某型汽車起重機(jī)吊臂的有限元分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

 

    基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50875210）吊臂是某型汽車起重機(jī)的主要受力構(gòu)件，通過吊臂能夠?qū)⒅匚锾嵘揭欢ǖ母叨?，改變吊臂傾角可達(dá)到變幅的目的，以增大作業(yè)范圍。吊臂設(shè)計(jì)是否合理，直接影響著起重機(jī)的承載能力和整機(jī)性能。因此對(duì)起重機(jī)的吊臂進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)分析有著非常重要的意義。

 

    某型汽車起重機(jī)整機(jī)如所示，采用兩節(jié)伸縮式吊臂。各節(jié)臂間有相對(duì)滑動(dòng)?？科渲械闹位瑝K來支撐吊臂并傳遞力。吊臂截面采用六邊形形式，六邊形截面?zhèn)劝灞。瑝撼烧垴沸?，受力合理，下蓋板較上蓋板競(jìng)度小，具有較高抗屈曲能力"°。

 

    變化范圍為：0矣矣70°，0矣X矣4300mm.當(dāng)=0時(shí)，吊臂呈水平，當(dāng)X=4300mm時(shí)，吊臂呈現(xiàn)全伸長(zhǎng)對(duì)起重機(jī)吊臂的傳統(tǒng)計(jì)算方法多為依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式的手工計(jì)算，由于手工計(jì)算的物理模型過于簡(jiǎn)化，建立的數(shù)學(xué)模型不完全符合結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，故無法保證計(jì)算的精度。在有限元技術(shù)非常成熟的今天，借助有限元商用軟件來計(jì)算大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，能夠在大大減少勞動(dòng)量的同時(shí)還提高計(jì)算精度。目前有限元軟件越來越廣泛地應(yīng)用于工程機(jī)械的強(qiáng)剛度分析，但針對(duì)汽車起重機(jī)的分析研究并不多見，紀(jì)爰敏等2利用ANSYS有限元軟件對(duì)QY25K型汽車起重機(jī)吊臂進(jìn)行強(qiáng)剛度分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，二者結(jié)果也比較吻合，但是該分析僅針對(duì)一種工況，這就降低了計(jì)算結(jié)果對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)的性；焦文瑞等S同樣利用ANSYS軟件對(duì)汽車起重機(jī)四邊形伸縮吊臂進(jìn)行有限元分析，并與理驗(yàn)，且僅對(duì)一種工況進(jìn)行分析，對(duì)現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)分析的指導(dǎo)性不強(qiáng)；蔣紅旗4基于ANSYS軟件在不同工況下對(duì)高空作業(yè)車吊臂進(jìn)行有限元分析，結(jié)果合理，并提出改進(jìn)方案，但其同樣缺乏真實(shí)試驗(yàn)。針對(duì)以上分析現(xiàn)狀存在的問題，文中采用ANSYS有限元分析軟件在不同危險(xiǎn)工況下對(duì)某起重吊臂進(jìn)行靜強(qiáng)剛度計(jì)算，并與真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

 

    表1吊臂結(jié)構(gòu)材料參數(shù)構(gòu)件材料彈性模量/Pa泊松比密度/1吊臂有限元模型的建立11實(shí)體建模鑒于ANSYS軟件實(shí)體造型的局限性和吊臂自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，文中采用通用三維造型軟件SolidWorks對(duì)吊臂進(jìn)行實(shí)體建模，之后以Parasolid（xt）格式將實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行有限元分析。

 

    1.2單元類型的選擇基于軟件對(duì)吊臂進(jìn)行有限元分析的通常方法均是將吊臂結(jié)構(gòu)視為線模型，后賦予梁?jiǎn)卧獙傩赃M(jìn)行強(qiáng)度和剛度等方面的有限元計(jì)算，但是梁?jiǎn)卧怯镁€來代替三維實(shí)體結(jié)構(gòu)，并不能反映結(jié)構(gòu)幾何上的細(xì)節(jié)，且伸縮式吊臂是由鋼板焊接而成的箱型結(jié)構(gòu)，應(yīng)該選用二維板殼單元和三維實(shí)體單元混合分網(wǎng)，或全部選用三維實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格?？紤]到吊臂模型較復(fù)雜，文中采用三維實(shí)體單元Solid187對(duì)吊臂進(jìn)行有限元分析。

 

    Solid187單元是一個(gè)高階三維10節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元，單元具有二次位移模式，可以更好地模擬不規(guī)則的模型5.1.3材料定義吊臂結(jié)構(gòu)材料定義參數(shù)見表1.為線性，從而大大減少計(jì)算機(jī)時(shí)。采用自由分網(wǎng)（Free）技術(shù)，*終形成單元數(shù)為5561-5施加載荷及約束處理1.5.1載荷分析作用在起重機(jī)上的載荷分為常規(guī)載荷、偶然載荷、特殊載荷及其他載荷等類別63，但是由于常規(guī)載荷是起重機(jī)正常工作中經(jīng)常發(fā)生的載荷，且此次對(duì)起重機(jī)吊臂進(jìn)行的是靜強(qiáng)度試驗(yàn)分析，所以對(duì)吊臂計(jì)算所需的載荷僅為常規(guī)載荷中的自重載荷、起升載荷，考慮動(dòng)載系數(shù)與相應(yīng)靜載荷相乘的動(dòng)載效應(yīng)及由于貨物偏擺與風(fēng)載等因素產(chǎn)生的側(cè)向載荷（偶然載荷）。

 

    由于ANSYS有限元軟件可根據(jù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)自動(dòng)計(jì)算其重力，故在此無需另行施加吊臂額定起升載荷PQ是起重機(jī)起吊額定質(zhì)量（在試驗(yàn)中為28t）時(shí)的重力。當(dāng)貨物無約束起升離開地面時(shí)，貨物的慣性力將會(huì)使起升載荷出現(xiàn)動(dòng)載增大的作用，此動(dòng)載效應(yīng)用一個(gè)大于1的起升動(dòng)載系數(shù)！2乘以額定起升載荷Pq來考慮67，試驗(yàn)中起升動(dòng)載系數(shù)！2根據(jù)試驗(yàn)確定。取1.25.側(cè)載可以采用吊重側(cè)向偏移的方法施加于臂架頭部，但必須保證在施加側(cè)載時(shí)不得產(chǎn)生鉛垂方向的附加分力，其大小用一個(gè)側(cè)載系數(shù)乘以額定起升載荷Pq來考慮，側(cè)載系數(shù)根據(jù)*大額定起重量選擇68，在此次試驗(yàn)中，側(cè)載系數(shù)取。05.表2結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試工況工況臂長(zhǎng)/m幅度/m吊具重項(xiàng)載荷。

 

    1.4實(shí)體模型處理及劃分網(wǎng)格從吊臂的整體結(jié)構(gòu)來看，各節(jié)臂之間通過滑塊接觸和擠壓來傳遞力，故分析中必須解決各節(jié)臂與滑塊的連接關(guān)系。由于涉及接觸問題，本該通過ANSYS設(shè)定接觸對(duì)來進(jìn)行求解，但是由于接觸分析屬于非線性分析范疇，求解過程需要反復(fù)迭代，既耗時(shí)又不易收斂，且吊臂實(shí)際結(jié)構(gòu)中的接觸特性不易模擬，為盡可能減小吊臂結(jié)構(gòu)發(fā)生應(yīng)力奇異的區(qū)域，只能用一般的有限元方法求解。其中，節(jié)點(diǎn)尤合（CoupieDOFs）是比較常用的技術(shù)，但是節(jié)點(diǎn)耦合技術(shù)要求接觸面上對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)必須一致，此條件在一般條件下很難滿足考慮到此次分析為靜態(tài)分析（構(gòu)件不能有剛體位移），故分析中采用布爾操作一粘貼（Vglue）對(duì)模型進(jìn)行處理，即將滑塊同各級(jí)臂粘連起來，此法使得分析模型轉(zhuǎn)由于此次試驗(yàn)分析僅針對(duì)起重機(jī)吊臂結(jié)構(gòu)，故還需在臂架頭部施加起升繩拉力S1，S2，其方向位于臂架端點(diǎn)與起升卷筒的連線上（如所示）。

 

    根據(jù)規(guī)范69，采用雙聯(lián)滑輪組時(shí)，鋼絲繩*大拉力為：考慮吊臂的*危險(xiǎn)工況（全伸臂），根據(jù)GB/T6068.3―2005〈汽車起重機(jī)和輪胎起重機(jī)試驗(yàn)規(guī)范第3部分，結(jié)構(gòu)試驗(yàn)布置結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試工況，如表表3不同工況下吊臂結(jié)構(gòu)撓度值mm工況變幅平面內(nèi)撓度Lx回轉(zhuǎn)平面內(nèi)撓度Ly174.841.05273.9225.92393.951.32當(dāng)起吊額定載荷時(shí)，變幅平面內(nèi)撓度為：a―鋼絲繩與吊具夾角，a=40°；n組滑輪組效率'取n組=96；式（1）中分母乘2表示繞入卷筒的鋼絲繩分支數(shù)為2.由于計(jì)算考慮的是吊臂*危險(xiǎn)工況，故取Si=吊具重力吊臂，較接-變幅液壓缸吊臂受力簡(jiǎn)。5.2施加載荷及位移約束由于基本臂根部鉸點(diǎn)（中點(diǎn)A）和變幅油缸上鉸點(diǎn)（中點(diǎn)B）在變幅平面內(nèi)為簡(jiǎn)支，在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)呈固支，故需在柱坐標(biāo)系下約束基本臂相應(yīng)銷孔的徑向自由度和軸向自由度。

 

    對(duì)于作用在吊臂上的載荷，可根據(jù)前述計(jì)算的數(shù)值和相應(yīng)工況并以相應(yīng)的方向施加于吊臂頭部，如所示。

 

    對(duì)于吊臂自身重力，ANSYS軟件將根據(jù)密度與重力加速度自行計(jì)算，在此無需另行施加。

 

    2計(jì)算結(jié)果的處理及分析21剛度校核上的變形分量，從而可計(jì)算出變幅平面及回轉(zhuǎn)平面內(nèi)曉度，見表3.當(dāng)起吊額定載荷，并附加側(cè)向載荷（額定載荷的5%）時(shí)，回轉(zhuǎn)平面內(nèi)撓度為：Ly吊臂在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的許用撓度，m；針對(duì)3種工況的許用撓度為：綜上分析，3種工況下吊臂均滿足剛度要求。

 

    2.2強(qiáng)度校核吊臂金屬材料選用DB685鋼，屈服極限。=590MPa，許用應(yīng)力W=/1.5=393MPa.由應(yīng)力云，和可知，3種工況下*大VonMise等效應(yīng)力分別為388，397，487MPa，3者雖均小于屈服極限。，但后2者均大于許用應(yīng)力W.考慮到VonMise等效應(yīng)力極值均發(fā)生在后滑塊與基本臂接觸處，該區(qū)域?qū)儆谀Ｐ婉詈蠀^(qū)，針對(duì)該區(qū)域執(zhí)行布爾操作（Vglue）在有限元計(jì)算過程中會(huì)產(chǎn)生附加的拉壓應(yīng)力（并非施加于吊臂上的外載荷引起），且此吊臂模型僅是實(shí)際結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型，很難精確反映支撐滑塊接觸表面處的實(shí)際處理工藝（如潤(rùn)滑等），所以在滑塊接觸表面出現(xiàn)應(yīng)力奇異點(diǎn)，這并不代表實(shí)際應(yīng)力狀況，可忽略不計(jì)。

 

    略去應(yīng)力奇異點(diǎn)，從應(yīng)力云，及曲線，可以看出，3種工況下吊臂構(gòu)件的*大VonMise等效應(yīng)力分別為279，3者均小于許用應(yīng)力W.綜上分析，吊臂在3種工況下均滿足強(qiáng)度要求。

 

    3有限元計(jì)算值與實(shí)測(cè)應(yīng)力值的對(duì)比分析3-1吊臂的應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)利用Y-18型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀對(duì)吊臂進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試。由于二級(jí)臂與前滑塊接觸位置附近及變幅液壓缸與基本臂鉸接處均為潛在的危險(xiǎn)應(yīng)力區(qū)，加之考慮吊臂截面劇變處可能會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，故在實(shí)際測(cè)試過程中，應(yīng)變片布置在如所示的10個(gè)位置上。

 

    吊臂測(cè)點(diǎn)分布。2應(yīng)力實(shí)測(cè)值與有限元計(jì)算值的對(duì)比分析由于結(jié)構(gòu)應(yīng)力試驗(yàn)所測(cè)的是吊臂關(guān)鍵位置的拉壓應(yīng)力f結(jié)合ANSYS在實(shí)測(cè)點(diǎn)計(jì)算出的第1主應(yīng)力S1（*大拉應(yīng)力）和第3主應(yīng)力S3（*大壓應(yīng)力），有限元法計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見表4.由表4可知，所有測(cè)點(diǎn)的有限元應(yīng)力計(jì)算值均小于材料許用應(yīng)力W，其中*大應(yīng)力發(fā)生在第3工況第9測(cè)點(diǎn)，這與真實(shí)測(cè)試結(jié)果芫全吻合，且在該測(cè)點(diǎn)處，有限元計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差非常?。?.29%）。雖然在某些測(cè)點(diǎn)（4號(hào)及2號(hào)測(cè)點(diǎn)）中誤差值有些偏大，這是因?yàn)榈醣蹖?shí)際結(jié)構(gòu)復(fù)雜，簡(jiǎn)化后的三維實(shí)體模型與實(shí)際模型還存在差別，尤其是基本臂前端下滑快處模型模擬的差別，使得二級(jí)臂底板和折板與之相接觸的局部區(qū)域應(yīng)力偏大。且汽車起重機(jī)是一種短周期循環(huán)工作的機(jī)械，這就造成了起重機(jī)實(shí)際載荷的多變性，而基于軟件模擬的有限元模型無法芫全模擬實(shí)際載荷工況，這也會(huì)造成有限元計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值之間的誤差增大。

 

    綜上分析，基于ANSYS有限元軟件分析結(jié)果是合理可靠的。

 

    表4有限元計(jì)算應(yīng)力值與實(shí)測(cè)應(yīng)力值比較測(cè)點(diǎn)工況1工況2工況3實(shí)測(cè)值有限元計(jì)算值誤差/%實(shí)測(cè)值有限元計(jì)算值誤差/%實(shí)測(cè)值有限元計(jì)算值誤差/%4結(jié)論利用大型通用有限元分析軟件ANSYS計(jì)算某起重機(jī)吊臂在3種*危險(xiǎn)工況下的應(yīng)力和變形情況。計(jì)算得出，吊臂在3種工況下均滿足強(qiáng)度及剛度要求。比較3種工況下的撓度及應(yīng)力極值，發(fā)現(xiàn)吊臂變幅平面內(nèi)撓度*大值為93.95mm，發(fā)生在工況3；回轉(zhuǎn)平面內(nèi)撓度*大值為25.92mm，發(fā)生在工況2；吊臂結(jié)構(gòu)*大VonMise等效應(yīng)力為487MPa，低于材料屈服極限，發(fā)生在工況3.*后還對(duì)吊臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，并將有限元計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)ANSYS計(jì)算結(jié)果還是比較吻合的。這也進(jìn)一步說明了基于ANSYS軟件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，可用來評(píng)價(jià)該起重機(jī)的力學(xué)性能。此外，基于文中分析計(jì)算得出的應(yīng)力應(yīng)變分布，可以通過改變截面形狀、薄板厚度、前后滑塊間距等方法來優(yōu)化吊臂結(jié)構(gòu)，為后續(xù)工作提供非常有價(jià)值的。