基于PATRAN的汽车起重机的转台有限元分析

王宪雪

【摘 要】本文针对125吨位汽车起重机的转台进行了受力分析，使用Patran有限元分析软件对其进行了强度和刚度计算，根据计算结果给出了改进转台的设计方案。

【关键词】汽车起重机；转台；MSC.Patran有限元

转台作为汽车起重机的主要三大部件之一，在整个吊装作业中起着极其重要的作用。它主要由几十块厚度不同、形状各异的钢板、钢梁等拼焊而成，是一种由左右墙板、左右上盖板、底板组件以及加强板组成的半封闭式的大箱形薄壁结构。在作业中，转台形状及受力情况复杂，计算精度难以保证[1]。传统方法是将其作为自由支承的悬臂梁运用解析法进行分析，不但计算起来十分繁琐，计算结果粗糙，而且耗时耗力，难以满足产品更新换代的需求[2]。因此在设计回转台时，只能根据有经验设计者的经验设计，往往会出现不可预料的问题。随着有限元软件的发展应用，人们总结研究出了有限元软件的发展应用以及运用有限元软件对结构进行分析计算的方法，实践也证明，此方法能够真实地模拟转台的吊载工况，不但节省了人力物力，而且计算精度高，正适用目前高速发展的产品需求[3]。

1.转台三维模型的建立

本文采用强大的三维建模软件Pro/E进行三维模型的建立，由于125吨汽车起重机属于较大型的汽车起重机，故采用可拆卸式副卷扬结构，转台结构分析时值针对主卷扬及转台焊接主体进行分析。

2.转台有限元分析

2.1 MSC.Patran有限元软件

F1：下铰点力；F2：尾铰点力；F3：

卷扬拉力；F4：推力油缸拉力；F5：配重力

图1 转台受力图

MSC.Patran是一个集成的并行框架式有限元前后处理及分析仿真系统。MSC.Patran最早由美国宇航局（NASA）倡导开发，是工业领域最著名的并行框架式有限元前后处理机分析系统，其开放式、多功能的体系结构可将工程设计、工程分析、结果评估、用户化设计和交互图形界面集于一身，构成一个完整的CAE集成环境[4、5]。

转台受力分析见图1：下铰点力F1由变幅油缸施加在转台焊接体上，方向朝后下方；尾铰点力F2由起重臂产生，方向朝前上方；卷扬箱处由于受到钢丝绳的拉力，故产生力F3，方向与尾铰点力方向相同；该转台由于采用了滑移配重，配重的滑移由主卷扬箱两侧的推力油缸产生F4，方向朝向后方；当挂上配重后，配重对转台焊接体施加竖直向下的配重力F5。

2.2 转台的物理模型

图2 转台有限元模型

一般来讲，有限元软件的建模功能相对薄弱，所以本文采用强大的三维建模软件Proe进行模型的建立，选择MSC.Patran进行有限元分析。MSC.Patran是一个集成的并行框架式有限元前后处理及分析仿真系统，可直接从CAD/CAM系统中获取几何模型，甚至参数和特征，分析精确度高，计算结果与实际结果更为相近，可指导实物的改进。由于MSC.Patran的面模分析功能强大，故以Proe建立的三维模型为基础，采用solidworks进行模型面模的建立。对受力较大的部位进行局部加强。对受力较小的部位进行开孔减重处理，并对整体结构进行优化，建模基本遵循以下几条原则：

（1）由三维模型建立面模的原则是：以板厚的中间平面为面模的位置平面；

（2）由于转台的大多数板结构比较规则，所以可采用智能划分法进行网格的划分，单元采用壳单元；

（3）变幅油缸下铰点、起重臂尾铰点、卷扬、配重铰点及推力油缸处均采用RBE2的MPC，转台底板与回转支承的连接孔处采用RBE2形式的MPC。

（4）不影响受力的工艺孔、倒圆角、倒角等特征对计算结果很小，在建立面模时可不予考虑；

（5）转台座圈与底板连接以螺栓连接，应在螺栓孔处建立刚性区域，施加的力或约束应施加在相应孔刚性区域的中心位置处。

有限元模型见图2。

2.3 边界约束条件及载荷

根据起重机的工作状态，可知：转台与回转支承连接的刚性区域处，应施加6个方向的全约束，转台受的五种力可通过集中载荷的形式实现。

2.4 材料属性

根据整车的吊载性能，预选转台钢板的材料为HG785，其屈服应力为；许用应力。

2.5 计算工况

以转台工作的4种最恶劣工况进行分析：

工况1（全配重最大起重量工况）：额定载荷+侧向载荷+全配重40T，工作幅度3m，吊重125T；

工况2（全配重最大起重力矩工况）：额定载荷+侧向载荷+全配重40T，工作幅度6m，吊重86T；

工况3（全配重最大起重力矩工况）：1.25超载+全配重40T，工作幅度6m，吊重107.5；

工况4（零配重最大起重力矩工况）：1.25超载+0配重，工作幅度5m，吊重102.5；

方向的规定：回转支承中心轴与车架座圈上表面的交点定位原点，以整车车长方向为x方向，中回至车头方向为x轴正方向；中回至右机棚方向为y轴正方向；中回至车架上方为z轴正方向。

铰点力 工况一 工况二 工况三 工况四

F1水平 141047 708492 870355 531537

F1垂直 -2294722 -2235946 -2746772 23934

F2水平 -141047 -708492 -870355 -531537

F2垂直 85423 1226654 1526780 1222892

F3水平 28890 14400 15850 10650

F3垂直 109001 98553 109967 116894

F4 320000 320000 320000 320000

F5 -372400 -372400 -372400 -372400

2.6 计算结果分析

工况一的应力最大区域位于推力油缸支座处，最大为447MPa；挂配重的四个三角板与卷扬后立板的交界处，应力较大，为420MPa；变幅铰点处得应力也在400MPa以上，为435MPa。

工况二的应力最大区域也是推力油缸支座处，最大为450MPa；挂配重的四个三角板与卷扬后立板的交界处，应力也较大，为420MPa（因为均是全配重，故此处力与工况一相同）；变幅铰点处得应力也在400MPa以上，为441MPa。其余应力均低于400MPa。工况二的位移最大值也出现在转台尾部挂配重处，由于受侧向载荷的影响，最大位移出现在右后部，位移为15.4mm。

工况三的应力最大区域出现在变幅油缸铰点处，最大为491MPa；挂配重的四个三角板与卷扬后立板的交界处，应力也较大，为420MPa（因为均是全配重，故此处力与工况一相同）。最大应力值超过应力允许值，对变幅铰点处采用三角加强板进行加强，应力明显下降，低于460MPa。工况三的位移最大值出现在转台尾部挂配重处，由于受到侧向载荷的影响，最大位移出现在右后部，位移为12.4mm。

工况四的应力最大区域出现在变幅油缸铰点处，最大应力为468MPa；由于是零配重超载工况，所以转台变幅铰点附近，左右大立板前部均出现应力较大区域，在300MPa以上，但低于400MPa。分析变幅铰点处468应力处，只有一个单元，故可把此处看成是应力集中，应力集中点的应力满足小于560MPa即可。工况四的位移最大值出现在转台尾部挂配重处，由于受到侧向载荷的影响，最大位移出现在右后部，位移为21.5mm。

由分析结果可知，除部分应力集中处外，大部分区域应力都控制在材料许用应力范围内，而且应力集中处的应力值均在屈服应力范围内，符合强度要求。

3.结论

转台作为起重机的重要三大结构件之一，其结构的优劣将直接影响整机的吊载性能，采用MSC.Patran对转台进行有限元分析，可在第一时间内得到转台的受力变化，从而以此为依据，对转台进行局部加强，起到节约设计成本，缩短设计时间的目的。对应力大的地方，如变幅铰点、推力油缸支座、配重支架处采用加强板加强，对应力较小的地方，如立板中间位置，开减重孔，起到在不影响性能的前提下，使转台轻量化。实践证明，此方法切实可行。

参考文献：

[1]高素荷.宝钢120t桥式起重机主梁有限元分析[J]. 起重运输机械，2005，（1）：8-11

[2]孟庆华，周晓军。QY50汽车起重机回转台失稳分析[J]. 汽车工程，2003，25（6）：645-648

[3]孙正兴：《汽车起重机转台结构有限元分析研究》，南京航空学院硕士论文，1992

[4]朱文学，郑慧强。大型港口起重机回转平台有限元分析[J]. 起重运输机械，1999，（5）：17-19

[5]MSC+PATRAN从入门到精通，北京出版社，2002