32T随车起重机吊臂有限元分析及优化*

2014-03-27曹文钢

机械研究与应用 2014年3期

关键词：吊臂起重机有限元

曹文钢，黄飞，展亮

(合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009)

0 引言

随着工业的飞速发展，起重机已经慢慢替代人工起重，人们对起重机的依赖成度也越来越高。吊臂是起重机的主要结构，是外载荷承担者，因此吊臂的结构必须经过反反复复的设计以趋于合理［1］。

随着汽车起重机的不断发展，汽车起重机吊臂的截面也在不断的变化，从箱形截面到六边形、椭圆形截面，而椭圆形截面由于生产技术过于困难，没有得到广泛的应用。笔者以32T随车起重机研究对象，其吊臂为六边形截面。

早期汽车起重机吊臂的设计只局限于人工计算，按照经验公式进行分析，尤其对吊臂的应变分析，计算难度大且精度较低。有限元软件的出现，给吊臂的结构设计带来了巨大的便利，提高了设计水平、效率和精度，降低了设计难度［2］。

1 有限元分析

1.1 分析前处理

笔者以吊臂整体进行分析，吊臂的整体零件多达300个，必须将与计算无关或关系微小的液压部分及其他部分删除，将原有的例角、圆角还原，以简便计算。简化后的模型仍有200个零件，在考虑到约束方面，Workbench对于接触连接默认为刚性连接，即无须对每个零件之间添加约束的优势情况下，使用Workbench分析平台进行计算。且Workbench含有建模的功能，还提供了很多自动化模块和较强的适用能力，一些新增工具可以自动检测并处理常见问题，如小边、碎面、孔洞、裂痕以及尖角面等［5］，特别是模型参数化让吊臂的优化的方法和过程变的简单、易理解，操作过程更为简明。

由于整个吊臂零件多达200个，应用一般网格方式得到的节点单元较多，计算量过大，且吊臂结构多以板为主，可以用中面抽取结合自动网格划分方式，得到83394个节点，61835个单元。

随车起重机只有最危险工况满足要求才能保证所有工况达到要求，其最危险工况是吊臂处于水平且伸长到最端位置，故选择该工况进行有限元分析。起重机起升额定载荷Q=30 380 kg，按经验公式将吊臂自重1/3折算到吊臂端部，得出总载荷Q'=38 921 N，添加在最前端。

1.2 强度分析

吊臂有限元应力分布见图1，其最大值为281.6 MPa，整体应力处为40 MPa，基本臂重叠处为160 MPa左右，都满足要求，只有部分单点引起了应力集中，出现极大应力值［3］，且最大应力小于许用应力324.0 MPa，所以整个吊臂的强度满足要求。

图1 吊臂有限元应力分布图

1.3 刚度分析

吊臂有限元位移分布见图2，各个截面位移最大为16.87 mm，实际位移不可避免，且比计算值大一些，因为在该计算模型里，吊臂与回转台是直接相连的，回转台受力要产生形变，支承装置本身也会发生形变，此结果是吊臂本身受外力产生的位移，而此位移小于吊臂许用位移量，固具有足够的刚度。

图2 吊臂有限元位移分布图

2 吊臂的优化

优化设计是Workbench基本功能之一，其算法及操作方式简单、优化效率高、自动化功能齐全等特点。其过程依次为:参数化建模，首次静力分析，导入设计变量再分析，根据分析结果进行强度、刚度校核，得出最终结果。优化包含设计变量、约束条件和目标函数三种参数。

2.1 设计变量

设计变量有一定的范围，优化就是分析范围内的各个参数排列组合得到的结果。笔者选取一节简化吊臂结构作为研究对象，且将腹板与加强板合成一板，腹板与加强板合成后重新定义为上下壁，以吊起物体时为上下。原始尺寸为:下臂P3=16 mm，上臂P4=11 mm其形状如图3所示。

2.2 约束条件和目标函数

截面尺寸改变影响着截面积，从而整个臂的质量也是变化的，选取质量为目标函数P5，且此函数最为重要;同时臂架受载荷的情况下会产生应力，结构没有应力集中情况，其最大应力具有参考意义，可以用来评估臂架整体应力情况，随着截面尺寸的变化，得到的Equivalent Stress Maximum的值也会发生变化，笔者选取这个值为约束条件P7;另外优化对整个位移的变化也有很大影响，选取Total Deformation Maximum为约束条件P6。