NX Nastran在起重机支腿改进设计中的应用

2012-08-07姜海军史新民

常州信息职业技术学院学报 2012年4期

姜海军史新民

(1.常州机电职业技术学院江苏常州 213164;2.常州信息职业技术学院江苏常州 213164)

0 引言

支腿是起重机的主要金属结构件之一，传统的支腿多采用铸造结构，由于铸造的厚度较大，容易产生气孔和疏松，内部质量难以控制，并且零件容易失效，使用寿命短。为此，借助于有限元分析软件，建立支腿三维力学模型，并进行有限元分析，找出应力集中部位和具体数据，可以为支腿的改进设计提供依据。

1 铸造结构支腿的Nastran有限元分析

1.1 支腿受力分析

大吨位铁路救援用起重机的底架上一般采用四个支腿承受整车和重物的重量，支腿的结构如图1所示。铸造结构支腿采用整体铸造形式，将轴座板、支持梁、油缸座做成一个整体，上下轴座板与底架通过销轴连接，另一端与支腿油缸通过螺栓刚性地固接在一起。作业时，四个支腿的油缸同时支撑在坚实的地面上，油缸产生向上的推力，通过支腿将整车支起。当吊臂伸出过长时，起吊重物会产生侧倾，重量可能由其中的一个支腿承受。上下轴座板与底架采用叉型结构形式，理论上，上、下轴座板同时承受垂直方向载荷，但由于该结构组装受工艺性限制，实际工作中是一个轴座板先承受垂直方向载荷，出现弹性变形后，另一个轴座板再承载。因此，在进行强度校核计算时要考虑最恶劣的工况。为便于研究采用反向加载，对支腿与底架连接部位进行约束，在支腿上施加垂直向上的载荷。因此，支腿的力学模型可以简化成如图2所示。

图1 铸造支腿结构示意图

图2 支腿力学模型

1.2 结构应力分析

现以125吨铁路起重机支腿(支腿设计长为2 350 mm、宽为360 mm、高为1 105 mm、重量为1 355 kg。)为例进行分析。应用有限元分析软件NX Nastran按照图3所示的流程对支腿进行有限元分析。为了保证计算的准确性与精度，采用3D四面体网格CTETRA(10)节点单元对支腿模型进行网格划分。在孔的周围和容易产生应力集中的部位进行局部的网格细化［1］，如图4所示。此外，支腿失效的因素很多，虽然销与座孔之间同轴度有严格要求，但销轴和销孔之间存在间隙，产生约束集中于某部分网格上，形成不同工况，若用非线性求解器则会造成计算的复杂性，选择结构静态线性求解器进行求解，抓住主要因素，可以快速找到问题所在［2］。图5为铸造结构支腿应力分析结果。

2 新结构的设计与有限元分析

图3 NX Nastran有限元分析流程

图4 网格划分

图5 铸造支腿应力分析结果

图6 焊接结构支腿模型

通过对起重机支腿结构和承载方式的分析，综合铸造结构的缺陷提出了一种新型支腿结构方案——焊接式结构。主要由油缸座、上下盖板、腹板、立板加强板等部分组成，如图6所示。由铸造结构支腿的分析结果可知，应力主要集中在中间腹板孔和轴座板等部位。根据材料力学理论，σmax=M/Wz，在载荷施加状态不变的情况下，增大抗弯截面模量Wz可以降低应力［3］。因此，采用双腹板，可增大抗弯截面模量;上下轴座板部位分别采用垫板和加强板予以加强，可以减小应力。同时，为了提高材料的利用率，根据各部位所受的应力不同，采用不同截面和不同材质的板材拼接组焊成型［4］，如垫板、加强板与腹板等零件厚度各不同，油缸座、下加强板由于较厚，仍然采用ZG235材料铸造而成，其余零件采用16Mn板材材料。这样既保证了强度又节省了材料。具体结构尺寸的确定可通过软件分析比较后得到较为优化的方案。最终确定的优化模型尺寸为:支腿长2 360 mm、宽325 mm、高1 180 mm、重量为1 237 kg，其有限元分析结果如图7所示。

图7 焊接结构支腿应力分析结果

3 产品对比

焊接结构支腿制造简单方便，由于大量采用板材，产品表面平整度高、外观质量较好，通过结构优化采用不同截面和不同材质的板材拼接节省了材料，减轻了重量，同时消除了局部大应力集中存在的现状。焊接结构克服了铸件会产生气孔、疏松等缺陷，结构强度有了较大的增强，最大应力由298.48 MPa降低到220.75 MPa。说明焊接结构支腿的承载能力明显增强，零件的可靠性有了较大提高，可以承受现有工作条件下的载荷。具体比较结果如表1所示。