汽車起重機吊臂的有限元分析

 

    基金項目：遼寧省重大科技攻關項目（2006219008-4A）李衛民（1965-），男，遼寧朝陽人
，教授，博士吊臂是汽車起重機的重要組成部分。它承受著起重機的各種外載荷，一般占總機重量的20%，耗(hao)鋼(gang)量(liang)大(da)。隨(sui)著(zhe)起(qi)重(zhong)量(liang)的(de)不(bu)斷(duan)增(zeng)大(da)
，其(qi)吊(diao)臂(bi)的(de)重(zhong)量(liang)也(ye)不(bu)斷(duan)的(de)增(zeng)大(da)。因(yin)此(ci)對(dui)汽(qi)車(che)起(qi)重(zhong)機(ji)吊(diao)臂(bi)進(jin)行(xing)合(he)理(li)的(de)結(jie)構(gou)設(she)計(ji)及(ji)力(li)學(xue)分(fen)析(xi)是(shi)有(you)著(zhe)重(zhong)要(yao)意(yi)義(yi)的(de)。

 

    隨著汽車起重機的不斷發展，汽車起重機吊臂的截麵已由六邊形
、橢tuo圓yuan形xing截jie麵mian逐zhu步bu取qu代dai了le早zao期qi的de箱xiang形xing截jie麵mian，而er橢tuo圓yuan形xing截jie麵mian鑒jian於yu其qi生sheng產chan技ji術shu上shang的de困kun難nan，目mu前qian還hai沒mei有you廣guang泛fan應ying用yong
，本ben課ke題ti所suo研yan究jiu的de汽qi車che起qi重zhong機ji吊diao臂bi采cai用yong目mu前qian比bi較jiao先xian進jin的de六liu邊bian形xing截jie麵mian。其qi截jie麵mian形xing狀zhuang示shi意yi圖tu如ru所suo示shi。

 

    chuantongyiyishangduiyuqicheqizhongjidiaobideshejizhijuxianyushougongjisuan
，erqieyibandoushijingyangongshi

，youqiduidiaobideyingbianfenxicaiyongtieyingbianpiandefangfa，qijisuanliangdaerqiewufabaozhengjisuandejingdu。jinnianlai，suizheqizhongjidebuduanfazhan
，qicheqizhongjidiaobishejisuoshiyongdejisuanlilunhefangfayequdelehendadejinbuhefazhan。muqianguoneiwaiguangfanshiyongyouxianyuanfadengxindejisuanfangfa，jinxingdiaobideshejijisuan，dadasuoduanleshejizhouqi
，tigaoleshejishuipinghejingdu。

 

    目前對於汽車起重機吊臂的有限元研究主要集中在起重機吊臂的優化設計、wendingxingfenxishang
，duiqizhongjidiaobideqiangdujigangdudefenxiduoxianyuxiangxingjiemiandediaobi，duiyuliubianxingjiemiandiaobideyouxianyuanfenxishangweijianbaodao。benwencaiyonggongnengqiangdadeyouxianyuanruanjianANSYS對截麵為六邊形的汽車起重機吊臂進行強度
、剛度分析。由於起重機吊臂在實際工作中工況較多，本文限於篇幅僅選用其中四組具有典型代表意義的工況為例來介紹QY25汽車起重機伸縮吊臂結構有限元的分析過程，分別為：基本臂工況：臂長：10.50m；*大起重量：24t；工作幅度：3.5m.中長臂工況1：臂長：17.70m；*大起重量：15t；工作幅度：4.0m.中長臂工況2：臂長：24.90m
；*大起重量：11t
；工作幅度：4.0m.全伸臂工況：臂長：32.40m；*大起重量：7.5t
；工作幅度：5.0m.1有限元分析前處理過程有限元模型的建立主要包括實體模型的建立
、結構的離散化、加載和約束3個步驟。

 

    1.1有(you)限(xian)元(yuan)模(mo)型(xing)的(de)建(jian)立(li)建(jian)立(li)吊(diao)臂(bi)的(de)有(you)限(xian)元(yuan)模(mo)型(xing)
，是(shi)進(jin)行(xing)有(you)限(xian)元(yuan)分(fen)析(xi)的(de)前(qian)提(ti)與(yu)基(ji)礎(chu)。模(mo)型(xing)建(jian)立(li)的(de)基(ji)本(ben)原(yuan)則(ze)是(shi)既(ji)要(yao)如(ru)實(shi)反(fan)映(ying)結(jie)構(gou)的(de)主(zhu)要(yao)特(te)征(zheng)，又(you)要(yao)盡(jin)量(liang)降(jiang)低(di)模(mo)型(xing)的(de)複(fu)雜(za)程(cheng)度(du)，以(yi)保(bao)證(zheng)優(you)化(hua)結(jie)果(guo)既(ji)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)計(ji)算(suan)精(jing)度(du)又(you)能(neng)降(jiang)低(di)計(ji)算(suan)工(gong)作(zuo)量(liang)，以(yi)節(jie)約(yue)優(you)化(hua)計(ji)算(suan)所(suo)需(xu)的(de)時(shi)間(jian)。

 

    為了較真實模擬結果的幾何形狀
，提高分析的精度，必須以吊臂的真實工況位置（仰角0）進行建模
，再激活工作平麵，將工作平麵旋轉0角，在工作平麵內造型。建模的過程中采用自頂向下和自底向上的方式相結合，熟練運用工作平麵
、sanweizuobiaoxiyijibueryunsuan。duiyudiaobitongtichicun，yibanhouduzhongfenmianweizhilaiquedingjianlimoxing，moxingdeqitachicunwanquananzhaotuzhisheji。zaijianmodetongshiyaokaolvmoxingshangdegegejiaqiangban

，youyushangxiagaibanshangdejiaqiangbanyumoxingshihanjiezaiyiqide
，zaiduikedanyuandingyishichangshushiyaofenbiedingyilianggeshichangshu
，danshiyouyumoxingjianlideguochengzhongchicunshianzhaobanzhongmiandechicunjianlide，suoyizaidingyihoududetongshigaibanyujiaqiangbanzhijianyouzhongdiedehoudu，jiwufabaozhengyuanyoudehouduchicun，duiyuciwentiyibandechulifangfayaokaolvqipianxin
，danduiyubenliqijieguoyingxiangbuyanzhongdeqingkuangxia，jiangjiaqiangbanyugaibanshiweiyikuaiban，dingyiyigehouduzhijijiaqiangbandehouduyugaibandehouduzhihejike。weilefangbianshijiazaihejiyueshu
，zaijianmodetongshidandujianlihuakuaidezuoyongmian。genjushijiqingkuang，jiangjiegouzuoshidangdejianhua
，anzhaojianhuahoudejiegoujinxingjianmo。

 

    1.2單元的選取及網格的劃分對已經建立好的三維有限元模型定義單元屬性，包括定義單元類型、實常數、單(dan)元(yuan)材(cai)料(liao)屬(shu)性(xing)等(deng)等(deng)。吊(diao)臂(bi)的(de)筒(tong)體(ti)結(jie)構(gou)尺(chi)寸(cun)滿(man)足(zu)於(yu)彈(dan)性(xing)力(li)學(xue)及(ji)有(you)限(xian)元(yuan)理(li)論(lun)中(zhong)關(guan)於(yu)薄(bo)板(ban)或(huo)薄(bo)殼(ke)彎(wan)曲(qu)理(li)論(lun)中(zhong)的(de)定(ding)義(yi)，即(ji)彈(dan)性(xing)體(ti)的(de)三(san)個(ge)方(fang)向(xiang)的(de)尺(chi)寸(cun)中(zhong)
，厚(hou)度(du)尺(chi)寸(cun)遠(yuan)小(xiao)於(yu)長(chang)度(du)和(he)寬(kuan)度(du)的(de)尺(chi)寸(cun)，因(yin)此(ci)選(xuan)擇(ze)殼(ke)單(dan)元(yuan)是(shi)合(he)適(shi)的(de)。對(dui)於(yu)殼(ke)單(dan)元(yuan)需(xu)要(yao)定(ding)義(yi)的(de)實(shi)常(chang)數(shu)為(wei)其(qi)厚(hou)度(du)，殼(ke)單(dan)元(yuan)shell63由四個節點即四個厚度所定義，但在本例中單元具有統一的厚度，隻有在**個節點處輸入厚度值即可
，其餘實常數是針對各向異性材料的

，本處不需要。材料屬性與幾何模型無關
，本例中要定義材料的楊氏模量、泊鬆比及密度。

 

    youyumoxingdegegebufendehoudubutong，suoyizaijinxingwanggehuafenqianxianyaofenbiedingyigegebufendecanshu，duidiaobidewanggehuafenmiquziyouwanggehuafenyuyingshewanggehuafenxiangjiehedefangfa，zhenggewanggehuafen
，kongzhixingzhuangjinliangkenengguize，bimianxingzhuangjixing。zaiwanggehuafendeguochengzhong，duiyuyinglijizhongchuyijizhongyaodedifangshiyongjiaomidewanggehuafen，qitadifangjinliangshiyongjiaoxidewangge。

 

    1.3載荷的施加及約束的處理對於吊臂結構所選取的載荷組合為：吊重（考慮動載係數和起升衝擊係數）+吊臂自重。對於吊臂的自重
，在ANSYS軟件前處理模塊中輸入吊臂所用材料的密度和重力加速度，程序便根據輸入的單元類型、實常數，自動將單元載荷因子的信息計入總載荷進行計算，但是要注意單位的統一
；對dui於yu載zai重zhong力li，吊diao臂bi整zheng體ti結jie構gou在zai吊diao重zhong時shi隻zhi有you四si節jie臂bi承cheng受shou載zai重zhong力li，其qi他ta各ge節jie臂bi通tong過guo滑hua塊kuai相xiang互hu傳chuan遞di作zuo用yong力li，利li用yong力li學xue知zhi識shi，從cong汽qi車che起qi重zhong機ji吊diao臂bi的de三san角jiao點dian入ru手shou，通tong過guo平ping衡heng方fang程cheng將jiang作zuo用yong在zai四si節jie臂bi上shang的de吊diao重zhong轉zhuan化hua為wei臂bi段duan之zhi間jian的de相xiang互hu作zuo用yong力li，作zuo用yong在zai滑hua塊kuai與yu吊diao臂bi的de作zuo用yong麵mian處chu。

 

    由you於yu本ben文wen所suo研yan究jiu的de吊diao臂bi結jie構gou為wei分fen段duan考kao慮lv，所suo以yi滑hua塊kuai與yu吊diao臂bi之zhi間jian的de作zuo用yong力li視shi為wei外wai力li，要yao對dui滑hua塊kuai與yu吊diao臂bi間jian的de接jie觸chu部bu分fen做zuo特te殊shu的de處chu理li。從cong整zheng個ge伸shen縮suo吊diao臂bi的de結jie構gou來lai看kan
，各ge節jie臂bi和he滑hua塊kuai之zhi間jian靠kao相xiang互hu間jian的de接jie觸chu和he擠ji壓ya來lai傳chuan遞di力li
，屬shu於yu接jie觸chu問wen題ti，它ta是shi非fei線xian性xing的de。目mu前qian求qiu解jie接jie觸chu問wen題ti的de趨qu勢shi是shi采cai用yong有you限xian元yuan接jie觸chu法fa或huo一yi般ban有you限xian元yuan法fa，在zai計ji算suan機ji上shang對dui吊diao臂bi這zhe樣yang一yi個ge複fu雜za結jie構gou采cai用yong有you限xian元yuan接jie觸chu法fa

，在zai現xian有you技ji術shu條tiao件jian下xia還hai有you困kun難nan，而er且qie所suo求qiu得de的de解jie不bu容rong易yi收shou斂lian

，所suo以yi隻zhi能neng用yong一yi般ban的de有you限xian元yuan方fang法fa求qiu解jie。對dui於yu滑hua塊kuai的de處chu理li采cai用yong吊diao臂bi尾wei部bu的de兩liang處chu滑hua塊kuai施shi加jia約yue束shu，吊diao臂bi頭tou部bu的de兩liang處chu滑hua塊kuai施shi加jia載zai荷he的de方fang法fa。指zhi定ding分fen析xi類lei型xing為wei靜jing力li分fen析xi，然ran後hou運yun行xing求qiu解jie。進jin入ru通tong用yong後hou處chu理li器qi，後hou處chu理li通tong過guo圖tu形xing或huo列lie表biao方fang式shi顯xian示shi分fen析xi結jie果guo。*終得出汽車起重機吊臂的各個臂段在不同工況下應力及位移雲圖。

 

    2有限元吊臂的優化設計優化設計是一種尋求或確定*優設計方案的技術。所謂“*優設計”
，指的是一種方案可以滿足所有的設計要求，而且所需的支出本例中即重量*小。也就是說，*優設計方案就是一個*有效率的設計方案。

 

    確(que)定(ding)優(you)化(hua)設(she)計(ji)變(bian)量(liang)。減(jian)輕(qing)起(qi)重(zhong)機(ji)吊(diao)臂(bi)的(de)自(zi)重(zhong)，對(dui)提(ti)高(gao)整(zheng)機(ji)經(jing)濟(ji)技(ji)術(shu)指(zhi)標(biao)有(you)重(zhong)要(yao)的(de)意(yi)義(yi)。由(you)於(yu)各(ge)節(jie)臂(bi)的(de)長(chang)度(du)是(shi)根(gen)據(ju)使(shi)用(yong)要(yao)求(qiu)或(huo)油(you)缸(gang)行(xing)程(cheng)等(deng)預(yu)先(xian)確(que)定(ding)的(de)，其(qi)輪(lun)廓(kuo)尺(chi)寸(cun)在(zai)自(zi)身(shen)長(chang)度(du)內(nei)保(bao)持(chi)不(bu)變(bian)，其(qi)加(jia)強(qiang)板(ban)的(de)位(wei)置(zhi)應(ying)根(gen)據(ju)上(shang)、下蓋板的危險截麵的位置確定，因此選擇*合理的輪廓尺寸及加強板尺寸是減輕自重的重要途徑。因此，定義加強板的寬B、高H及厚T為設計變量。利用ANSYS的建模功能，以原設計值為初始設計序列
，建立吊臂的參數化模型。

 

    目標函數。目標函數是設計所追求指標的數學反映
，它應能用來評價設計的優劣
，同時必須是設計變量的可計算函數。在ANSYSyouhuashejizhong，zhiyunxuyouyigemubiaohanshu，jidanmubiaoyouhua。ruguoyouduogemubiao
，zeshixianbixuyongjiaquandengfangfabianweidanmubiaoyouhuawenti。mubiaohanshushuzhizhinengweizheng。weibimianfuzhichuxian，keyizaimubiaohanshushangjiashangyigezugoudadezhengzhi。benyouhuayijianshaobizhongweimubiao，yinzhongliangyutijichengzhengbi（假定密度是均勻的）
，那麼減小總體積就相當於減小總重量。

 

    因此可以選擇總體積為目標函數。

 

    狀態變量。狀態變量通常是控製設計的因變量數值，是設計變量的函數，在ANSYS中，這種函數關係不是顯式的，對狀態變量的約束構成了約束方程。ANSYS允許定義的狀態變量不超過100個，實際選取時
，應選取適度的狀態變量的數目
，以保證足夠的約束設計。設計中，為保證臂的強度和剛度
，設定應力STRESSM和位移DEFLM為狀態變量，控製應力和位移的大小，即使臂滿足強度和剛度要求。

 

    優化結果及分析。以二節臂在中長臂工況下為例，采用ANSYS軟ruan件jian提ti供gong的de一yi階jie方fang法fa進jin行xing迭die代dai優you化hua計ji算suan
，通tong過guo有you限xian元yuan分fen析xi得de出chu二er節jie臂bi的de體ti積ji減jian小xiao了le，吊diao臂bi的de重zhong量liang也ye隨sui之zhi下xia降jiang
，而er應ying力li雖sui然ran在zai優you化hua後hou增zeng加jia了le，但dan仍reng屬shu於yu安an全quan範fan圍wei之zhi內nei，強qiang度du得de到dao了le充chong分fen的de發fa揮hui。

 

    3分析算例以二節臂在中長臂工況下為例
，在ANSYS中進行模型建立
、網格劃分、施加載荷及約束、進行求解，得出其應力雲圖，如所示。

 

    4結論本文使用大型通用有限元分析軟件ANSYS的結構分析模塊ANSYSStructure，建(jian)立(li)了(le)汽(qi)車(che)起(qi)重(zhong)機(ji)吊(diao)臂(bi)的(de)有(you)限(xian)元(yuan)模(mo)型(xing)，計(ji)算(suan)了(le)吊(diao)臂(bi)的(de)各(ge)個(ge)臂(bi)段(duan)在(zai)不(bu)同(tong)工(gong)況(kuang)下(xia)的(de)應(ying)力(li)和(he)位(wei)移(yi)情(qing)況(kuang)，有(you)限(xian)元(yuan)分(fen)析(xi)計(ji)算(suan)結(jie)果(guo)與(yu)實(shi)驗(yan)的(de)實(shi)測(ce)值(zhi)是(shi)相(xiang)吻(wen)合(he)的(de)，說(shuo)明(ming)了(le)本(ben)軟(ruan)件(jian)係(xi)統(tong)和(he)分(fen)析(xi)方(fang)法(fa)是(shi)切(qie)實(shi)可(ke)行(xing)的(de)
，該(gai)軟(ruan)件(jian)係(xi)統(tong)也(ye)為(wei)今(jin)後(hou)的(de)汽(qi)車(che)起(qi)重(zhong)機(ji)吊(diao)臂(bi)的(de)設(she)計(ji)提(ti)供(gong)了(le)有(you)力(li)的(de)技(ji)術(shu)支(zhi)撐(cheng)。

 

    為氣囊直徑
、排氣孔直徑
、氣流率、zhidaigangdu，genshujucongerzhongxinquedingyizucanshuzuhe，congshangwendeduibijiejuzhengjiaobiaoanpaifangzhenshiyan，yingyongjichafenxidefangfachuliguokeyikanchuyouhuachengdubijiaomingxian。

 

    表3正(zheng)交(jiao)試(shi)驗(yan)的(de)數(shu)據(ju)分(fen)析(xi)各(ge)因(yin)素(su)不(bu)同(tong)水(shui)平(ping)相(xiang)應(ying)綜(zong)合(he)傷(shang)害(hai)指(zhi)標(biao)和(he)各(ge)因(yin)素(su)不(bu)同(tong)水(shui)平(ping)相(xiang)應(ying)綜(zong)合(he)傷(shang)害(hai)指(zhi)標(biao)平(ping)均(jun)值(zhi)極(ji)差(cha)綜(zong)合(he)傷(shang)害(hai)指(zhi)標(biao)平(ping)均(jun)值(zhi)極(ji)差(cha)優(you)方(fang)案(an)表(biao)4優化程度原模型改進後改進值