25 t 汽车起重机车架结构强度分析及优化

吕振伟1 杨鹏2

LV Zhen-wei et al

1.武汉理工大学 湖北武汉 430070

2.森源汽车股份有限公司 河南许昌 416500

1 前言

随着计算机的发展，有限元分析软件应用日益成熟，在方案结构设计优化过程中，有限元分析作为一种高效的虚拟验证手段，被广泛应用。但对于重型机械领域，如何应用有限元软件合理进行模型简化，模拟各零部件间的连接，仿真复杂吊重载荷存在一定难度[1]。本文以某型25 t起重机底架结构强度分析及优化为例，运用有限元分析手段，虚拟仿真复杂吊载工况载荷下底架的受力状态。

底架作为起重机底盘重要的关键部件，整体为焊接框架结构。底架一般分为底架前段、后段及前后固定支腿箱。起重机底架除了承载上装吊载和自重，还要作为底盘各系统连接的载体，实现车辆行驶功能，所以验证底架的刚度和强度尤为重要。

2 起重机底架有限元模型搭建

25 t汽车起重机底架整体为全焊接框架结构。整车吊重时底架通过底架后段4个支腿的垂直油缸支撑于地面，承载着起重机的自重与吊重。车头前方左右45°吊重，底架前段第五支腿伸出，分担载荷。

2.1 底架有限元模型

起重机底架结构比较复杂，需对模型进行合理简化[2-4]，简化过程如下：

a.底架去除对分析结果影响小的线束线夹支架、油管支架；

b.去除结构中孔径小于6 mm的装配、定位工艺孔；

c.底架拼焊钢板去除工艺坡口；

d.底架拼焊钢板抽中面后进行面网格划分；

e.焊接板搭建处采用面单元连接；

f.面单元和体单元间采用RBE2连接；

g.活动支腿支撑的油缸简化为一维刚性单元；

h.固定支腿与活动支腿搭接处设置接触；

i.驾驶室、发动机、前后悬架等关键件质量以质量点代替。

通过HyperMesh建立CAE模型如图1所示，划分网格数830 522个，节点数831 362个。

图1 25 t起重机底盘底架有限元模型

底架材料选用BS700与HG60，主要承力构件包括：底架主体侧立板、底板、上盖板等；固定支腿箱的中立板、侧立板、上盖板、底板等选用材料为BS700，其余隔板与加强板选用材料为HG60。两种材料的基本性质如表1所示。

表1 汽车起重机底架所选用材料力学性能汇总表

2.2 底架有限元分析加载及约束

底架所受上装自重及吊载质量简化为集中力及力矩，加载在回转中心上，通过RBE2传递到回转中心座圈36个螺栓安装点上。计算分析工况选取基本臂，工作幅度5.5 m，载荷考虑PM和PR型载荷[5]，由起重机使用等级和载荷状态确定机构工作使用等级为M8，载荷增大系数γm´为1.3，选取XY平面每间隔30°一个吊载工况，共12个吊载工况进行分析。考虑上装（主臂、主钩、加长臂、配重等）自重与起重机吊重，整车加载质量45 t，力矩1.51×109N mm。

约束活动支腿与地面接触点整车Z向平动自由度、绕X及Y向转动自由度。为了避免结构产生在整车XY平面滑动，选择左后或右后活动支腿接地点约束X、Y向平动自由度。在具体工况计算时，需考虑吊重过程中支腿可能翘起，试算后，输出整车Z向反力，若有支腿反力为负值，则说明此活动支腿已脱离地面，因此需解除其约束，重新计算。车头方向左右45°内吊重时，加入底架前段第五支腿约束，其余吊载工况不考虑第五支腿约束。

搭建完整的底架有限元分析模型[6-8]，如图2所示。

图2 25 t起重机底盘底架有限元分析模型

3 有限元分析结果

底架分析模型提交Optistruct求解器进行求解。全工况位移云图与应力云图如图3、4所示。底架整体应力水平较低，0°工况吊重底架位移最大，为30.5 mm。底架主体最大应力为1 579.5 MPa，出现在30°吊载工况，活动支腿与固定支腿搭接处，考虑此处为接触应力，有限元模型简化后，此处为T型交接尖角，应力集中，此处不做评价。为确保实际使用安全可靠，建议垫板材料升级为WELTEN950E（屈服强度≥900 MPa）。

正侧方吊载工况（270°）下，底架下槽板焊接工艺孔处应力水平较高，最大应力值为773.8 MPa，超过BS700材料许用应力426 MPa，分析此处在吊载重物，底架扭转导致焊接工艺孔出现应力集中情况，如图5所示。

针对底架下槽板焊接工艺孔处应力大问题，制定如下3种结构优化方案，如表2所示。

图3 全工况位移云图

图4 全工况应力云图

图5 270°工况底架下槽板处应力云图

表2 下槽板工艺孔结构调整方案

方案一模型如图6所示。

图6 底架下槽板加强结构

对提出结构优化方案进行对比分析，方案一优化结构分析后得到最大应力为739.3 MPa，应力云图如图7所

图7 方案一270°吊载工况下槽板处应力云图

方案二优化结构分析后得到最大应力为625.9 MPa，应力云图如图8所示。

图8 方案二270°吊载工况下槽板处应力云图

方案三优化结构分析后得到最大应力为383.9 MPa，应力云图如图9所示。

图9 方案三270°吊载工况下槽板处应力云图

由分析结果可知，方案一和方案二结果均不理想，方案三优化效果明显，优化后结构最大应力由773.8 MPa降低为383.9 MPa，低于BS700的许用应力426 MPa，底架下槽板优化后满足强度要求。因此建议底架下槽板处增加焊接封板，避免结构失效问题发生。

4 结语

通过运用有限元分析软件，建立了起重机底架强度分析有限元模型，计算了各吊载工况的应力分布，并对结构强度不足区域进行了结构优化，说明分析方法切实可行。通过对25 t起重机底架结构强度分析，得出较大应力部位出现在活动支腿与固定支腿搭接处，因接触应力及应力集中，此处建议垫板材料升级为WELTEN950E（屈服强度≥900 MPa）。底架后段下槽板底部焊接工艺孔处应力较大，通过增加封板可有效降低此处结构应力集中，对实车结构优化具有一定指导意义。