基于Pro/E有限元分析的起重机检修通道结构优化设计

盛珍贵 李伟 许铁巧 郑洪权

摘 要：轮式起重机作为工程机械的重要产品门类，因其整机结构系统复杂，作业环境恶劣，对检修保养的工况需求也频繁。因此维保人员的作业安全显得至关重要。基于安全和可检修性设计理念驱动下，对检修通道支架进行Pro/E三维建模，同时运用Pro/E Mechanica结构分析模块加载极限条件，进行应力静态分析和敏感度分析，针对性的进行结构改进，在提升强度的同时，降低支架的重量实现设计优化。

关键词：支架;有限元;优化

轮式起重机检修通道是保障检修人员安全承载部件，主要由支架和通道结构组成。支架作为承重的关键部件，一旦失效对维保人员的安全将带来风险。所以，检修通道支架的可靠性设计是轮式起重机维修通道设计的重要工作。对承载安全的精准的量化设计已成为行业所面对的重要课题，这就需要对有限元设计分析的仿真手段掌握和应用。

目前，行业应用的有限元仿真分析工具种类比较丰富，相比较而言，Pro/E软件中自带的Mechanica具有以下应用优势可以发挥：（1）实际应用周期短，可以提高应用效率，帮助研发快速进行强度校核;（2）分析精度可以得到保证;分析结果可行度比较高，对于趋势的研究采信度高，有利于做出定性结论的推断;（3）适应多工况计算的要求;（4）可以实现参数化，进行系列产品的分析。（5）简单容易上手，在工程技术人员中有比较广泛的应用基础。基于上述优势，本文采用Pro/E Mechanica作为工具，对轮式起重机检修通道支架结构设计应用研究。

Pro/MECHANICA的设计研究种类可以分为以下3种类型。即：

标准分析：最基本、最简单的设计研究类型，至少包含一个分析任务。在此种设计研究中，用户需要指定几何模型、划分有限元网格、定义材料、定义载荷和约束、定义分析类型和计算收敛方法、计算并显示结果。

灵敏度分析：可以根据不同的目标设计参数或者物性参数的改变计算出一些列的结果。除了进行标准分析的各种定义外，用户需要定义设计参数、指定参数的变化范围。用户可以用灵敏度分析来研究哪些设计参数对模型的应力或质量影响较大。

优化设计分析：在基本标准分析的基础上，用户指定研究目标、约束条件、设计参数，然后在参数的给定范围内求解出满足研究目标和约束条件的最佳方案。

因此，概括的说，Pro/MECHANICA Structure能够完成的任务可以分为两大类，即：

设计校核和模型优化，后者是Pro/MECHANICA区别与其他有限元软件最显著的特征。

1失效模式分析

通过对支架结构三维建模，并进行有限元分析，来总结可能存在的失效模式。

1.1网格划分

本文利用Pro/E软件构造检修通道支架结构三维实体模型，建模过程中要忽略支架上的一些安装辅助结构，同时，将安装孔、倒角等特征进行实体化处理，简化几何模型，避免网格划分出错，提高网格划分效率及计算效率。并通过Pro/E Mechanica自带的网格划分模块对支架进行网格划分。

1.2材料与属性

通常检修通道支架所用材料为Q235B，其屈服强度为235MPa，抗拉强度370 MPa，弹性模量E为210GPa，泊松比μ为0.3。通过软件中的“材料”进行定义，将上述数值输入对应文本框后，赋予所建的三维模型即可。

1.3载荷与约束条件

根据支架的实际使用工况，应用Pro/E Mechanica中“约束”命令对支架安装孔的6个自由度进行约束固定。并在支架上平面施加载荷，力的选择是标准规定“盖板、梯子等承载类的部件应满足2000N的力通过直径125mm的圆盘施加在承载面的上平面，无永久变形”。

1.4计算与分析结果

如图2所示，通过Pro/E Mechanica软件建立静态分析，计算出支架的应力云图，得出最大应力为800 MPa，远远大于材料的屈服极限值。由于Pro/E Mechanica网格划分相对粗糙，且未考虑焊缝，根据平时的对比分析经验，此处理方式分析结果偏大，此应力云图只能说明此处应力值相比其它处偏大，不代表其真实应力值。

通过3所示，通过Pro/E Mechanica软件建立全局敏感度分析，得到应力敏感变化曲线图，得出支架应力变化随弯板的竖截面变化而变化，可知，支架应力对支架竖截面尺寸敏感。

2.5分析结论

通过Pro/E Mechanica对支架进行受力分析得出的应力云图，不难得出结论：支架根部应力最高，且支架承受应力的水平与竖截面呈正相关。

2改进设计

考虑在降低材料重量的同时合理改变局部结构来降低应力，運用敏感度分析的结果，对支架的竖截面尺寸及局部结构进行优化，如下图所示，改进后的支架模型采用与改进前相同的网格划分模式，并施加相同的载荷，以便进行结果对比分析。通过云图可知支架根部的最大应力为80MPa，满足设计要求。

3结论

应用Pro/E Mechanica有限元分析在维修通道设计阶段进行设计优化，可有效提高了维保通道的可靠性，对设计效率提升、轻量化水平的贡献也显而易见。

（徐州重型机械有限公司，江苏 徐州  221004）