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。

 

傳chuan統tong意yi義yi上shang對dui於yu汽qi車che起qi重zhong機ji吊diao臂bi的de設she計ji隻zhi局ju限xian於yu手shou工gong計ji算suan，而er且qie一yi般ban都dou是shi經jing驗yan公gong式shi，尤you其qi對dui吊diao臂bi的de應ying變bian分fen析xi采cai用yong貼tie應ying變bian片pian的de方fang法fa，其qi計ji算suan量liang大da而er且qie無wu法fa保bao證zheng計ji算suan的de精jing度du。近jin年nian來lai，隨sui著zhe起qi重zhong機ji的de不bu斷duan發fa展zhan，汽qi車che起qi重zhong機ji吊diao臂bi設she計ji所suo使shi用yong的de計ji算suan理li論lun和he方fang法fa也ye取qu得de了le很hen大da的de進jin步bu和he發fa展zhan。目mu前qian國guo內nei外wai廣guang泛fan使shi用yong有you限xian元yuan法fa等deng新xin的de計ji算suan方fang法fa，進jin行xing吊diao臂bi的de設she計ji計ji算suan，大da大da縮suo短duan了le設she計ji周zhou期qi
，提ti高gao了le設she計ji水shui平ping和he精jing度du。

 

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
、三(san)維(wei)坐(zuo)標(biao)係(xi)以(yi)及(ji)布(bu)爾(er)運(yun)算(suan)。對(dui)於(yu)吊(diao)臂(bi)筒(tong)體(ti)尺(chi)寸(cun)
，以(yi)板(ban)厚(hou)度(du)中(zhong)分(fen)麵(mian)位(wei)置(zhi)來(lai)確(que)定(ding)建(jian)立(li)模(mo)型(xing)，模(mo)型(xing)的(de)其(qi)他(ta)尺(chi)寸(cun)完(wan)全(quan)按(an)照(zhao)圖(tu)紙(zhi)設(she)計(ji)。在(zai)建(jian)模(mo)的(de)同(tong)時(shi)要(yao)考(kao)慮(lv)模(mo)型(xing)上(shang)的(de)各(ge)個(ge)加(jia)強(qiang)板(ban)，由(you)於(yu)上(shang)下(xia)蓋(gai)板(ban)上(shang)的(de)加(jia)強(qiang)板(ban)與(yu)模(mo)型(xing)是(shi)焊(han)接(jie)在(zai)一(yi)起(qi)的(de)，在(zai)對(dui)殼(ke)單(dan)元(yuan)定(ding)義(yi)實(shi)常(chang)數(shu)時(shi)要(yao)分(fen)別(bie)定(ding)義(yi)兩(liang)個(ge)實(shi)常(chang)數(shu)，但(dan)是(shi)由(you)於(yu)模(mo)型(xing)建(jian)立(li)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)尺(chi)寸(cun)是(shi)按(an)照(zhao)板(ban)中(zhong)麵(mian)的(de)尺(chi)寸(cun)建(jian)立(li)的(de)
，所(suo)以(yi)在(zai)定(ding)義(yi)厚(hou)度(du)的(de)同(tong)時(shi)蓋(gai)板(ban)與(yu)加(jia)強(qiang)板(ban)之(zhi)間(jian)有(you)重(zhong)疊(die)的(de)厚(hou)度(du)，即(ji)無(wu)法(fa)保(bao)證(zheng)原(yuan)有(you)的(de)厚(hou)度(du)尺(chi)寸(cun)，對(dui)於(yu)此(ci)問(wen)題(ti)一(yi)般(ban)的(de)處(chu)理(li)方(fang)法(fa)要(yao)考(kao)慮(lv)其(qi)偏(pian)心(xin)，但(dan)對(dui)於(yu)本(ben)例(li)其(qi)結(jie)果(guo)影(ying)響(xiang)不(bu)嚴(yan)重(zhong)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，將(jiang)加(jia)強(qiang)板(ban)與(yu)蓋(gai)板(ban)視(shi)為(wei)一(yi)塊(kuai)板(ban)，定(ding)義(yi)一(yi)個(ge)厚(hou)度(du)值(zhi)即(ji)加(jia)強(qiang)板(ban)的(de)厚(hou)度(du)與(yu)蓋(gai)板(ban)的(de)厚(hou)度(du)之(zhi)和(he)即(ji)可(ke)。為(wei)了(le)方(fang)便(bian)施(shi)加(jia)載(zai)荷(he)及(ji)約(yue)束(shu)，在(zai)建(jian)模(mo)的(de)同(tong)時(shi)單(dan)獨(du)建(jian)立(li)滑(hua)塊(kuai)的(de)作(zuo)用(yong)麵(mian)。根(gen)據(ju)實(shi)際(ji)情(qing)況(kuang)
，將(jiang)結(jie)構(gou)做(zuo)適(shi)當(dang)的(de)簡(jian)化(hua)，按(an)照(zhao)簡(jian)化(hua)後(hou)的(de)結(jie)構(gou)進(jin)行(xing)建(jian)模(mo)。

 

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yuanshell63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。

 

由you於yu模mo型xing的de各ge個ge部bu分fen的de厚hou度du不bu同tong
，所suo以yi在zai進jin行xing網wang格ge劃hua分fen前qian先xian要yao分fen別bie定ding義yi各ge個ge部bu分fen的de參can數shu
，對dui吊diao臂bi的de網wang格ge劃hua分fen米mi取qu自zi由you網wang格ge劃hua分fen與yu映ying射she網wang格ge劃hua分fen相xiang結jie合he的de方fang法fa，整zheng個ge網wang格ge劃hua分fen

，控kong製zhi形xing狀zhuang盡jin量liang可ke能neng規gui則ze，避bi免mian形xing狀zhuang畸ji形xing。在zai網wang格ge劃hua分fen的de過guo程cheng中zhong
，對dui於yu應ying力li集ji中zhong處chu以yi及ji重zhong要yao的de地di方fang使shi用yong較jiao密mi的de網wang格ge劃hua分fen
，其qi他ta地di方fang盡jin量liang使shi用yong較jiao稀xi的de網wang格ge。

 

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)。

 

youyubenwensuoyanjiudediaobijiegouweifenduankaolv，suoyihuakuaiyudiaobizhijiandezuoyonglishiweiwaili，yaoduihuakuaiyudiaobijiandejiechubufenzuoteshudechuli。congzhenggeshensuodiaobidejiegoulaikan，gejiebihehuakuaizhijiankaoxianghujiandejiechuhejiyalaichuandili，shuyujiechuwenti，tashifeixianxingde。muqianqiujiejiechuwentidequshishicaiyongyouxianyuanjiechufahuoyibanyouxianyuanfa
，zaijisuanjishangduidiaobizheyangyigefuzajiegoucaiyongyouxianyuanjiechufa，zaixianyoujishutiaojianxiahaiyoukunnan，erqiesuoqiudedejieburongyishoulian，suoyizhinengyongyibandeyouxianyuanfangfaqiujie。duiyuhuakuaidechulicaiyongdiaobiweibudeliangchuhuakuaishijiayueshu，diaobitoubudeliangchuhuakuaishijiazaihedefangfa。zhidingfenxileixingweijinglifenxi，ranhouyunxingqiujie。jinrutongyonghouchuliqi
，houchulitongguotuxinghuoliebiaofangshixianshifenxijieguo。*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ANSYS優you化hua設she計ji中zhong，隻zhi允yun許xu有you一yi個ge目mu標biao函han數shu
，即ji單dan目mu標biao優you化hua。如ru果guo有you多duo個ge目mu標biao，則ze事shi先xian必bi須xu用yong加jia權quan等deng方fang法fa變bian為wei單dan目mu標biao優you化hua問wen題ti。目mu標biao函han數shu數shu值zhi隻zhi能neng為wei正zheng。為wei避bi免mian負fu值zhi出chu現xian
，可ke以yi在zai目mu標biao函han數shu上shang加jia上shang一yi個ge足zu夠gou大da的de正zheng值zhi。本ben優you化hua以yi減jian少shao臂bi重zhong為wei目mu標biao，因yin重zhong量liang與yu體ti積ji成cheng正zheng比bi（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、織(zhi)帶(dai)剛(gang)度(du)，根(gen)數(shu)據(ju)從(cong)而(er)重(zhong)新(xin)確(que)定(ding)一(yi)組(zu)參(can)數(shu)組(zu)合(he)，從(cong)上(shang)文(wen)的(de)對(dui)比(bi)結(jie)據(ju)正(zheng)交(jiao)表(biao)安(an)排(pai)仿(fang)真(zhen)試(shi)驗(yan)，應(ying)用(yong)極(ji)差(cha)分(fen)析(xi)的(de)方(fang)法(fa)處(chu)理(li)果(guo)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)優(you)化(hua)程(cheng)度(du)比(bi)較(jiao)明(ming)顯(xian)。

 

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