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下載手機(jī)APP 汽車起重機(jī)是一種應(yīng)用廣泛的運(yùn)輸工程機(jī)械。盡管中國(guó)工程機(jī)械行業(yè)起步較晚，但發(fā)展速度很快，目前已形成了獨(dú)立的制造體系。但許多企業(yè)偏重于生產(chǎn)，對(duì)其設(shè)計(jì)技術(shù)的研究較少，因此，缺乏建立在科學(xué)分析基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)方法。某公司本著引進(jìn)、消化、吸收和創(chuàng)新的原則，結(jié)合我國(guó)的國(guó)情和實(shí)際的工作需要，對(duì)其引進(jìn)的汽車起重機(jī)進(jìn)行了改裝，起吊裝置由以前位于車頭后部改為放置在牽引車尾部附加的尾架上.但在試用階段發(fā)現(xiàn)，改裝后尾架結(jié)構(gòu)在達(dá)到起重機(jī)額定起吊重量的印%時(shí)，出現(xiàn)尾架和液壓支腿嚴(yán)重變形，整車側(cè)傾較大現(xiàn)象。針對(duì)這一問(wèn)題，本文利用有限元分析軟件MSC/patran和MSC/nastran對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算，并提出改進(jìn)措施，基于起重機(jī)的實(shí)際工況較多，限于篇幅，本文僅以臂長(zhǎng)L=8m，吊重G=6t，角度θ=180°(起重機(jī)吊臂在車身正上方)工況，介紹該汽車起重機(jī)尾架結(jié)構(gòu)的有限元分析過(guò)程。其尾架結(jié)構(gòu)如圖1。
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1有限元基本理論
有限元法是一種離散化的數(shù)值方法。它考慮預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的偏移與應(yīng)力的影響，將結(jié)構(gòu)分割成單元網(wǎng)格，使離散后的網(wǎng)格單元之間只通過(guò)節(jié)點(diǎn)相聯(lián)系，每個(gè)單元均具有簡(jiǎn)單形態(tài)(如正方形或三角形)，單元上的未知量即是節(jié)點(diǎn)的位移。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程是將單個(gè)單元的剛度矩陣組合起來(lái)以形成總體的剛度矩陣，在給予己知力和邊界條件下，求解總體剛度矩陣，得出節(jié)點(diǎn)位移，從而計(jì)算出每個(gè)單元的應(yīng)力.
有限元分析可使有限元計(jì)算模型在離散化后歸結(jié)為一個(gè)線性方程組求解，其線性代數(shù)方程組如下：
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2尾架有限元模型建立
2.1實(shí)體建模和有限元網(wǎng)格劃分
起重機(jī)工作時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)重量靠4個(gè)液壓支腿支撐。為保證有限元分析計(jì)算結(jié)果的可靠性和精度，建立了包括汽車底盤(含輔梁)、前后支腿、尾架改裝結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)臺(tái)在內(nèi)的整車有限元模型，起重機(jī)的尾架部分采用16Mn鋼焊接而成。在建立車架的有限元模型時(shí)，材料性質(zhì)全部使用16Mn鋼的性能指標(biāo)。
劃分網(wǎng)格時(shí)，由于整車結(jié)構(gòu)復(fù)雜且大量采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，考慮到各板厚度均勻，與板長(zhǎng)和寬相比較小得多，根據(jù)經(jīng)典薄殼理論假設(shè)，厚度小于中面輪廓尺寸1/5的為薄板，因此，這里采用空間板殼元單元進(jìn)行分析。主要部件使用收斂性質(zhì)較好、計(jì)算精度較高的四節(jié)點(diǎn)四邊形空間板殼元，而曲線邊界、拐角和焊縫等形狀不規(guī)則部分則使用適用性較好的三節(jié)點(diǎn)空間板殼元進(jìn)行擬合過(guò)渡。整個(gè)有限元模型共劃分約16700個(gè)空間板殼單元。有限元網(wǎng)格模型如圖2。
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2.2載荷處理
起重機(jī)車架在實(shí)際工作中，承受載荷比較復(fù)雜。模型中起重機(jī)自重和吊重簡(jiǎn)化成通過(guò)回轉(zhuǎn)中心的一個(gè)垂直向下的集中載荷G以及吊重平面內(nèi)的力矩M。按靜力等效原則，將這兩種載荷分解到尾架上與起重機(jī)座圈聯(lián)接的40個(gè)螺栓點(diǎn)上，其中G為均勻分布，而M作用到螺栓點(diǎn)上力的大小，視其點(diǎn)到回轉(zhuǎn)軸距離成正比，為線性分布。每個(gè)加載點(diǎn)的合力大小是將這兩種力進(jìn)行迭加。
2.3約束處理
如圖3，約束4個(gè)支腿端部接觸面的Y方向移動(dòng)、繞x及z軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。為消除結(jié)構(gòu)剛體位移，選擇支腿底面，通過(guò)建立固定的多點(diǎn)約束，約束x,z方向的移動(dòng)自由度，具體計(jì)算時(shí)，先按4個(gè)支腿全部工作時(shí)考慮，即對(duì)4個(gè)支腿全部加約束，倘若出現(xiàn)某一個(gè)支腿反力方向垂直向下(即Y沿軸的負(fù)方向)，則表明此支腿在實(shí)際工作時(shí)已離開(kāi)地面，故必須解除其約束，重新計(jì)算，模型加載及約束情況如圖3。
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3計(jì)算結(jié)果與分析
通過(guò)對(duì)上述有限元模型進(jìn)行計(jì)算，該工況尾架上應(yīng)力值較大的區(qū)域主要集中在尾架結(jié)構(gòu)左側(cè)下角板拐角過(guò)渡處，這與起重機(jī)的重心偏向尾架左側(cè)有關(guān)，其值為531MPa。尾架左側(cè)結(jié)構(gòu)上應(yīng)力分布情況如圖4。
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現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試時(shí)，采用電阻應(yīng)變片來(lái)進(jìn)行應(yīng)變及應(yīng)力的測(cè)量，應(yīng)變片的布置是根據(jù)該尾架在試用過(guò)中裂紋實(shí)際發(fā)生的部位及有限元初步分析結(jié)果確定的。各測(cè)點(diǎn)主要分布在尾架左右兩側(cè)的角板、側(cè)板、上蓋板和下蓋板上，現(xiàn)將實(shí)測(cè)結(jié)果和有限.
從表1可以看出，最大誤差不超過(guò)15%，有限元計(jì)算值和實(shí)際測(cè)試值相當(dāng)吻合。這說(shuō)明所建立的有限元模型能夠正確反映該起重機(jī)的實(shí)際力學(xué)特性，計(jì)算結(jié)果可靠，可用來(lái)評(píng)價(jià)該起重機(jī)的力學(xué)性能。在3,4,7,8,14等測(cè)點(diǎn)，有限元計(jì)算值和實(shí)測(cè)值都大致相同，它們均不同程度地超過(guò)材料的許用應(yīng)力。特別在應(yīng)力較大的3,7,8號(hào)測(cè)點(diǎn)處，計(jì)算值和實(shí)測(cè)值甚至遠(yuǎn)大于材料的屈服極限。因此，原結(jié)構(gòu)的這些區(qū)域不能滿足強(qiáng)度要求，需對(duì)其作進(jìn)一步改進(jìn)。
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4結(jié)構(gòu)改進(jìn)
為了減小大應(yīng)力區(qū)的超應(yīng)力狀況，將汽車底盤主梁槽鋼結(jié)構(gòu)尾端的下翼削去500mm、內(nèi)側(cè)板向前延伸670mm(水平長(zhǎng)度)、兩側(cè)下角板均向前延伸85mm、厚度由10mm增加到12mm，同時(shí)在兩腹板各對(duì)稱部位增加一尺寸相同的外側(cè)板，這里給出改進(jìn)前后的部分結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖5。
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改進(jìn)后結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算結(jié)果如圖6。
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對(duì)比云紋圖4和圖6可以看出，修改后的模型無(wú)論是最大應(yīng)力值還是最大應(yīng)力區(qū)域面積都減少了很多，最大應(yīng)力由531MPa減小到251MPa，只有原來(lái)的約50%。特別是高應(yīng)力區(qū)域面積幾乎不存在，最大應(yīng)力盡管超過(guò)16Mn鋼材的許用應(yīng)力，但未超過(guò)5%，故改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)可滿足強(qiáng)度要求。
5結(jié)語(yǔ)
1)對(duì)汽車起重機(jī)尾架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析，得到了該結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)部位及應(yīng)力分布，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果相當(dāng)吻合，從而證明了計(jì)算分析的可靠性。
2)根據(jù)應(yīng)力情況，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部改進(jìn)，計(jì)算結(jié)果表明，改進(jìn)后結(jié)果可滿足強(qiáng)度要求。
3)所采用的方法可為同類結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供借鑒。(end)
