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QY25K型汽車起重機伸縮吊臂的有限元分析
時間：2022-03-06來源：起重機廠家瀏覽次數(shù)：102
1伸縮吊臂的結(jié)構(gòu)組成及分析方法
QY25K汽車起重機采用四節(jié)伸縮式箱形吊臂，如圖1所示。各節(jié)臂之間可以相對滑動，靠它們搭接的上下滑塊來傳遞作用力。基本臂1根部與轉(zhuǎn)臺通過水平銷軸鉸接，且其中部還與變幅液壓缸5鉸接，可實現(xiàn)吊臂在變幅平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動。吊臂伸縮采用一級伸縮液壓缸、雙繩排滑輪機構(gòu)（兩伸、兩縮）以實現(xiàn)二、三、四節(jié)吊臂同步伸縮。
吊臂截面形狀為兩塊成型鋼板對焊而成。其上半部為大圓角過渡形，下半部為外凸折板形，中部焊上槽形加強筋，見圖2。
吊臂的設(shè)計計算通常的方法是將吊臂結(jié)構(gòu)視為梁模型進行強度及剛度等方面的分析。但實際上，吊臂是由薄板對焊起來的箱形結(jié)構(gòu)，應(yīng)該視為板殼模型。解決這樣一個變截面板殼模型受力問題，比較行之有效的方法是有限元法。故我們應(yīng)用此法，并采用功能強大、技術(shù)上非常成熟的商用有限元軟件ANSYS為工具來進行分析。基于吊臂的實際工況較多，限于篇幅，本文僅以全伸臂工況為例（臂長L=32m，幅度R=6m，吊重6t），介紹QY25K汽車起重機伸縮吊臂結(jié)構(gòu)有限元的分析過程。
2伸縮吊臂有限元模型建立
2.1實體建模
考慮到吊臂的重量，在解算時由ANSYS自動計算。為確保其重心位置的正確性，必須以吊臂的真實工況位置（仰角θ）進行建模，亦即先要計算仰角θ的大小，再激活工作平面（workplane），將工作平面旋轉(zhuǎn)θ角，在工作平面內(nèi)造型。各節(jié)臂的筒體由薄板構(gòu)成，取中面尺寸造型。基于基本臂的尾部及四節(jié)臂的頭部結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜且剛性很大，故將其簡化成實體，利用ANSYS強大的造型功能，如：拉伸、移動、拷貝、布爾加減運算、粘接等，可方便地建模。
2.2單元選取及網(wǎng)格劃分
板采用板殼元Shell63來離散。Shell63是一種4節(jié)點線彈性單元，它遵循基爾霍夫假定，即變形前垂直中面的法線變形后仍垂直于中面，而且這種單元可以同時考慮彎曲變形及中面內(nèi)的膜力，比較符合吊臂的實際受載情況。實體單元選用8節(jié)點的6面體單元Solid45。
考慮到每節(jié)臂之間都有搭接部分，不易選中，且大部分板厚都不一樣，若是每塊板逐個進行網(wǎng)格劃分，效率低下，容易出錯，為此我們先在實體模型上指定屬性，即賦予所有實體需劃分的單元、材料特性、實常數(shù)等，然后由程序一次對所有板、塊進行網(wǎng)格劃分，同時也避免了在網(wǎng)格劃分操作中重復(fù)設(shè)置屬性。若是對某些網(wǎng)格形狀不滿意，則可對這部分重新進行劃分，因為重新劃分時，可刪除已有的網(wǎng)格，但不會刪除所指定的屬性。
各節(jié)臂筒體采用自由（free）及映射（mapped）方式劃分。滑塊處采用掃掠（sweep）劃分，以保證其形狀為六面體。整個網(wǎng)格劃分，控制單元形狀盡可能規(guī)則，避免形狀畸形。
最終形成吊臂的有限元模型規(guī)模：節(jié)點數(shù)52017個，單元數(shù)62827個，其中板單元42153個，實體單元20674個。網(wǎng)格如圖3所示。
2.3滑塊接觸處模型處理
由于吊臂工作時，各節(jié)臂之間靠與滑塊接觸和擠壓來傳遞力，有限元建模中，必須解決各節(jié)臂與滑塊間的連接問題。首先考慮用ANSYS中的接觸單元來分析，但由于該算例中，單元數(shù)頗多，模型規(guī)模大，且有12處接觸（四節(jié)臂上下有12個滑塊），而接觸問題屬于非線性，求解過程必須反復(fù)迭代計算，因而計算量實在太大，另外，其準確性也較差（實際結(jié)構(gòu)中的接觸特性尚不清楚），基于此，我們運用另外一種方法——節(jié)點自由度耦合技術(shù)來模擬滑塊與各節(jié)臂的接觸。工作時，滑塊與吊臂保持接觸，但它們之間沿接觸面有相對滑動趨勢，故相對應(yīng)的節(jié)點間沿接觸面的法向自由度必須耦合，而切向自由度則不能耦合，應(yīng)當(dāng)釋放。為了達到此目的，首先要旋轉(zhuǎn)節(jié)點坐標系，旋轉(zhuǎn)角度即為仰角θ，利用各節(jié)臂與滑塊在同一位置節(jié)點（CoincidentNode）間的耦合，可方便地實現(xiàn)12個滑塊與吊臂對應(yīng)節(jié)點的耦合。
2.4加載及約束處理
吊臂所受的載荷有：吊重、側(cè)載、鋼絲繩在臂頭的拉力、風(fēng)載、液壓缸作用力及伸縮機構(gòu)鋼絲繩拉力。風(fēng)載荷加到吊臂側(cè)面上，而其它力則須加到相應(yīng)位置的節(jié)點上（或關(guān)鍵點上），為了使得這些加載點能成為節(jié)點，首先需要在此位置處創(chuàng)建硬點（Hardpoints），此外，由于鋼絲繩在臂頭的拉力及伸縮機構(gòu)鋼絲繩拉力等方向與整體坐標系方向不一致，故還須旋轉(zhuǎn)這些節(jié)點坐標系，以便于加載。
約束處理：基本臂尾部與轉(zhuǎn)臺鉸接處，約束3個方向平移自由度（UX、UY、UZ）和兩個方向的轉(zhuǎn)動自由度（ROTY、ROTZ）。釋放繞銷軸中心回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動自由度（ROTX）。變幅液壓缸鉸點處同樣處理。
3計算結(jié)果與分析
通過對上述有限元模型進行計算，得到在工況下的最大變形量為：UX=0.542m，UY=－0.272m，UZ=－1.039m，均位于吊臂頭部。應(yīng)力計算結(jié)果用Ｖonmises當(dāng)量應(yīng)力值表示。吊臂上應(yīng)力值較大的區(qū)域為：下滑塊作用位置的折板處以及基本臂與變幅液壓缸鉸接處。最大應(yīng)力發(fā)生在三節(jié)臂折板與左滑塊接觸處，其值達到551MPa，其上應(yīng)力分布情況如圖4所示（注：折板位置見圖2）。圖中標出應(yīng)力值較大點，它們靠近吊臂外側(cè)。其它滑塊處的應(yīng)力分布情況也是這樣。
QY25K型伸縮吊臂已做過結(jié)構(gòu)應(yīng)力試驗，所加載荷有：吊重、側(cè)載和風(fēng)載，由于風(fēng)載作用在吊臂的側(cè)面，試驗中很難施加，故將其轉(zhuǎn)化到吊臂頭部來進行施加。試驗的測點均布置在滑塊附近，現(xiàn)將用有限元法在測點處的計算應(yīng)力值與實測值進行比較，見表1。
4結(jié)束語
（1）用有限元法對伸縮吊臂結(jié)構(gòu)進行強度、剛度分析，其結(jié)果應(yīng)該比常規(guī)的解析法更準確、可靠，且可以獲得解析法難以分析的局部區(qū)域應(yīng)力分布，如吊臂與滑塊接觸處、變幅液壓缸鉸接處，而這些區(qū)域往往又是危險部位。有限元分析的結(jié)果可為實際設(shè)計提供有價值的參考。
（2）本文運用節(jié)點自由度耦合技術(shù)模擬滑塊與吊臂的連接，并將計算結(jié)果與實測值進行對比，二者較為吻合。
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