基于ANSYS的车载移动式拉臂钩模态分析

摘要：为分析车载移动式拉臂钩在使用过程中的受力情况，提出基于ANSYS的车载移动式拉臂钩模态分析方法。该方法以拉臂式压缩垃圾车的实际结构和参数为例，采用UG软件构建移动式拉臂钩3D模型，将该模型导入ANSYS软件中，并利用该软件分析车载移动式拉臂钩在装箱过程中的受力情况；对移动式拉臂钩在使用过程中产生的固有振动特性，如振型、固有频率以及阻尼比等振动特性参数以及受力进行分析；进一步优化移动式拉臂钩结构，降低移动式拉臂钩的集中应力，提升其使用寿命。

关键词：ANSYS；车载移动式；拉臂钩；模态分析；应力分布；结构优化

中图分类号：TP391 收稿日期：2023-06-13

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.018

1 前言

拉臂式压缩垃圾车由于具有容量大、密封性较好且自动化能力高等特点，成为垃圾收集和运输的主要工具。它主要由汽车底盘、车箱以及拉臂等部分组成，其中移动式拉臂是垃圾车上的重要部分[1]，其主要作用是支撑车箱的升降，完成车箱内垃圾的装卸工作。因此，垃圾在装卸过程中，拉臂则需承载车箱的作用力[2]，包含垃圾重力、惯性力、压缩力、摩擦力等，拉臂在不同的作用力下，会导致其在不同位置发生不同的受力变化，从而对拉臂的结构造成不同程度的影响[3]，并且形成不同模态，对于拉臂的整体应用性能和使用寿命均存在一定影响[4]。

ANSYS属于一种大型通用、多用途的有限元分析软件，它具有较好的应用效果，能够和计算机软件接口连接，实现数据的共享和交互，能够完成结构计算、流体分析等[5]。该软件主要包含三个部分，即前处理模块、分析计算模块、后处理模块，通过三个模块的结合，完成结构的静力分析、动力学分析、非线性分析等[6]。本文为掌握拉臂钩的使用情况，分析车载移动式拉臂钩结构在不同作用力下的受力情况以及模态变化，以确保拉臂钩的使用效果，并提出基于ANSYS的车载移动式拉臂钩模态分析方法。

2 车载移动式拉臂钩模态分析

2.1 车载移动式拉臂钩3D模型构建

2.1.1 车载移动式拉臂钩结构性能参数

为分析车载移动式拉臂钩模态情况，本文选择城市生活垃圾收集和运输普遍使用的拉臂式压缩垃圾车为例，其外观结构如图1所示。该垃圾车的相关性能参数如表1所示。

2.1.2 基于UG的车载移动式拉臂钩3D模型构建

确定研究对象后，为精准完成其模态分析，本文采用UG软件构建拉臂钩3D模型[7]。UG软件集设计和加工为一体，能够实现结构数据的无缝集成。因此采用该软件进行移动式拉臂钩3D建模，能够直观、精准描述该结构的零件的形状以及装配关系[8]。

采用UG软件对移动式拉臂钩3D模型进行构建，主要包含成形特征、特征操作、特征编辑等工作，以车载移动式拉臂钩的性能参数为基础，通过拉伸、回转等工具以及参数化设计等，精准完成拉臂钩结构形状的创建。在创建过程中，可结合设计需求，进行结构参数增加、删除、恢复以及修改等，以此能够保证模型的构建效果，并且该软件的参数化处理功能能够更加高效地完成移动式拉臂钩参数的处理[9]。除此之外，该软件具有强大的实体造型、虚拟装配等功能，在模型构建过程中，该软件可进行结构的动力学分析以及仿真模拟。

车载移动式拉臂钩属于一种结构复杂的机械设备，在建模过程中，UG软件将其划分成数个部分完成，以此降低模型的构建难度、提升模型的构建精度；同时可保证构建模型的各个部分、相对位置、装配情况等均和实际物体吻合；在此基础上，利用布尔运算完成复杂结构的3D实体构建[10]。本文采用UG软件构建的拉臂钩3D模型，如图2所示。

该模型在构建过程中，结构复杂程度较高的部分则可采用综合处理方式完成，例如曲面造型和扫掠等，通过曲面造型功能能够完成各个曲面缝合形成实体；在此基础上，将其和其他部分进行布尔和运算。在构建过程中，支座类部件基体的构建采用拉伸特征完成，筒体类零件基体则采用旋转和拉伸特征进行构建。

完成车载移动式拉臂钩3D模型构建后，为保证模型的精准性，本文对构建的3D模型进行干涉检查，依据该检查分析各个结构之间的接触干涉情况。同时对模型的尺寸进行一定范围内的调整，保证所构建的模型满足相关标准。

2.2 基于有限元的车载移动式拉臂钩受力分析

2.2.1 3D模型导入

通过上文完成车载移动式拉臂钩3D模型构建后，进行其受力分析，由于车载移动式拉臂钩结构复杂，导致其受力情况复杂，不同结构在力的作用下，会发生差异性的应力情况。因此本文为保证移动式拉臂钩受力情况的分析效果，将构建的移动式拉臂钩3D模型导入ANSYS软件中，利用该软件进行车载移动式拉臂钩受力分析。

ANSYS软件在进行移动式拉臂钩受力分析时，针对不同结构选择特性不同的单元，文中结合移动式拉臂钩受力特点，选择体单元进行模型的网格划分。除此之外，在进行受力分析前，需定义移动式拉臂钩材料属性，主要包含材料密度、泊松比、杨氏模量等。由于移动式拉臂钩由槽钢和钢板组成，固定支座、伸缩套等部分由方形管组成，并且各个组成部分的材料属性几乎一致，因此本文在进行受力分析时，设定的材料密度为7 846.9 kg/m3、泊松比为0.3，杨氏模量为198 GPa。

确定材料属性后，对移动式拉臂钩3D模型网格划分时采用Generate Mesh完成，划分后的模型中共包含178 665个节点、116 650个单元，其中接触单元、弹性单元以及实体单元的数量分别为42 997个、1 336个和72 050个。网格划分后的臂钩3D模型如图3所示。

完成网格划分后，为保证模型的分析精度，需设定约束条件，以此保证模型分析过程中，移动式拉臂钩能够按照设计要求进行运行。文中主要设定该模型的边界约束，即拉臂各个刚体之间均设定转动副。

完成约束条件的设定后，在固定座和伸缩套筒之间设置滑动摩擦力，两者之间的约束会自动生成默认连接约束，并且结构之间的摩擦因数设为0.45。

2.2.2 有限元分析公式

通过上述模型，进行移动式拉臂钩的受力分析，文中主要针对整体受力情况、钩臂受力情况、抓钩受力情况以及支座受力情况进行分析。

如果移动式拉臂钩模型在空间内的任意一点位移均可投影至x、y、z三个方向，此时应力和体力分量之间的平衡方程为：

2.3 移动式拉臂钩受力分析

通过上文完成移动式拉臂钩网格划分后，结合实际工程使用中的特性对移动式拉臂钩的支座、拉臂、拉臂钩以及整体结构在装箱过程中的受力情况进行分析。该工况在测试时，在拉臂钩手处施加拉力，在固定支座和副车连接的主旋转轴、液压缸以及固定支座连接处外侧施加约束。

2.3.1 固定支座受力分析

点击ANSYS软件中三维Slolve操作，对划分完成的网格载荷和约束，分析模型的应力应变情况。获取固定支座在装箱过程中的受力分析，受力结果如图4所示。

依据图4所示的试验结果可知：在装箱过程中，固定支座应力主要集中在固定支座和举升液压缸连接的套管处，表示在装箱过程中，该位置的受力最大。

2.3.2 拉臂受力分析

在装箱过程中，拉臂的受力情况如图5所示。

依据图5所示的试验结果可知：在装箱过程中，拉臂的应力主要集中在钩手位置上，应力分布情况不均匀，存在明显的集中情况，该情况是由于垃圾箱重力对拉臂形成的作用力导致的。

2.3.3 拉臂钩受力情况分析

拉臂钩在受力情况下的应力情况如图6所示。

依据图6所示的试验结果可知：在装箱过程中，拉臂钩受力后，应力主要集中在拉臂钩底部和拉臂上部分的固定连接处；但是拉臂钩的底部位置的应力分布情况相对较为均匀，没有发生显著的过应力以及应力集中明显区域。

2.3.4 移动式拉臂钩整体受力分析

移动式拉臂钩在受力情况下，其整体的应力情况如图7和表2所示。

依据图7和表2所示的试验结果可知：在装箱过程中，移动式拉臂钩整体的应力分布在拉钩和拉臂上，其中最大应力值位于结构的固定销轴的切口边缘处，此处的应力最大值达到558.9 MPa，固定座的应力最小，为119.7 MPa。

2.4 车载移动式拉臂钩优化方案

结合上文的受力分析结果可知：移动式拉臂钩在使用过程中，拉钩和固定拉臂的销轴位置发生较为明显应力集中现象，该情况会导致该位置在循环运行过程中发生不均衡的受力，从而导致其发生超过允许的磨损，影响车载移动式拉臂钩的整体使用寿命。本文针对该情况，对车载移动式拉臂钩结构进行局部优化。在优化过程中，为保证优化效果，结合模态分析结果完成。以模态分析获取的车载移动式拉臂钩模态参数为依据，为其整体结构的振动特性、结构动力特性的优化提供参考，同时优化有限元分析模型，以此保证车载移动式拉臂钩的使用情况满足行业使用标准。

2.4.1 模态分析原理

车载移动式拉臂钩属于一种机械结构，该类结构在使用过程中，会产生固有的振动特性，例如振型、固有频率以及阻尼比，模态分析指的是通过试验或者计算等获取上述振动特性参数。

车载移动式拉臂钩结构在设计时，对其进行模态分析能够掌握结构在不同动载作用下的响应情况，同时可为移动式拉臂钩在动力中的状态分析提供依据。

模态分析的有限元方程表达式为：

[F（t）=Mu+Cu+][K][u] （4）

式中，[F（t）]表示作用力向量；[M]表示质量矩阵；[u]和[t]分别表示位移向量和时间；[M]和[K]均表示矩阵，前者对应阻尼，后者对应刚度。

如果移动式拉臂钩结构处于自动振动状态下，则式（1）的结果等于0，此时不考虑阻尼的影响，则式（1）可简化为：

[Mu+Ku=0] （5）

如果移动式拉臂钩结构处于自动振动状态下，结构中各个点作简谐振动，则公式（1）可转换成：

[（K-ω2）u=0] （6）

式中，[ω]表示特征向量[u]的特征值，依据该公式即可获取车载移动式拉臂钩在各阶下的固有频率和振型。

2.4.2 优化方案

详细优化方案如下所述：

优化1：优化固定销轴的结构，将销轴中间位置的切槽取消，使其形成不存在切槽的圆柱体，并且利用小过盈完成拉臂上部分和钩手之间的连接。

优化2：在零件轻量化设计的需求下，降低移动式拉臂钩整体质量，以此降低其在使用过程中的构件之间的集中应力，设定保证移动式拉臂钩变形量最小作为整体结构的优化目标，即移动式拉臂钩刚度最大化，同时设定移动式拉臂钩体积为约束条件，设计变量即为移动式拉臂钩结构的各个小单元密度。

通过上述的优化1的方案优化后，获取装箱过程中优化后固定销轴的应力分布结果，如图8所示。

依据图8的试验结果可知：按照优化1的方案优化后，固定销轴的应力集中情况显著降低，应力最大值为496.7 MPa，明显低于结构优化前固定销轴的应力结果。

采用优化2的方案进行优化后，获取装箱过程中，移动式拉臂钩的整体应力分布情况，其结果如图9和表3所示。

依据图9和表3的试验结果可知：对移动式拉臂钩整体质量进行轻量化设计后，其最大应力为拉臂下端位置，但是分布相对较为均匀；并且移动式拉臂钩各个部分的应力分布情况明显降低，应力结果明显低于表2中优化前的应力结果。

3 结语

为分析车载移动式拉臂钩的受力情况，掌握其在使用过程中的使用磨损情况，本文提出基于ANSYS的车载移动式拉臂钩模态分析方法。该方法通过构建车载移动式拉臂钩模型以及网格化处理后，分析车载移动式拉臂钩在装箱过程中的受力情况，并对该情况进行结构优化，以此提升车载移动式拉臂钩的使用情况，降低集中应力。

参考文献：

[1]程磊，朱真才，沈刚，等.自装卸式移动垃圾车拉臂装置动态特性研究[J].机械设计与制造，2021（6）：85-89+94.

[2]陈诗超，张朝.基于轻高机车载平台的升降杆及其安装结构设计与分析[J].新型工业化，2021，11（2）：254-257.

[3]罗松，张军雷，朱世峰，等.基于汽车吊和车载移动支撑的吊杆拱桥快速移运拆除[J].科学技术与工程，2022，22（35）：15749-15755.

[4]李晓婧，赵冬远，张卫国.拉臂机构力学特性分析及结构优化[J].起重运输机械，2021，574（2）：42-46.

[5]张理想，黄胤真，区思榜.基于ANSYS的作业装置回转机构的受力分析与设计[J].装备制造技术，2021（9）：77-79.

[6]何朋勃，钟海全，冀靖宇.基于ANSYS的吊钩有限元分析及优化[J].石油工程建设，2016，42（6）：16-18.

[7]范东明.拉臂钩仿真分析与优化设计[J].机电产品开发与创新， 2016（3）：80-83.

[8]何朋勃.钟海全.冀靖宇.基于ANSYS的吊钩有限元分析及优化[J].石油工程建设，2016，42（6）：16-18.

[9]锅彦娣，李振纲.基于ANSYS的起重吊钩强度分析[J].煤矿机械， 2016（12）：45-46.

[10]杨泽，李洪洲，李建永.基于ANSYS软件的悬臂梁可靠性仿真分析[J].吉林化工学院学报，2017，34（5）：34-37.

作者简介：

詹晓华，男，1982年生，副教授，研究方向为智能制造、特种专用设备制造及特种车辆技术。