QY25K型汽車起重機伸縮吊臂的有限元分析

 

    QY25K汽車起重機采用四節伸縮式箱形吊臂，如圖1所示。各節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根部與轉台通過水平銷軸鉸接，且其中部還與變幅液壓缸5鉸接
，可實現吊臂在變幅平麵內自由轉動。吊臂伸縮采用一級伸縮液壓缸
、雙繩排滑輪機構（兩伸、兩縮）以實現二、三、四節吊臂同步伸縮。

 

    吊臂截麵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(diao)臂(bi)的(de)設(she)計(ji)計(ji)算(suan)通(tong)常(chang)的(de)方(fang)法(fa)是(shi)將(jiang)吊(diao)臂(bi)結(jie)構(gou)視(shi)為(wei)梁(liang)模(mo)型(xing)進(jin)行(xing)強(qiang)度(du)及(ji)剛(gang)度(du)等(deng)方(fang)麵(mian)的(de)分(fen)析(xi)。但(dan)實(shi)際(ji)上(shang)，吊(diao)臂(bi)是(shi)由(you)薄(bo)板(ban)對(dui)焊(han)起(qi)來(lai)的(de)箱(xiang)形(xing)結(jie)構(gou)
，應(ying)該(gai)視(shi)為(wei)板(ban)殼(ke)模(mo)型(xing)。解(jie)決(jue)這(zhe)樣(yang)一(yi)個(ge)變(bian)截(jie)麵(mian)板(ban)殼(ke)模(mo)型(xing)受(shou)力(li)問(wen)題(ti)，比(bi)較(jiao)行(xing)之(zhi)有(you)效(xiao)的(de)方(fang)法(fa)是(shi)有(you)限(xian)元(yuan)法(fa)。故(gu)我(wo)們(men)應(ying)用(yong)此(ci)法(fa)，並(bing)采(cai)用(yong)功(gong)能(neng)強(qiang)大(da)、技術上非常成熟的商用有限元軟件ANSYS為工具來進行分析。基於吊臂的實際工況較多，限於篇幅，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構有限元的分析過程。

 

    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
，再激活工作平麵（workplane），將工作平麵旋轉θjiao，zaigongzuopingmianneizaoxing。gejiebidetongtiyoubobangoucheng，quzhongmianchicunzaoxing。jiyujibenbideweibujisijiebidetoubujiegouyichangfuzaqiegangxinghenda

，gujiangqijianhuachengshiti

，liyongANSYS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單元選取及網格劃分

 

    板采用板殼元Shell63來離散。Shell63是一種4節(jie)點(dian)線(xian)彈(dan)性(xing)單(dan)元(yuan)

，它(ta)遵(zun)循(xun)基(ji)爾(er)霍(huo)夫(fu)假(jia)定(ding)，即(ji)變(bian)形(xing)前(qian)垂(chui)直(zhi)中(zhong)麵(mian)的(de)法(fa)線(xian)變(bian)形(xing)後(hou)仍(reng)垂(chui)直(zhi)於(yu)中(zhong)麵(mian)，而(er)且(qie)這(zhe)種(zhong)單(dan)元(yuan)可(ke)以(yi)同(tong)時(shi)考(kao)慮(lv)彎(wan)曲(qu)變(bian)形(xing)及(ji)中(zhong)麵(mian)內(nei)的(de)膜(mo)力(li)，比(bi)較(jiao)符(fu)合(he)吊(diao)臂(bi)的(de)實(shi)際(ji)受(shou)載(zai)情(qing)況(kuang)。實(shi)體(ti)單(dan)元(yuan)選(xuan)用(yong)8節點的6麵體單元Solid45。

 

    考(kao)慮(lv)到(dao)每(mei)節(jie)臂(bi)之(zhi)間(jian)都(dou)有(you)搭(da)接(jie)部(bu)分(fen)，不(bu)易(yi)選(xuan)中(zhong)

，且(qie)大(da)部(bu)分(fen)板(ban)厚(hou)都(dou)不(bu)一(yi)樣(yang)，若(ruo)是(shi)每(mei)塊(kuai)板(ban)逐(zhu)個(ge)進(jin)行(xing)網(wang)格(ge)劃(hua)分(fen)，效(xiao)率(lv)低(di)下(xia)

，容(rong)易(yi)出(chu)錯(cuo)，為(wei)此(ci)我(wo)們(men)先(xian)在(zai)實(shi)體(ti)模(mo)型(xing)上(shang)指(zhi)定(ding)屬(shu)性(xing)，即(ji)賦(fu)予(yu)所(suo)有(you)實(shi)體(ti)需(xu)劃(hua)分(fen)的(de)單(dan)元(yuan)
、材料特性、實常數等
，然後由程序一次對所有板
、塊kuai進jin行xing網wang格ge劃hua分fen，同tong時shi也ye避bi免mian了le在zai網wang格ge劃hua分fen操cao作zuo中zhong重zhong複fu設she置zhi屬shu性xing。若ruo是shi對dui某mou些xie網wang格ge形xing狀zhuang不bu滿man意yi，則ze可ke對dui這zhe部bu分fen重zhong新xin進jin行xing劃hua分fen，因yin為wei重zhong新xin劃hua分fen時shi
，可ke刪shan除chu已yi有you的de網wang格ge，但dan不bu會hui刪shan除chu所suo指zhi定ding的de屬shu性xing。

 

    各節臂筒體采用自由（free）及映射（mapped）方式劃分。滑塊處采用掃掠（sweep）劃分，以保證其形狀為六麵體。整個網格劃分，控製單元形狀盡可能規則，避免形狀畸形。

 

    最終形成吊臂的有限元模型規模：節點數52017個
，單元數62827個
，其中板單元42153個，實體單元20674個。網格如圖3所示。

 

    2.3滑塊接觸處模型處理

 

    由於吊臂工作時，各節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，但由於該算例中，單元數頗多，模型規模大
，且有12處接觸（四節臂上下有12個滑塊）

，而接觸問題屬於非線性，求解過程必須反複迭代計算，因而計算量實在太大
，另外，其準確性也較差（實際結構中的接觸特性尚不清楚）

，基於此，我們運用另外一種方法——jiedianziyouduouhejishulaimonihuakuaiyugejiebidejiechu。gongzuoshi，huakuaiyudiaobibaochijiechu，dantamenzhijianyanjiechumianyouxiangduihuadongqushi，guxiangduiyingdejiedianjianyanjiechumiandefaxiangziyoudubixuouhe
，erqiexiangziyouduzebunengouhe，yingdangshifang。weiledadaocimude，shouxianyaoxuanzhuanjiedianzuobiaoxi，xuanzhuanjiaodujiweiyangjiaoθ，利用各節臂與滑塊在同一位置節點（CoincidentNode）間的耦合，可方便地實現12個滑塊與吊臂對應節點的耦合。

 

    2.4加載及約束處理

 

    吊臂所受的載荷有：吊重、側載、鋼絲繩在臂頭的拉力、風載
、液壓缸作用力及伸縮機構鋼絲繩拉力。風載荷加到吊臂側麵上，而其它力則須加到相應位置的節點上（或關鍵點上），為了使得這些加載點能成為節點，首先需要在此位置處創建硬點（Hardpoints）
，此外
，由於鋼絲繩在臂頭的拉力及伸縮機構鋼絲繩拉力等方向與整體坐標係方向不一致，故還須旋轉這些節點坐標係
，以便於加載。

 

    約束處理：基本臂尾部與轉台鉸接處，約束3個方向平移自由度（UX
、UY、UZ）和兩個方向的轉動自由度（ROTY、ROTZ）。釋放繞銷軸中心回轉的轉動自由度（ROTX）。變幅液壓缸鉸點處同樣處理。

 

    3計算結果與分析

 

    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，均位於吊臂頭部。應力計算結果用Ｖonmises當量應力值表示。吊臂上應力值較大的區域為：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。最大應力發生在三節臂折板與左滑塊接觸處，其值達到551MPa，其上應力分布情況如圖4所示（注：折板位置見圖2）。圖中標出應力值較大點
，它們靠近吊臂外側。其它滑塊處的應力分布情況也是這樣。

 

    QY25K型伸縮吊臂已做過結構應力試驗

，所加載荷有：吊重、cezaihefengzai
，youyufengzaizuoyongzaidiaobidecemian，shiyanzhonghennanshijia，gujiangqizhuanhuadaodiaobitoubulaijinxingshijia。shiyandecedianjunbuzhizaihuakuaifujin
，xianjiangyongyouxianyuanfazaicedianchudejisuanyinglizhiyushicezhijinxingbijiao，jianbiao1。

 

    4結束語

 

    （1）用有限元法對伸縮吊臂結構進行強度、剛度分析，其結果應該比常規的解析法更準確、可靠，且可以獲得解析法難以分析的局部區域應力分布
，如吊臂與滑塊接觸處、變幅液壓缸鉸接處
，而這些區域往往又是危險部位。有限元分析的結果可為實際設計提供有價值的參考。

 

    （2）本文運用節點自由度耦合技術模擬滑塊與吊臂的連接
，並將計算結果與實測值進行對比
，二者較為吻合。