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下載手機(jī)APP 汽車起重機(jī)是一種應(yīng)用廣泛的運輸工程機(jī)械。盡管中國工程機(jī)械行業(yè)起步較晚，但發(fā)展速度很快，目前已形成了獨立的制造體系。但許多企業(yè)偏重于生產(chǎn)，對其設(shè)計技術(shù)的研究較少，因此，缺乏建立在科學(xué)分析基礎(chǔ)上的設(shè)計方法。某公司本著引進(jìn)、消化、吸收和創(chuàng)新的原則，結(jié)合我國的國情和實際的工作需要，對其引進(jìn)的汽車起重機(jī)進(jìn)行了改裝，起吊裝置由以前位于車頭后部改為放置在牽引車尾部附加的尾架上.但在試用階段發(fā)現(xiàn)，改裝后尾架結(jié)構(gòu)在達(dá)到起重機(jī)額定起吊重量的印%時，出現(xiàn)尾架和液壓支腿嚴(yán)重變形，整車側(cè)傾較大現(xiàn)象。針對這一問題，本文利用有限元分析軟件MSC/patran和MSC/nastran對其進(jìn)行分析計算，并提出改進(jìn)措施，基于起重機(jī)的實際工況較多，限于篇幅，本文僅以臂長L=8m，吊重G=6t，角度θ=180°(起重機(jī)吊臂在車身正上方)工況，介紹該汽車起重機(jī)尾架結(jié)構(gòu)的有限元分析過程。其尾架結(jié)構(gòu)如圖1。
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1有限元基本理論
有限元法是一種離散化的數(shù)值方法。它考慮預(yù)測結(jié)構(gòu)的偏移與應(yīng)力的影響，將結(jié)構(gòu)分割成單元網(wǎng)格，使離散后的網(wǎng)格單元之間只通過節(jié)點相聯(lián)系，每個單元均具有簡單形態(tài)(如正方形或三角形)，單元上的未知量即是節(jié)點的位移。其實現(xiàn)過程是將單個單元的剛度矩陣組合起來以形成總體的剛度矩陣，在給予己知力和邊界條件下，求解總體剛度矩陣，得出節(jié)點位移，從而計算出每個單元的應(yīng)力.
有限元分析可使有限元計算模型在離散化后歸結(jié)為一個線性方程組求解，其線性代數(shù)方程組如下：
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2尾架有限元模型建立
2.1實體建模和有限元網(wǎng)格劃分
起重機(jī)工作時，整個結(jié)構(gòu)重量靠4個液壓支腿支撐。為保證有限元分析計算結(jié)果的可靠性和精度，建立了包括汽車底盤(含輔梁)、前后支腿、尾架改裝結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)臺在內(nèi)的整車有限元模型，起重機(jī)的尾架部分采用16Mn鋼焊接而成。在建立車架的有限元模型時，材料性質(zhì)全部使用16Mn鋼的性能指標(biāo)。
劃分網(wǎng)格時，由于整車結(jié)構(gòu)復(fù)雜且大量采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，考慮到各板厚度均勻，與板長和寬相比較小得多，根據(jù)經(jīng)典薄殼理論假設(shè)，厚度小于中面輪廓尺寸1/5的為薄板，因此，這里采用空間板殼元單元進(jìn)行分析。主要部件使用收斂性質(zhì)較好、計算精度較高的四節(jié)點四邊形空間板殼元，而曲線邊界、拐角和焊縫等形狀不規(guī)則部分則使用適用性較好的三節(jié)點空間板殼元進(jìn)行擬合過渡。整個有限元模型共劃分約16700個空間板殼單元。有限元網(wǎng)格模型如圖2。
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2.2載荷處理
起重機(jī)車架在實際工作中，承受載荷比較復(fù)雜。模型中起重機(jī)自重和吊重簡化成通過回轉(zhuǎn)中心的一個垂直向下的集中載荷G以及吊重平面內(nèi)的力矩M。按靜力等效原則，將這兩種載荷分解到尾架上與起重機(jī)座圈聯(lián)接的40個螺栓點上，其中G為均勻分布，而M作用到螺栓點上力的大小，視其點到回轉(zhuǎn)軸距離成正比，為線性分布。每個加載點的合力大小是將這兩種力進(jìn)行迭加。
2.3約束處理
如圖3，約束4個支腿端部接觸面的Y方向移動、繞x及z軸轉(zhuǎn)動自由度。為消除結(jié)構(gòu)剛體位移，選擇支腿底面，通過建立固定的多點約束，約束x,z方向的移動自由度，具體計算時，先按4個支腿全部工作時考慮，即對4個支腿全部加約束，倘若出現(xiàn)某一個支腿反力方向垂直向下(即Y沿軸的負(fù)方向)，則表明此支腿在實際工作時已離開地面，故必須解除其約束，重新計算，模型加載及約束情況如圖3。
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3計算結(jié)果與分析
通過對上述有限元模型進(jìn)行計算，該工況尾架上應(yīng)力值較大的區(qū)域主要集中在尾架結(jié)構(gòu)左側(cè)下角板拐角過渡處，這與起重機(jī)的重心偏向尾架左側(cè)有關(guān)，其值為531MPa。尾架左側(cè)結(jié)構(gòu)上應(yīng)力分布情況如圖4。
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現(xiàn)場進(jìn)行實際測試時，采用電阻應(yīng)變片來進(jìn)行應(yīng)變及應(yīng)力的測量，應(yīng)變片的布置是根據(jù)該尾架在試用過中裂紋實際發(fā)生的部位及有限元初步分析結(jié)果確定的。各測點主要分布在尾架左右兩側(cè)的角板、側(cè)板、上蓋板和下蓋板上，現(xiàn)將實測結(jié)果和有限.
從表1可以看出，最大誤差不超過15%，有限元計算值和實際測試值相當(dāng)吻合。這說明所建立的有限元模型能夠正確反映該起重機(jī)的實際力學(xué)特性，計算結(jié)果可靠，可用來評價該起重機(jī)的力學(xué)性能。在3,4,7,8,14等測點，有限元計算值和實測值都大致相同，它們均不同程度地超過材料的許用應(yīng)力。特別在應(yīng)力較大的3,7,8號測點處，計算值和實測值甚至遠(yuǎn)大于材料的屈服極限。因此，原結(jié)構(gòu)的這些區(qū)域不能滿足強度要求，需對其作進(jìn)一步改進(jìn)。
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4結(jié)構(gòu)改進(jìn)
為了減小大應(yīng)力區(qū)的超應(yīng)力狀況，將汽車底盤主梁槽鋼結(jié)構(gòu)尾端的下翼削去500mm、內(nèi)側(cè)板向前延伸670mm(水平長度)、兩側(cè)下角板均向前延伸85mm、厚度由10mm增加到12mm，同時在兩腹板各對稱部位增加一尺寸相同的外側(cè)板，這里給出改進(jìn)前后的部分結(jié)構(gòu)對比示意圖5。
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改進(jìn)后結(jié)構(gòu)有限元計算結(jié)果如圖6。
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對比云紋圖4和圖6可以看出，修改后的模型無論是最大應(yīng)力值還是最大應(yīng)力區(qū)域面積都減少了很多，最大應(yīng)力由531MPa減小到251MPa，只有原來的約50%。特別是高應(yīng)力區(qū)域面積幾乎不存在，最大應(yīng)力盡管超過16Mn鋼材的許用應(yīng)力，但未超過5%，故改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)可滿足強度要求。
5結(jié)語
1)對汽車起重機(jī)尾架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元強度分析，得到了該結(jié)構(gòu)的危險部位及應(yīng)力分布，現(xiàn)場試驗結(jié)果與理論分析結(jié)果相當(dāng)吻合，從而證明了計算分析的可靠性。
2)根據(jù)應(yīng)力情況，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部改進(jìn)，計算結(jié)果表明，改進(jìn)后結(jié)果可滿足強度要求。
3)所采用的方法可為同類結(jié)構(gòu)強度的研究和改進(jìn)設(shè)計提供借鑒。(end)
