汽車起重機的整機結構分析技術

 

    關鍵詞：子結構，整體結構分析。

 

    1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zai70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。

 

    2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）
，tamenkaobianjiejiedianyuzhengtijiegouxiangguanlian。ruguojiangsuoyoudezijiegoudebianjiejiedianzuchengyigejihe
，namezhegejihebianbiaozhenglezhegedaxingfuzajiegoudelianjiegujia

，chengzhiweibianjiejiegou。zhiyaobagezijiegouduiyouguanbianjiejiediandegangduxiaoying（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yongK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。我們將有平衡方程：

 

    KU=P(1)

 

    其中
，。

 

    這zhe裏li
，就jiu是shi子zi結jie構gou的de僅jin與yu邊bian界jie節jie點dian相xiang關guan聯lian的de等deng效xiao邊bian界jie剛gang度du矩ju陣zhen與yu等deng效xiao邊bian界jie載zai荷he矩ju陣zhen。它ta們men對dui整zheng體ti結jie構gou的de貢gong獻xian與yu子zi結jie構gou的de貢gong獻xian相xiang當dang，因yin而er被bei稱cheng之zhi為wei超chao單dan元yuan。一yi旦dan邊bian界jie節jie點dian的de位wei移yi已yi知zhi
，結jie構gou的de內nei節jie點dian的de位wei移yi便bian由you公gong式shi

 

    (3)

 

    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）shikekanchu
，ruguogezijiegoudebianjiejiedianyueshao
，zezhexiedengxiaojuzhendeguimoyeyuexiao
，zuizhongdebianjiezijiegoudeguimoyeyuexiao，qiyunsuansuduyeyuekuai。yinci
，huafenfuzajiegouweiduogezijiegoudeyigejibenfangfa，jiushiyaojinliangkongzhizijiegoudeneibujiedianguimoshidang

，bingqiejuyoubianjiejiediandeshumujiaoshao。chongfenliyongjiegoudelianshi、外伸等特點，合理劃分子結構
，可受到較好的效果。

 

    3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。

 

    4起重機整機分析的子結構技術

 

    4.1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
、伸shen縮suo及ji吊diao臂bi與yu轉zhuan台tai的de組zu合he結jie構gou的de回hui轉zhuan，對dui底di架jia與yu四si個ge支zhi腿tui的de結jie構gou變bian形xing與yu應ying力li水shui平ping有you較jiao大da影ying響xiang，有you必bi要yao選xuan擇ze多duo種zhong典dian型xing的de作zuo業ye工gong況kuang加jia以yi計ji算suan。同tong時shi，還hai要yao根gen據ju工gong程cheng規gui範fan，考kao慮lv風feng載zai、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。

 

    4.2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。

 

    4.2.1吊臂的簡化

 

    首shou先xian，簡jian化hua各ge節jie吊diao臂bi之zhi間jian的de連lian接jie結jie構gou及ji伸shen縮suo機ji構gou，吊diao臂bi簡jian化hua為wei薄bo壁bi四si邊bian形xing或huo六liu邊bian形xing盒he體ti模mo型xing。為wei確que保bao結jie構gou剛gang度du
，應ying注zhu意yi變bian幅fu油you缸gang支zhi撐cheng部bu分fen
、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。

 

    4.2.2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。

 

    4.2.3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
；weibimianzhituiyougangyudimiandemianjiechujisuan
，zhituiyougangbeijianhuaweiyigedaowumianzhuitijiegou
，shiqizhongjizuoyeshinenggoujinsidianchudi，bianyupanduandimianduizhituidejiechufanli。dijiadezijiegouzuobiaoxiyuzhengtixidewanquanxiangtong。

 

    4.2.4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。

 

    4.3整機結構分析的自動化

 

    4.3.1整機模型的參數化

 

    整(zheng)機(ji)模(mo)型(xing)的(de)參(can)數(shu)化(hua)是(shi)以(yi)子(zi)結(jie)構(gou)參(can)數(shu)化(hua)為(wei)基(ji)礎(chu)的(de)
，子(zi)結(jie)構(gou)以(yi)關(guan)鍵(jian)結(jie)構(gou)件(jian)為(wei)實(shi)體(ti)。因(yin)此(ci)，結(jie)構(gou)件(jian)的(de)參(can)數(shu)化(hua)與(yu)整(zheng)機(ji)的(de)參(can)數(shu)化(hua)可(ke)以(yi)有(you)機(ji)地(di)結(jie)合(he)起(qi)來(lai)

，建(jian)立(li)統(tong)一(yi)的(de)結(jie)構(gou)參(can)數(shu)庫(ku)文(wen)件(jian)。

 

    4.3.2結構件的宏程序庫

 

    結構件的模型自動產生程序是以APDLyuyanweipingtaikaifade

，tajiangtiaoyongjiegoucanshukuwenjiandexiangguanmokuai。zhiyaoyidanshixianjiegoujiandecanshuhua，tadejihemoxingzidongchanshengchengxubianyihongzichengxufangshijianli。zhejiugouchenglejiegoujianjihemoxingdehongchengxuku。jiegoujianyuzhengjimoxingjuntiaoyonghongchengxukuchansheng，youliyuzhengjifenxiyujiegoujianfenxidexietiao
；整機分析的某些結果也可作為結構件分析的邊界條件。

 

    4.3.3整機模型的集成

 

    集ji成cheng結jie構gou件jian模mo型xing建jian立li整zheng機ji模mo型xing，變bian成cheng了le結jie構gou件jian模mo型xing的de組zu裝zhuang與yu連lian接jie。結jie構gou件jian的de組zu裝zhuang與yu連lian接jie都dou必bi須xu在zai總zong體ti係xi下xia進jin行xing。第di一yi步bu要yao設she置zhi子zi結jie構gou坐zuo標biao係xi
，定ding義yi原yuan點dian與yu坐zuo標biao係xi方fang向xiang
，第di二er步bu要yao調tiao用yong相xiang關guan結jie構gou件jian的de宏hong子zi程cheng序xu自zi動dong產chan生sheng幾ji何he模mo型xing，最zui後hou還hai要yao恢hui複fu總zong體ti係xi。

 

    整zheng機ji建jian模mo的de難nan點dian在zai回hui轉zhuan支zhi撐cheng的de模mo擬ni上shang。回hui轉zhuan支zhi撐cheng結jie構gou的de上shang下xia墊dian圈quan作zuo為wei曲qu梁liang元yuan以yi分fen別bie包bao括kuo在zai轉zhuan台tai與yu底di架jia模mo型xing中zhong
，參can與yu轉zhuan台tai與yu車che架jia平ping台tai的de抗kang彎wan。因yin此ci，轉zhuan台tai與yu底di架jia的de連lian接jie主zhu要yao成cheng為wei用yong厚hou殼ke元yuan與yu短duan梁liang元yuan模mo擬ni滾gun珠zhu與yu螺luo栓shuan柱zhu的de支zhi撐cheng連lian接jie。

 

    4.3.4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。

 

    4.4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，beam4元素133，link8元素1個
；有效自由度為17597。

 

    B.juyouxiangxishejichejiamoxingdequanjiyouxianyuancanshuhuamoxingchanshengchengxu
，qizhuyaogongshiduijuyouchejiajubujiaqiangdezhengjishejimoxingjinxingyouxianyuanfenxi。zhengjimoxingjuyou4367個節點，shell63元素4471個
，beam4元素217，link8元素1個；有效自由度為25166。

 

    方案A與方案B比較表明，模型節點網格局部細化，會使模型分析規模大。

 

    圖1

、2表明整機分析的應力分布雲圖。整機應力水平與分布的合理性證明了本文介紹的方法的正確性。QY25D的4種工況的應力水平均在較理想的許用應力範圍。但是，文獻[4]表明結構件的局部穩定性是值得十分重視的。