汽車起重機的整機結構分析技術

摘要：本文簡介了汽車起重機的整機結構分析的基本方法，主要包括：對整體結構分析的回顧

，整體結構的剖分與子結構分析，子結構的變換與組裝，子結構分析在QY25D起重機整體求解中的應用。
關鍵詞：子結構，整體結構分析

對整體結構分析的回顧

　　以有限元分析方法為基礎的計算力學經曆了由簡單到複雜、由you線xian性xing到dao非fei線xian性xing分fen析xi的de發fa展zhan過guo程cheng。結jie構gou分fen析xi要yao解jie決jue的de實shi際ji工gong程cheng問wen題ti，早zao已yi不bu是shi一yi個ge簡jian單dan的de零ling件jian或huo結jie構gou件jian，而er是shi多duo個ge複fu雜za結jie構gou件jian的de組zu合he結jie構gou，或huo整zheng個ge產chan品pin的de大da型xing複fu雜za問wen題ti。
　　作(zuo)為(wei)結(jie)構(gou)的(de)局(ju)部(bu)分(fen)析(xi)，必(bi)須(xu)引(yin)進(jin)局(ju)部(bu)的(de)邊(bian)界(jie)條(tiao)件(jian)。但(dan)是(shi)，從(cong)結(jie)構(gou)總(zong)體(ti)受(shou)力(li)來(lai)看(kan)
，局(ju)部(bu)的(de)邊(bian)界(jie)條(tiao)件(jian)往(wang)往(wang)使(shi)結(jie)構(gou)的(de)實(shi)際(ji)傳(chuan)力(li)狀(zhuang)況(kuang)發(fa)生(sheng)扭(niu)曲(qu)

，結(jie)構(gou)件(jian)之(zhi)間(jian)的(de)彈(dan)性(xing)連(lian)接(jie)變(bian)為(wei)了(le)剛(gang)性(xing)連(lian)接(jie)
，無(wu)法(fa)正(zheng)確(que)反(fan)映(ying)結(jie)構(gou)件(jian)之(zhi)間(jian)的(de)實(shi)際(ji)傳(chuan)力(li)關(guan)係(xi)。利(li)用(yong)結(jie)構(gou)的(de)這(zhe)種(zhong)局(ju)部(bu)分(fen)析(xi)結(jie)果(guo)評(ping)估(gu)結(jie)構(gou)整(zheng)體(ti)受(shou)力(li)後(hou)的(de)結(jie)果(guo)，往(wang)往(wang)導(dao)致(zhi)較(jiao)大(da)的(de)誤(wu)差(cha)。在(zai)工(gong)程(cheng)設(she)計(ji)中(zhong)
，局(ju)部(bu)分(fen)析(xi)不(bu)能(neng)替(ti)代(dai)整(zheng)體(ti)分(fen)析(xi)，整(zheng)體(ti)分(fen)析(xi)由(you)於(yu)規(gui)模(mo)大(da)、難度高，往往成為十分迫切與關鍵的瓶頸問題。但是
，大容量、高(gao)速(su)度(du)計(ji)算(suan)機(ji)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)，對(dui)整(zheng)個(ge)產(chan)品(pin)進(jin)行(xing)結(jie)構(gou)分(fen)析(xi)，已(yi)經(jing)成(cheng)為(wei)十(shi)分(fen)現(xian)實(shi)的(de)問(wen)題(ti)了(le)。飛(fei)機(ji)的(de)整(zheng)體(ti)求(qiu)解(jie)，起(qi)重(zhong)機(ji)的(de)整(zheng)體(ti)求(qiu)解(jie)，都(dou)是(shi)這(zhe)類(lei)大(da)型(xing)複(fu)雜(za)結(jie)構(gou)分(fen)析(xi)的(de)典(dian)型(xing)例(li)子(zi)。實(shi)際(ji)上(shang)

，我(wo)國(guo)計(ji)算(suan)力(li)學(xue)工(gong)作(zuo)者(zhe)在(zai)70年代末采用多重子結構的超元矩陣方法[1]，成功地解決了飛機結構的整體分析問題。80年代
，國外解決大型複雜結構分析的先進技術傳到我國，MSC/NASTRAN係統的超單元技術[2]，ANSYS的子模型技術[3]
，使許多大型複雜的結構分析問題變得簡單容易了。

整體結構的剖分與子結構分析

　　整體結構的基本特點是結構規模大、zuhexingshifuza。muqian，guojishangjiejuedaxingfuzajiegoudefenxiwentitongchangxuanzezijiegoufangfa
，huozhejiegouchaodanyuanfangfa。youyuchaodanyuanshijishangshizijiegoudeyizhongbiaodaxingshi


，yincizhelijinshuomingzijiegoufenxijishu。
　　對於任何一個大型複雜結構，總可以劃分為若幹結構件（簡稱為子結構），它(ta)們(men)靠(kao)邊(bian)界(jie)節(jie)點(dian)與(yu)整(zheng)體(ti)結(jie)構(gou)相(xiang)關(guan)連(lian)。如(ru)果(guo)將(jiang)所(suo)有(you)的(de)子(zi)結(jie)構(gou)的(de)邊(bian)界(jie)節(jie)點(dian)組(zu)成(cheng)一(yi)個(ge)集(ji)合(he)


，那(na)麼(me)這(zhe)個(ge)集(ji)合(he)便(bian)表(biao)征(zheng)了(le)這(zhe)個(ge)大(da)型(xing)複(fu)雜(za)結(jie)構(gou)的(de)連(lian)接(jie)骨(gu)架(jia)，稱(cheng)之(zhi)為(wei)邊(bian)界(jie)結(jie)構(gou)。隻(zhi)要(yao)把(ba)各(ge)子(zi)結(jie)構(gou)對(dui)有(you)關(guan)邊(bian)界(jie)節(jie)點(dian)的(de)剛(gang)度(du)效(xiao)應(ying)（或影響〕計算出來
，並施加在這些邊界節點上，則解決大型複雜結構問題便轉變為求解規模小得多的若幹子結構及邊界結構問題。
　　當(dang)然(ran)，如(ru)果(guo)邊(bian)界(jie)結(jie)構(gou)與(yu)子(zi)結(jie)構(gou)的(de)規(gui)模(mo)也(ye)可(ke)能(neng)很(hen)大(da)，還(hai)可(ke)以(yi)再(zai)剖(pou)分(fen)為(wei)若(ruo)幹(gan)二(er)級(ji)或(huo)三(san)級(ji)的(de)子(zi)結(jie)構(gou)。當(dang)然(ran)，這(zhe)種(zhong)多(duo)重(zhong)子(zi)結(jie)構(gou)的(de)使(shi)用(yong)，將(jiang)帶(dai)來(lai)分(fen)析(xi)流(liu)程(cheng)的(de)複(fu)雜(za)化(hua)。因(yin)此(ci)，如(ru)何(he)有(you)效(xiao)地(di)剖(pou)分(fen)整(zheng)體(ti)結(jie)構(gou)便(bian)成(cheng)了(le)問(wen)題(ti)的(de)關(guan)鍵(jian)所(suo)在(zai)。用(yong)K表示子結構的總剛度矩陣，U表示子結構的總位移矩陣，P表示子結構的總載荷矩陣；Ki
、 Kb、Kib表示與子結構內部和邊界節點的相關的剛度矩陣；Pi
、Pb表示與子結構內部與邊界節點相關的外載荷矩陣
；Ui、Ub表示子結構的內部與邊界節點的相關位移矩陣。
　　對子結構的分析，其主要計算工作量是消除該子結構的內部節點自由度
，得到它的等效矩陣。從（1）、（2）式(shi)可(ke)看(kan)出(chu)，如(ru)果(guo)各(ge)子(zi)結(jie)構(gou)的(de)邊(bian)界(jie)節(jie)點(dian)越(yue)少(shao)，則(ze)這(zhe)些(xie)等(deng)效(xiao)矩(ju)陣(zhen)的(de)規(gui)模(mo)也(ye)越(yue)小(xiao)，最(zui)終(zhong)的(de)邊(bian)界(jie)子(zi)結(jie)構(gou)的(de)規(gui)模(mo)也(ye)越(yue)小(xiao)，其(qi)運(yun)算(suan)速(su)度(du)也(ye)越(yue)快(kuai)。因(yin)此(ci)
，劃(hua)分(fen)複(fu)雜(za)結(jie)構(gou)為(wei)多(duo)個(ge)子(zi)結(jie)構(gou)的(de)一(yi)個(ge)基(ji)本(ben)方(fang)法(fa)
，就(jiu)是(shi)要(yao)盡(jin)量(liang)控(kong)製(zhi)子(zi)結(jie)構(gou)的(de)內(nei)部(bu)節(jie)點(dian)規(gui)模(mo)適(shi)當(dang)，並(bing)且(qie)具(ju)有(you)邊(bian)界(jie)節(jie)點(dian)的(de)數(shu)目(mu)較(jiao)少(shao)。充(chong)分(fen)利(li)用(yong)結(jie)構(gou)的(de)鏈(lian)式(shi)
、外伸等特點，合理劃分子結構
，可受到較好的效果。

子結構的變換與組裝

　　在一般的整體結構分析中
，使用了四種坐標係：總體坐標係、子結構坐標係
、元素坐標係、節點坐標係。節點坐標係確定了節點自由度的方向。元素坐標係規定了元素剛度（載荷）矩陣與子結構之間的變換矩陣。子結構坐標係將確定子結構等效邊界剛度（載荷）矩陣向整體結構的組裝的變換矩陣。整體坐標係通常取世界係。
　　對於子結構分析來說，子結構的幾何建模與應力分析是在子結構的局部坐標係下進行的。但是，子結構的等效剛度（載荷）矩陣卻必須按總體坐標係進行組裝。因此，每一個子結構在組裝之前，需要對等效邊界剛度（載荷）矩陣進行坐標變換。我們設B為子結構對總體係的變換矩陣（通常它由整體係的三個結點確定：節點1定義原點，節點1-2方向定義X向
，節點1-2連線與節點1-3定義連線構成的平麵法線確定Z向，由Z與X向構成的平麵法線定義Y向），則整個結構的邊界子結構的剛度（載荷）矩陣為
　　值得說明
，這裏是按總體結構的邊界節點編號位置
，對號疊加的。因此，整體結構的邊界平衡方程為：
　　KzUz=Pz (7)
　　給定整體結構六個剛體自由度的約束，求解（7）
，我們將得到整體邊界結構的位移。再經過整體邊界位移向子結構的坐標變換，執行（4）式
，將求得子結構的內部節點自由度。

 起重機整機分析的子結構技術

1. 模型簡化的基本準則

　　汽車起重機是多個結構件的組合，它包含吊臂、轉台
、底架、支腿等結構件，以及回轉
、變幅、伸縮、起升等機構。在作業過程中
，吊臂相對於轉台可以變幅與伸縮。而吊臂與轉台的組合結構可繞回轉中心360度du轉zhuan動dong。因yin此ci，對dui整zheng機ji係xi統tong的de分fen析xi不bu僅jin需xu要yao將jiang所suo有you的de結jie構gou件jian及ji機ji構gou加jia以yi考kao慮lv，而er且qie需xu要yao將jiang作zuo業ye過guo程cheng中zhong的de不bu同tong載zai荷he工gong況kuang加jia以yi考kao慮lv。為wei了le控kong製zhi整zheng機ji分fen析xi的de規gui模mo，模mo型xing的de建jian立li既ji要yao盡jin量liang理li想xiang化hua、簡單化
、典型化

，又要較客觀地反映出整機（特別是結構件連接部位）的應力分布、變形(剛度)及失效等問題。汽車起重機最危險的工況是起重作業工況，它的傳力路線是：重物－>吊臂－>變幅油缸支撐－>轉台－>回轉支撐－>底架－>支腿－>垂直油缸－>地麵。
　　作業運動表明，吊臂的變幅、shensuojidiaobiyuzhuantaidezuhejiegoudehuizhuan，duidijiayusigezhituidejiegoubianxingyuyinglishuipingyoujiaodayingxiang，youbiyaoxuanzeduozhongdianxingdezuoyegongkuangjiayijisuan。tongshi，haiyaogenjugongchengguifan
，kaolvfengzai、慣性載、作業場地的不平等多因素對整機受力的影響。整機係統的複雜性與控製分析規模的需要
，整機模型的簡化基於下述原則：確保整機的傳力路線完整；確保整機典型作業工況的實用性；關鍵結構件的基本參數化；將整機分析與結構件分析緊密結合；對結構的細節結構作重要簡化；整機有限元建模及分析流程自動化。

2. 子結構的劃分

　　為使整機分析與結構件分析能夠結合進行，我們以結構件為基礎劃分子結構，突出三大結構件：吊臂
、轉台、底架。三大結構件之間的眾多連接結構件勻作重大的簡化。
　　(1)  吊臂的簡化
　　shouxian，jianhuagejiediaobizhijiandelianjiejiegoujishensuojigou


，diaobijianhuaweibobisibianxinghuoliubianxinghetimoxing。weiquebaojiegougangdu
，yingzhuyibianfuyougangzhichengbufen、根部與頂部的結構加強。吊臂的子結構坐標係的原點取在吊臂根部轉軸的中心，X軸沿臂體方向指向頂部
，Y軸與地麵平行，Z軸指向上蓋板方向。這樣，吊臂與整體係之間的轉換矩陣僅由兩個角度確定：吊臂與地麵的夾角α
，轉台繞Z軸的轉角φ＋180。若轉台角φ等於零度，則吊臂頂部指向車的正前方。

　　(2) 轉台的簡化
　　簡化小回轉機構為力矩
，卷揚機構為橫梁，鋼絲純為二力杆，配重為集中力，變幅油缸支撐的轉軸及吊臂的轉軸為橫梁
、回hui轉zhuan支zhi撐cheng結jie構gou的de上shang墊dian圈quan為wei曲qu梁liang，忽hu略lve縱zong向xiang的de斜xie支zhi撐cheng板ban及ji橫heng向xiang的de某mou些xie連lian板ban，轉zhuan台tai成cheng為wei典dian型xing的de薄bo壁bi組zu合he結jie構gou。轉zhuan台tai的de子zi結jie構gou坐zuo標biao係xi的de原yuan點dian取qu在zai轉zhuan台tai平ping台tai的de回hui轉zhuan中zhong心xin點dian
，XY平麵與該平台平行。轉台與整體係之間的轉換矩陣僅由轉台的轉角φ確定。

　　(3) 底架的簡化
　　整(zheng)個(ge)底(di)架(jia)是(shi)一(yi)個(ge)薄(bo)壁(bi)組(zu)合(he)結(jie)構(gou)
，將(jiang)固(gu)定(ding)支(zhi)腿(tui)與(yu)活(huo)動(dong)支(zhi)腿(tui)作(zuo)為(wei)底(di)架(jia)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)進(jin)行(xing)延(yan)伸(shen)。考(kao)慮(lv)到(dao)最(zui)危(wei)險(xian)的(de)工(gong)況(kuang)是(shi)起(qi)重(zhong)作(zuo)業(ye)，汽(qi)車(che)自(zi)重(zhong)作(zuo)為(wei)一(yi)個(ge)集(ji)中(zhong)力(li)加(jia)在(zai)車(che)架(jia)上(shang)；回轉支撐的下墊圈簡化為曲梁。作為方案設計模型，沿下墊圈進行的結構加強也被忽略

；為wei避bi免mian支zhi腿tui油you缸gang與yu地di麵mian的de麵mian接jie觸chu計ji算suan，支zhi腿tui油you缸gang被bei簡jian化hua為wei一yi個ge倒dao五wu麵mian錐zhui體ti結jie構gou，使shi起qi重zhong機ji作zuo業ye時shi能neng夠gou僅jin四si點dian觸chu地di，便bian於yu判pan斷duan地di麵mian對dui支zhi腿tui的de接jie觸chu反fan力li。底di架jia的de子zi結jie構gou坐zuo標biao係xi與yu整zheng體ti係xi的de完wan全quan相xiang同tong。
　　(4) 連接結構的簡化
　　各結構件之間的連接結構作入下簡化：吊臂與轉台之間的變幅油缸支撐簡化為抗壓
、抗扭、抗彎的梁單元

；吊臂根部與轉台支撐之間的轉軸簡化為梁
；回轉支撐的墊圈
、滾珠與螺栓柱用厚殼板元與梁單元模擬。

3. 整機結構分析的自動化
　　(1) 整機模型的參數化
　　zhengjimoxingdecanshuhuashiyizijiegoucanshuhuaweijichude
，zijiegouyiguanjianjiegoujianweishiti。yinci，jiegoujiandecanshuhuayuzhengjidecanshuhuakeyiyoujidijieheqilai，jianlitongyidejiegoucanshukuwenjian。
　　(2) 結構件的宏程序庫
　　結構件的模型自動產生程序是以APDL語(yu)言(yan)為(wei)平(ping)台(tai)開(kai)發(fa)的(de)，它(ta)將(jiang)調(tiao)用(yong)結(jie)構(gou)參(can)數(shu)庫(ku)文(wen)件(jian)的(de)相(xiang)關(guan)模(mo)塊(kuai)。隻(zhi)要(yao)一(yi)旦(dan)實(shi)現(xian)結(jie)構(gou)件(jian)的(de)參(can)數(shu)化(hua)
，它(ta)的(de)幾(ji)何(he)模(mo)型(xing)自(zi)動(dong)產(chan)生(sheng)程(cheng)序(xu)便(bian)以(yi)宏(hong)子(zi)程(cheng)序(xu)方(fang)式(shi)建(jian)立(li)。這(zhe)就(jiu)構(gou)成(cheng)了(le)結(jie)構(gou)件(jian)幾(ji)何(he)模(mo)型(xing)的(de)宏(hong)程(cheng)序(xu)庫(ku)。結(jie)構(gou)件(jian)與(yu)整(zheng)機(ji)模(mo)型(xing)均(jun)調(tiao)用(yong)宏(hong)程(cheng)序(xu)庫(ku)產(chan)生(sheng)
，有(you)利(li)於(yu)整(zheng)機(ji)分(fen)析(xi)與(yu)結(jie)構(gou)件(jian)分(fen)析(xi)的(de)協(xie)調(tiao)
；整機分析的某些結果也可作為結構件分析的邊界條件。
　　(3) 整機模型的集成
　　jichengjiegoujianmoxingjianlizhengjimoxing，bianchenglejiegoujianmoxingdezuzhuangyulianjie。jiegoujiandezuzhuangyulianjiedoubixuzaizongtixixiajinxing。diyibuyaoshezhizijiegouzuobiaoxi，dingyiyuandianyuzuobiaoxifangxiang
，dierbuyaotiaoyongxiangguanjiegoujiandehongzichengxuzidongchanshengjihemoxing
，zuihouhaiyaohuifuzongtixi。
　　zhengjijianmodenandianzaihuizhuanzhichengdemonishang。huizhuanzhichengjiegoudeshangxiadianquanzuoweiquliangyuanyifenbiebaokuozaizhuantaiyudijiamoxingzhong，canyuzhuantaiyuchejiapingtaidekangwan。yinci，zhuantaiyudijiadelianjiezhuyaochengweiyonghoukeyuanyuduanliangyuanmonigunzhuyuluoshuanzhudezhichenglianjie。
　　(4) 整機分析的基本步驟
　　結合上述
，可對整機分析的基本步驟作一定的規範：建立以結構件為基本模塊的參數庫文件
；以APDL為平台，開發結構件的宏程序庫；調用宏程序庫，開發整機模型的集成程序
； 建立整機的分析流程；建立後置處理流程。

4. 整機分析在起重機QY25D的工程應用
　　QY25D是一個六邊形四節臂的中噸位汽車起重機。整機劃分為三個子結構

，現已建立兩個用於整機分析的程序：
　　A . 整機方案設計的有限元參數化模型產生程序，其主要功能是對全機方案設計模型進行有限元分析。整機模型具有3067個節點
；shell63元素3149個，beam