基于Cero和Workbench汽车起重机副臂仿真分析

2022-07-11崔相德

中国设备工程 2022年13期

崔相德

（安徽柳工起重机有限公司，安徽蚌埠 233000）

副起重臂以下简称副臂，是汽车起重机的重要工作部件，一般应用在全伸臂或其他长臂长工况，用以弥补主起重臂长度不足，有效增加吊装高度。副臂的主体结构主要由连接架、一级副臂、二级副臂、变角度支座和销轴、滑轮等组成，通常80t以上机型的副臂可以选装桁架式加长节，用来增加副臂长度。为了减轻重量，副臂的主体结构一般为桁架结构，局部用板来加强，有些机型的二级副臂为提升工艺性，也会采用箱体结构。随着汽车起重机市场竞争的加剧，产品迭代的速度在不断加快，为响应这种需求，同时为保证设计质量，减少设计变更，在设计阶段，首先，用三维设计软件建立数字样机，进行工艺性检查、排干涉；然后，使用有限元软件对副臂的强度和刚度进行分析校核。

1 用Cero完成副臂三维实体建模

Creo软件是一款强大的三维设计仿真软件，广泛应用于工程机械、航空航天和汽车等产品设计。本文以25t汽车起重机的副臂为例，使用Creo软件进行副臂三维设计。在建模前，作者首先根据结构和功能对副臂BOM进行规划，将副臂分为六大模块——连接架模块、一级副臂总成模块、变角度拉板模块、导向总成模块、支承支架模块和旋转支承支架模块；然后，分别利用Creo的自上而下和自下而上建模方法，完成各模块的三维设计；最后通过Creo的装配功能，将各个模块装配在一起，通过Creo自带的干涉检查功能，检查各部件是否有异常。建好的副臂模型如下图1所示。副臂的连接架和一级副臂结构件在建模时，要注意骨架的使用，尽量不要参考创建零件上的点、线、面，单独创建必要的点、线、面，使模型具有较好的驱动性。这样的话，将来产品升级，可以通过骨架的调整快速改变连接架和一级副臂的接口尺寸以及其他关键尺寸，提升效率，节省产品开发时间。

图1 副臂总成三维模型

2 使用Workbench完成副臂的有限元分析

副臂在使用过程中常见的故障模式有强度不足、稳定性差和焊缝疲劳开裂等问题。Workbench软件具有强大几何处理和有限元分析功能，可以完成几何模型的创建、编辑，完成线性和非线性的结构静力学、动力学、模态分析和屈曲分析等。本文使用Workbench中的静力学分析模块，对副臂的强度和刚度进行了分析。

2.1 几何模型处理

首先，将Creo创建的副臂模型以STP格式导出，然后使用Workbench的模型导入功能，将副臂三维导入Workbench的静力学处理模块；最后，对模型进行几何处理，把副臂三维模型上的不起主要支承作用的零件删除，并删除对副臂强度应力分析影响较小的几何特征——倒角、圆角、小孔、坡口等。这里需要注意的是副臂一般安装在主起重臂的顶节臂头部使用，为了保证准确性，使仿真更接近真实情况，本文创建了部分主起重臂的三维。处理后的副臂几何模型如图2所示。

图2 几何处理后的副臂模型

2.2 划分网格和定义材料属性

Workbench具有强大的划分网格的能力，划分网格时需注意网格大小合适，如果网格划分太稀疏，则会影响计算的精度；如果网格划分太小太密，则会增加计算量，造成计算资源和时间的浪费，甚至超出计算机计算能力，不能计算。一般起重机大型结构件的网格尺寸为10～30mm，网格总节点数量不超过60万。单元尺寸也需要注意过渡平滑，粗细网格之间应有足够的单元进行过渡，避免相邻单元的质量和刚度差别较大。本文采用四面体网格对副臂几何模型进行网格划分，网格大小设置为10mm，四面体具有快速、可自动生成，适用于复杂几何，并且关键区域容易使用曲度和近似尺寸功能自动细化网格的特性。划好网格的副臂模型如图3所示。

图3 划好有限元网格的副臂模型

副臂主弦杆、腹杆和加强板等结构件均为金属材质，一般情况下不需要进行材料的重新设置，选择STELL，采用默认的即可。弹性模量E=213Gpa，泊松比μ=0.28，密度ρ=7800kg/m3。

2.3 定义接触关系、约束和载荷

（1）定义接触关系和约束。副臂总成由连接架、一级副臂总成、变角度拉板和销轴等组成，不同零部件间需采用有限元绑定接触来实现力、力矩的传导。主臂自身约束3个方向平移自由度（UX，UY和UZ）和3个方向的旋转自由度(ROTX,ROTY,ROYZ)；副臂连接架和主臂的顶节臂之间的4个铰点用直接绑定接触，限制其3个平移自由度UX，UY和UZ）和3个方向的旋转自由度(ROTX,ROTY,ROYZ)；连接架和一级副臂的下两个铰点以及变角度拉板与连接架和一级副臂之间的铰点采用摩擦接触，限制其3个平移自由度UX，UY和UZ）和2个方向的旋转自由度(ROTX,ROTY)，释放一个旋转自由度。这里需要注意的是一般可以根据模型处理情况设定接触面的距离，但是距离过大会影响分析结果精度，一般接触面的距离控制在0.2mm以内。

（2）定义载荷。对副臂进行受力分析，可知在副臂作业时，副臂除受自身重力G，起升载荷Q外，还需考虑回转瞬间产生的水平侧载T。本文共分析3个副臂的极限工况，分别是主臂最大仰角时，副臂角度为0°、15°和30°时的作业工况，此时副臂的起重量和起重力矩均最大，且最易发生失稳，详细如表1所示。在Workbench中载荷定义的截图如图4所示。

图4 副臂加载约束和载荷的图

表1 副臂计算工况

2.4 求解和后处理

（1）强度评价。副臂结构的主弦杆材料为20Mn2，其余结构件的材料均为Q355C，许用应力计算如公式（1）、（2）所示，其中安全系数n取1.34。

否则

则20Mn2材料许用应力[σ1]为425MPa，Q355C许用应力[σ2]为251MPa。依据第四强度理论验证材料的强度，等效应力（Von Mises应力）对应材料力学的第四强度理论如公式（3）所示：

整体变形公式如公式（4）所示：

在工况2下，连接架和一级副臂的主弦杆的应力云图如图5所示，其最大应力发生在下侧主弦杆与下侧安装支座之间的位置，该处受压且应力集中，忽略不计外，其他应力均小的应力均小于其许用应力[σ1]；连接架上腹杆的应力云图图6所示，一级副臂的腹杆应力云图如图7所示，一级副臂臂头的应力云图如图8所示，它们的应力均小于其许用应力[σ2]，综上所述，强度满足工况使用要求。

图6 连接架腹杆应力云图

图7 一级副臂腹杆应力云图

图8 一级副臂头应力云图

（2）刚度评价。在工况2下，副臂的在变幅平面的位移Ux=1546.4mm，在回转平面的位移Uy=423.6mm，其位移云图如图9和图10所示。按照GB/T3811-2008《起重机设计规范》的规定。

图9 副臂在X方向位移

图10 副臂在Y方向位移

其中，Lb表示主起重臂和副臂总长为49m，故副臂的刚度满足国标规定的要求。

工况1和工况3的强度和刚度结论与工况2的基本相同，本文不做阐述。

3 试验验证结果对比

策划副臂应力试验，由于连接架的根部和一级副臂的根部分别是其受力矩最大的位置，且副臂上侧主弦杆受拉，下侧主弦杆受压，因此分别在连接架和一级副臂根部上侧主弦杆的正上表面；下侧主弦杆的正下表面贴应变片，测量3种工况下副臂主弦杆的应力。应力试验结果与Workbench的仿真结果对比分析，如表2所示。试验获得副臂在回转平面和变幅平面的位移如表3所示。从实验数据可以看出仿真结果较保守，但总体误差在可接受范围内，仿真结果可信。