基于ANSYSWorkbench的简式汽车起重机优化设计

王佳怡， 廉哲满

（延边大学 机械工程学科，吉林 延吉133002）

1 引 言

汽车起重机就是将起重作业部分安装在通用或专用汽车底盘上的起重机，并具有载重汽车的行驶性能。汽车起重机由于具有动作灵活、集成化程度高、功率大、稳定性好、操作方便等优点，广泛受到各工程的青睐，在现代化生产过程中应用得越来越广。汽车起重机主要由起升、变幅、回转、起重臂和汽车底盘组成［1］。为保证安全，汽车起重机往往采用加大安全系数的方法，使吊臂粗大笨重。因此，减轻起重机自重，对提高整机经济技术指标有重要意义。本文将针对此问题进行具体分析，提出改进方案，并完成了优化设计。

2 建立汽车起重机的三维模型

2.1 总体方案的确定

小型汽车起重机底盘的选择是根据汽车起重机总重量约为120%到140%的起重量来选择，即将汽车满载后的总重量乘上0.70～0.83 得到的数值为改装后的起重机最大额定起重量［2］。支架选择为蛙式支腿。因为结构简单、液压缸数量少（一条腿一个液压缸）、且重量轻，较适用于小型起重机。汽车起重机整体重量约为700kg，其中心距离在3.1～3.5m 范围内变化。本汽车起重机的吊臂顶部配有装载箱，与其他汽车起重机的吊具装置（(吊钩、吊环等）有所不同。本汽车起重机结构简单，底座部分的起重操纵按钮装置，替代了以往的独立起重操纵室。

2.2 主要技术性能参数

汽车起重机的主要技术性能参数如表1 所示，是起重机工作性能指标，也是最终检验研究方案是否可行的主要参照依据，包括起重量、工作幅度、起重力矩、起升高度、工作速度、自重、通过性能等。

表1 技术性能参数

2.3 基于Pro/E 三维模型的建立

汽车起重机的总装图如图1所示，是由起重机支架、底座、起重机旋转支撑装置、起重机柱、起重机吊臂等组成。汽车起重机作业时，起重机支架用来将整个车体升起脱离地面，完全由支腿支承车身水平，以提高作业时的抗倾覆能力。起重机底座是汽车起重机的重要组成部分，起重机底座的结构强度将直接影响着整个起重机的平稳运行。起重机旋转支撑装置是将起重机的回转部分支撑在固定部分上，电动机经过减速器带动最后一级小齿轮与装在起重机固定部分上的大齿圈相啮合，以实现起重机的回转。起重机柱的下端与旋转支撑装置相连接，上端与起重机吊臂相连接且成一定角度，可通过调整其角度大小来实现吊臂的起升。起重机吊臂分为三节，它承受着起重机的各种外载荷，且耗钢量大，占总机重量的20%［3］。

图1 起重机总装图

3 汽车起重机有限元分析

3.1 三维模型的导入

建立准确、可靠的计算模型是应用有限元方法进行汽车起重机有限元分析的重要步骤之一。ANSYS Workbench的CAD/CAE 协同环境能直接读入各种CAD 软件的零件模型，并在其统一环境中实现任意模型的装配和CAE 分析，通过连接技术实现与CAD 软件之间的共享。其优点是任何CAD 和CAE 人员对设计的改变都立即反映到对方软件环境中，从而实现设计与仿真的同步协同。本研究采用目前专业的三维绘图软件Pro/E 建立汽车起重机模型，并且在Pro/E 中对汽车起重机进行了装配（如图1），并存储为.x_t 格式直接导入到ANSYS Workbench 中，提高了建模的效率，为有限元分析做准备。

3.2 有限元分析

（1）定义汽车起重机各个部分的材料属性。起重机的吊臂采用高强度结构钢Q690D 制造，密度为7.58g/mm3，弹性模量（杨氏模量）为200GPa，泊松比为0.29，屈服强度为700MPa；起重机柱及底座材料为Q345B 制造，屈服强度为440MPa。

（2）对汽车起重机的整体进行网格划分。ANSYS Workbench 可以对网格进行自动划分，但是为了取得较好的结果，需要对部分网格手动修改。将汽车起重机分为307，027 个单元和762，002 个节点。

（3）施加约束条件。将支架与汽车起重机底座设为固定约束，在起重机装载箱的上部给予垂直向下的压力3.5kN，并对起重机的总体及局部的应力和应变进行分析计算。

（4）得到分析结果。汽车起重机柱部分承受的最大应力约为284MPa，底座部分承受最大应力约为169MPa，如图2、3 所示。

图2 起重机柱应力分布情况

图3 起重机底座应力分布情况

4 主要部件结构改进

本文通过ANSYS Workbench 中Shape Finder 模块对研究对象的形状进行优化分析。在Shape Finder 模块中，为保证所研究对象的总体结构不变，使体积最小化，尽可能地寻找对整体结构强度不产生负面影响的可去除面积［4］。本文拟定缩减的目标为原重量的40%。

根据分析得到的数据，对汽车起重机柱和底座提出了如下改进方案：（1）对起重机柱和起重机底座局部进行去除部分材料的特殊加工。（2）改变起重机柱竖直的两块钢板厚度，由原来的6mm 缩减至4.5mm。

图4、5 所示为优化设计后的应力分布情况。起重机柱由原来所承受的最大应力284MPa 变为280MPa，基本没有发生变化，虽然底座由原来的169MPa 增长至207MPa，但远远小于Q345B 结构钢的最大屈服强度440MPa，完全符合设计要求。

图4 起重机柱优化设计后应力分布情况

图5 起重机底座优化设计后应力分布情况

5 结 语

本文根据简式起重机的参数，利用Pro/E 软件建立了汽车起重机的三维模型，并成功地导入到ANSYS Workbench 软件中进行了有限元分析。利用Shape Finder模块确立了改进方案，使汽车起重机轻量化，达到了预期成果。

通过对汽车起重机柱的优化设计，在同等载荷作用下所承受的应力未发生改变，且起重机柱重量由原来的85.58kg 减轻了28.96kg（约33.8%）。通过对汽车起重机底座的优化设计，在同等载荷作用下，起重机底座由60.03kg 减轻了34.31kg（约57.1%），虽然所受应力有些增加但完全符合设计要求。

［1］ 杨晶，李卫民，刘玉浩.汽车起重机吊臂的有限元分析［J］.辽宁工学院学报，2007，27（3）：195-197.

［2］ 徐斌.QY25 型汽车起重机设计［D］.大连：大连理工大学，2003.

［3］ 郭克希，李国志.汽车起重机吊臂参数化设计系统研发［J］.工程图学学报，2010（6）：80-84.

［4］ 张功学，田杨.基于ANSYS Workbench 的变速自行车车架的有限元分析［J］.微型机与应用，2009，28（6）：63-65.