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QY25K型汽車起重機(jī)伸縮吊臂的有限元分析

來源:中國起重機(jī)械網(wǎng)
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     1伸縮吊臂的結(jié)構(gòu)組成及分析方法
 
    QY25K汽車起重機(jī)采用四節(jié)伸縮式箱形吊臂,如圖1所示。各節(jié)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?;颈?根部與轉(zhuǎn)臺通過水平銷軸鉸接,且其中部還與變幅液壓缸5鉸接,可實(shí)現(xiàn)吊臂在變幅平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動。吊臂伸縮采用一級伸縮液壓缸、雙繩排滑輪機(jī)構(gòu)(兩伸、兩縮)以實(shí)現(xiàn)二、三、四節(jié)吊臂同步伸縮。
 
    吊臂截面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(qiáng)筋,見圖2。
 
    吊臂的設(shè)計計算通常的方法是將吊臂結(jié)構(gòu)視為梁模型進(jìn)行強(qiáng)度及剛度等方面的分析。但實(shí)際上,吊臂是由薄板對焊起來的箱形結(jié)構(gòu),應(yīng)該視為板殼模型。解決這樣一個變截面板殼模型受力問題,比較行之有效的方法是有限元法。故我們應(yīng)用此法,并采用功能強(qiáng)大、技術(shù)上非常成熟的商用有限元軟件ANSYS為工具來進(jìn)行分析?;诘醣鄣膶?shí)際工況較多,限于篇幅,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(jī)伸縮吊臂結(jié)構(gòu)有限元的分析過程。
 
    2伸縮吊臂有限元模型建立
 
    2.1實(shí)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(shí)工況位置(仰角θ)進(jìn)行建模,亦即先要計算仰角θ的大小,再激活工作平面(workplane),將工作平面旋轉(zhuǎn)θ角,在工作平面內(nèi)造型。各節(jié)臂的筒體由薄板構(gòu)成,取中面尺寸造型。基于基本臂的尾部及四節(jié)臂的頭部結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜且剛性很大,故將其簡化成實(shí)體,利用ANSYS強(qiáng)大的造型功能,如:拉伸、移動、拷貝、布爾加減運(yùn)算、粘接等,可方便地建模。
 
    2.2單元選取及網(wǎng)格劃分
 
    板采用板殼元Shell63來離散。Shell63是一種4節(jié)點(diǎn)線彈性單元,它遵循基爾霍夫假定,即變形前垂直中面的法線變形后仍垂直于中面,而且這種單元可以同時考慮彎曲變形及中面內(nèi)的膜力,比較符合吊臂的實(shí)際受載情況。實(shí)體單元選用8節(jié)點(diǎn)的6面體單元Solid45。
 
    考慮到每節(jié)臂之間都有搭接部分,不易選中,且大部分板厚都不一樣,若是每塊板逐個進(jìn)行網(wǎng)格劃分,效率低下,容易出錯,為此我們先在實(shí)體模型上指定屬性,即賦予所有實(shí)體需劃分的單元、材料特性、實(shí)常數(shù)等,然后由程序一次對所有板、塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分,同時也避免了在網(wǎng)格劃分操作中重復(fù)設(shè)置屬性。若是對某些網(wǎng)格形狀不滿意,則可對這部分重新進(jìn)行劃分,因為重新劃分時,可刪除已有的網(wǎng)格,但不會刪除所指定的屬性。
 
    各節(jié)臂筒體采用自由(free)及映射(mapped)方式劃分?;瑝K處采用掃掠(sweep)劃分,以保證其形狀為六面體。整個網(wǎng)格劃分,控制單元形狀盡可能規(guī)則,避免形狀畸形。
 
    最終形成吊臂的有限元模型規(guī)模:節(jié)點(diǎn)數(shù)52017個,單元數(shù)62827個,其中板單元42153個,實(shí)體單元20674個。網(wǎng)格如圖3所示。
 
    2.3滑塊接觸處模型處理
 
    由于吊臂工作時,各節(jié)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(jié)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,但由于該算例中,單元數(shù)頗多,模型規(guī)模大,且有12處接觸(四節(jié)臂上下有12個滑塊),而接觸問題屬于非線性,求解過程必須反復(fù)迭代計算,因而計算量實(shí)在太大,另外,其準(zhǔn)確性也較差(實(shí)際結(jié)構(gòu)中的接觸特性尚不清楚),基于此,我們運(yùn)用另外一種方法——節(jié)點(diǎn)自由度耦合技術(shù)來模擬滑塊與各節(jié)臂的接觸。工作時,滑塊與吊臂保持接觸,但它們之間沿接觸面有相對滑動趨勢,故相對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)間沿接觸面的法向自由度必須耦合,而切向自由度則不能耦合,應(yīng)當(dāng)釋放。為了達(dá)到此目的,首先要旋轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系,旋轉(zhuǎn)角度即為仰角θ,利用各節(jié)臂與滑塊在同一位置節(jié)點(diǎn)(CoincidentNode)間的耦合,可方便地實(shí)現(xiàn)12個滑塊與吊臂對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的耦合。
 
    2.4加載及約束處理
 
    吊臂所受的載荷有:吊重、側(cè)載、鋼絲繩在臂頭的拉力、風(fēng)載、液壓缸作用力及伸縮機(jī)構(gòu)鋼絲繩拉力。風(fēng)載荷加到吊臂側(cè)面上,而其它力則須加到相應(yīng)位置的節(jié)點(diǎn)上(或關(guān)鍵點(diǎn)上),為了使得這些加載點(diǎn)能成為節(jié)點(diǎn),首先需要在此位置處創(chuàng)建硬點(diǎn)(Hardpoints),此外,由于鋼絲繩在臂頭的拉力及伸縮機(jī)構(gòu)鋼絲繩拉力等方向與整體坐標(biāo)系方向不一致,故還須旋轉(zhuǎn)這些節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系,以便于加載。
 
    約束處理:基本臂尾部與轉(zhuǎn)臺鉸接處,約束3個方向平移自由度(UX、UY、UZ)和兩個方向的轉(zhuǎn)動自由度(ROTY、ROTZ)。釋放繞銷軸中心回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動自由度(ROTX)。變幅液壓缸鉸點(diǎn)處同樣處理。
 
    3計算結(jié)果與分析
 
    通過對上述有限元模型進(jìn)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,均位于吊臂頭部。應(yīng)力計算結(jié)果用Vonmises當(dāng)量應(yīng)力值表示。吊臂上應(yīng)力值較大的區(qū)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(yīng)力發(fā)生在三節(jié)臂折板與左滑塊接觸處,其值達(dá)到551MPa,其上應(yīng)力分布情況如圖4所示(注:折板位置見圖2)。圖中標(biāo)出應(yīng)力值較大點(diǎn),它們靠近吊臂外側(cè)。其它滑塊處的應(yīng)力分布情況也是這樣。
 
    QY25K型伸縮吊臂已做過結(jié)構(gòu)應(yīng)力試驗,所加載荷有:吊重、側(cè)載和風(fēng)載,由于風(fēng)載作用在吊臂的側(cè)面,試驗中很難施加,故將其轉(zhuǎn)化到吊臂頭部來進(jìn)行施加。試驗的測點(diǎn)均布置在滑塊附近,現(xiàn)將用有限元法在測點(diǎn)處的計算應(yīng)力值與實(shí)測值進(jìn)行比較,見表1。
 
    4結(jié)束語
 
    (1)用有限元法對伸縮吊臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度分析,其結(jié)果應(yīng)該比常規(guī)的解析法更準(zhǔn)確、可靠,且可以獲得解析法難以分析的局部區(qū)域應(yīng)力分布,如吊臂與滑塊接觸處、變幅液壓缸鉸接處,而這些區(qū)域往往又是危險部位。有限元分析的結(jié)果可為實(shí)際設(shè)計提供有價值的參考。
 
    (2)本文運(yùn)用節(jié)點(diǎn)自由度耦合技術(shù)模擬滑塊與吊臂的連接,并將計算結(jié)果與實(shí)測值進(jìn)行對比,二者較為吻合。
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移動版:QY25K型汽車起重機(jī)伸縮吊臂的有限元分析

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