)的離散化、加載和約束3個(gè)步驟。1.1有限元模型的建立建立吊臂的有限元模型，是進(jìn)行有限元分析的前提與基礎(chǔ)。模型建立的基本原則是既要如實(shí)反映結(jié)構(gòu)的主要特征，又要盡量降低模型的復(fù)雜程度，以保證優(yōu)化結(jié)果既有較高的計(jì)算精度又能降低計(jì)算工作量，以節(jié)約優(yōu)化計(jì)算所需的時(shí)間。為了較真實(shí)模擬結(jié)果的幾何形狀，提高分析的精度，必須以吊臂的真實(shí)工況位置（仰角0）進(jìn)行建模，再激活工作平面，將工作平面旋轉(zhuǎn)0角，在工作平面內(nèi)造型。建模的過程中采用自頂向下和自底向上的方式相結(jié)合，熟練運(yùn)用工作平面、三維坐標(biāo)系以及布爾運(yùn)算。對于吊臂筒體尺寸，以板厚度中分面位置來確定建立模型，模型的其他尺寸完全按照圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。在建模的同時(shí)要考慮模型上的各個(gè)加強(qiáng)板，由于上下蓋板上的加強(qiáng)板與模型是焊接在一起的，在對殼單元定義實(shí)常數(shù)時(shí)要分別定義兩個(gè)實(shí)常數(shù)，但是由于模型建立的過程中尺寸是按照板中面的尺寸建立的，所以在定義厚度的同時(shí)蓋板與加強(qiáng)板之間有重疊的厚度，即無法保證原有的厚度尺寸，對于此問題一般的處理方法要考慮其偏心，但對于本例其結(jié)果影響不嚴(yán)重的情況下，將加強(qiáng)板與蓋板視為一塊板，定義一個(gè)厚度值即加強(qiáng)板的厚度與蓋板的厚度之和即可。為了方便施加載荷及約束，在建模的同時(shí)單獨(dú)建立滑塊的作用面。根據(jù)實(shí)際情況，將結(jié)構(gòu)做適當(dāng)?shù)暮喕?，按照簡化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。1.2單元的選取及網(wǎng)格的劃分對已經(jīng)建立好的三維有限元模型定義單元屬性，包括定義單元類型、實(shí)常數(shù)、單元材料屬性等等。吊臂的筒體結(jié)構(gòu)尺寸滿足于彈性力學(xué)及有限元理論中關(guān)于薄板或薄殼彎曲理論中的定義，即彈性體的三個(gè)方向的尺寸中，厚度尺寸遠(yuǎn)小于長度和寬度的尺寸，因此選擇殼單元是合適的。對于殼單元需要定義的實(shí)常數(shù)為其厚度，殼單元shell63由四個(gè)節(jié)點(diǎn)即四個(gè)厚度所定義，但在本例中單元具有統(tǒng)一的厚度，只有在第一個(gè)節(jié)點(diǎn)處輸入厚度值即可，其余實(shí)常數(shù)是針對各向異性材料的，本處不需要。材料屬性與幾何模型無關(guān)，本例中要定義材料的楊氏模量、泊松比及密度。由于模型的各個(gè)部分的厚度不同，所以在進(jìn)行網(wǎng)格劃分前先要分別定義各個(gè)部分的參數(shù)，對吊臂的網(wǎng)格劃分米取自由網(wǎng)格劃分與映射網(wǎng)格劃分相結(jié)合的方法，整個(gè)網(wǎng)格劃分，控制形狀盡量可能規(guī)則，避免形狀畸形。在網(wǎng)格劃分的過程中，對于應(yīng)力集中處以及重要的地方使用較密的網(wǎng)格劃分，其他地方盡量使用較稀的網(wǎng)格。1.3載荷的施加及約束的處理對于吊臂結(jié)構(gòu)所選取的載荷組合為：吊重（考慮動載系數(shù)和起升沖擊系數(shù)）+吊臂自重。對于吊臂的自重，在ANSYS軟件前處理模塊中輸入吊臂所用材料的密度和重力加速度，程序便根據(jù)輸入的單元類型、實(shí)常數(shù)，自動將單元載荷因子的信息計(jì)入總載荷進(jìn)行計(jì)算，但是要注意單位的統(tǒng)一；對于載重力，吊臂整體結(jié)構(gòu)在吊重時(shí)只有四節(jié)臂承受載重力，其他各節(jié)臂通過滑塊相互傳遞作用力，利用力學(xué)知識，從汽車起重機(jī)吊臂的三角點(diǎn)入手，通過平衡方程將作用在四節(jié)臂上的吊重轉(zhuǎn)化為臂段之間的相互作用力，作用在滑塊與吊臂的作用面處。由于本文所研究的吊臂結(jié)構(gòu)為分段考慮，所以滑塊與吊臂之間的作用力視為外力，要對滑塊與吊臂間的接觸部分做特殊的處理。從整個(gè)伸縮吊臂的結(jié)構(gòu)來看，各節(jié)臂和滑塊之間靠相互間的接觸和擠壓來傳遞力，屬于接觸問題，它是非線性的。目前求解接觸問題的趨勢是采用有限元接觸法或一般有限元法，在計(jì)算機(jī)上對吊臂這樣一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)采用有限元接觸法，在現(xiàn)有技術(shù)條件下還有困難，而且所求得的解不容易收斂，所以