QY25K汽車起重機(jī)采用四節(jié)伸縮式箱形吊臂，如圖1所示。各節(jié)臂之間可以相對(duì)滑動(dòng)，靠它們搭接的上下滑塊來(lái)傳遞作用力?；颈?根部與轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)水平銷軸鉸接，且其中部還與變幅液壓缸5鉸接，可實(shí)現(xiàn)吊臂在變幅平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。吊臂伸縮采用一級(jí)伸縮液壓缸、雙繩排滑輪機(jī)構(gòu)（兩伸、兩縮）以實(shí)現(xiàn)二、三、四節(jié)吊臂同步伸縮。

 

    吊臂截面形狀為兩塊成型鋼板對(duì)焊而成。其上半部為大圓角過(guò)渡形，下半部為外凸折板形，中部焊上槽形加強(qiáng)筋，見(jiàn)圖2。

 

    吊臂的設(shè)計(jì)計(jì)算通常的方法是將吊臂結(jié)構(gòu)視為梁模型進(jìn)行強(qiáng)度及剛度等方面的分析。但實(shí)際上，吊臂是由薄板對(duì)焊起來(lái)的箱形結(jié)構(gòu)，應(yīng)該視為板殼模型。解決這樣一個(gè)變截面板殼模型受力問(wèn)題，比較行之有效的方法是有限元法。故我們應(yīng)用此法，并采用功能強(qiáng)大、技術(shù)上非常成熟的商用有限元軟件ANSYS為工具來(lái)進(jìn)行分析?；诘醣鄣膶?shí)際工況較多，限于篇幅，本文僅以全伸臂工況為例（臂長(zhǎng)L=32m，幅度R=6m，吊重6t），介紹QY25K汽車起重機(jī)伸縮吊臂結(jié)構(gòu)有限元的分析過(guò)程。

 

    2伸縮吊臂有限元模型建立

 

    2.1實(shí)體建模

 

    考慮到吊臂的重量，在解算時(shí)由ANSYS自動(dòng)計(jì)算。為確保其重心位置的正確性，必須以吊臂的真實(shí)工況位置（仰角θ）進(jìn)行建模，亦即先要計(jì)算仰角θ的大小，再激活工作平面（workplane），將工作平面旋轉(zhuǎn)θ角，在工作平面內(nèi)造型。各節(jié)臂的筒體由薄板構(gòu)成，取中面尺寸造型。基于基本臂的尾部及四節(jié)臂的頭部結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜且剛性很大，故將其簡(jiǎn)化成實(shí)體，利用ANSYS強(qiáng)大的造型功能，如：拉伸、移動(dòng)、拷貝、布爾加減運(yùn)算、粘接等，可方便地建模。

 

    2.2單元選取及網(wǎng)格劃分

 

    板采用板殼元Shell63來(lái)離散。Shell63是一種4節(jié)點(diǎn)線彈性單元，它遵循基爾霍夫假定，即變形前垂直中面的法線變形后仍垂直于中面，而且這種單元可以同時(shí)考慮彎曲變形及中面內(nèi)的膜力，比較符合吊臂的實(shí)際受載情況。實(shí)體單元選用8節(jié)點(diǎn)的6面體單元Solid45。

 

    考慮到每節(jié)臂之間都有搭接部分，不易選中，且大部分板厚都不一樣，若是每塊板逐個(gè)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，效率低下，容易出錯(cuò)，為此我們先在實(shí)體模型上指定屬性，即賦予所有實(shí)體需劃分的單元、材料特性、實(shí)常數(shù)等，然后由程序一次對(duì)所有板、塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)也避免了在網(wǎng)格劃分操作中重復(fù)設(shè)置屬性。若是對(duì)某些網(wǎng)格形狀不滿意，則可對(duì)這部分重新進(jìn)行劃分，因?yàn)橹匦聞澐謺r(shí)，可刪除已有的網(wǎng)格，但不會(huì)刪除所指定的屬性。

 

    各節(jié)臂筒體采用自由（free）及映射（mapped）方式劃分?；瑝K處采用掃掠（sweep）劃分，以保證其形狀為六面體。整個(gè)網(wǎng)格劃分，控制單元形狀盡可能規(guī)則，避免形狀畸形。

 

    最終形成吊臂的有限元模型規(guī)模：節(jié)點(diǎn)數(shù)52017個(gè)，單元數(shù)62827個(gè)，其中板單元42153個(gè)，實(shí)體單元20674個(gè)。網(wǎng)格如圖3所示。

 

    2.3滑塊接觸處模型處理

 

    由于吊臂工作時(shí)，各節(jié)臂之間靠與滑塊接觸和擠壓來(lái)傳遞力，有限元建模中，必須解決各節(jié)臂與滑塊間的連接問(wèn)題。首先考慮用ANSYS中的接觸單元來(lái)分析，但由于該算例中，單元數(shù)頗多，模型規(guī)模大，且有12處接觸（四節(jié)臂上下有12個(gè)滑塊），而接觸問(wèn)題屬于非線性，求解過(guò)程必須反復(fù)迭代計(jì)算，因而計(jì)算量實(shí)在太大，另外，其準(zhǔn)確性也較差（實(shí)際結(jié)構(gòu)中的接觸特性尚不清楚），基于此，我們運(yùn)用另外一種方法——節(jié)點(diǎn)自由度耦合技術(shù)來(lái)模擬滑塊與各節(jié)臂的接觸。工作時(shí)，滑塊與吊臂保持接觸，但它們之間沿接觸面有相對(duì)滑動(dòng)趨勢(shì)，故相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)間沿接觸面的法向自由度必須耦合，而切向自由度則不能耦合，應(yīng)當(dāng)釋放。為了達(dá)到此目的，首先要旋轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系，旋轉(zhuǎn)角度即為仰角θ，利用各節(jié)臂與滑塊在同一位置節(jié)點(diǎn)（CoincidentNode）間的耦合，可方便地實(shí)現(xiàn)12個(gè)滑塊與吊臂對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的耦合。

 

    2.4加載及約束處理

 

    吊臂所受的載荷有：吊重、側(cè)載、鋼絲繩在臂頭的拉力、風(fēng)載、液壓缸作用力及伸縮機(jī)構(gòu)鋼絲繩拉力。風(fēng)載荷加到吊臂側(cè)面上，而其它力則須加到相應(yīng)位置的節(jié)點(diǎn)上（或關(guān)鍵點(diǎn)上），為了使得這些加載點(diǎn)能成為節(jié)點(diǎn)，首先需要在此位置處創(chuàng)建硬點(diǎn)（Hardpoints），此外，由于鋼絲繩在臂頭的拉力及伸縮機(jī)構(gòu)鋼絲繩拉力等方向與整體坐標(biāo)系方向不一致，故還須旋轉(zhuǎn)這些節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系，以便于加載。

 

    約束處理：基本臂尾部與轉(zhuǎn)臺(tái)鉸接處，約束3個(gè)方向平移自由度（UX、UY、UZ）和兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度（ROTY、ROTZ）。釋放繞銷軸中心回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度（ROTX）。變幅液壓缸鉸點(diǎn)處同樣處理。

 

    3計(jì)算結(jié)果與分析

 

    通過(guò)對(duì)上述有限元模型進(jìn)行計(jì)算，得到在工況下的最大變形量為：UX=0.542m，UY=－0.272m，UZ=－1.039m，均位于吊臂頭部。應(yīng)力計(jì)算結(jié)果用Ｖonmises當(dāng)量應(yīng)力值表示。吊臂上應(yīng)力值較大的區(qū)域?yàn)椋合禄瑝K作用位置的折板處以及基本臂與變幅液壓缸鉸接處。最大應(yīng)力發(fā)生在三節(jié)臂折板與左滑塊接觸處，其值達(dá)到551MPa，其上應(yīng)力分布情況如圖4所示（注：折板位置見(jiàn)圖2）。圖中標(biāo)出應(yīng)力值較大點(diǎn)，它們靠近吊臂外側(cè)。其它滑塊處的應(yīng)力分布情況也是這樣。

 

    QY25K型伸縮吊臂已做過(guò)結(jié)構(gòu)應(yīng)力試驗(yàn)，所加載荷有：吊重、側(cè)載和風(fēng)載，由于風(fēng)載作用在吊臂的側(cè)面，試驗(yàn)中很難施加，故將其轉(zhuǎn)化到吊臂頭部來(lái)進(jìn)行施加。試驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)均布置在滑塊附近，現(xiàn)將用有限元法在測(cè)點(diǎn)處的計(jì)算應(yīng)力值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，見(jiàn)表1。

 

    4結(jié)束語(yǔ)

 

    （1）用有限元法對(duì)伸縮吊臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度分析，其結(jié)果應(yīng)該比常規(guī)的解析法更準(zhǔn)確、可靠，且可以獲得解析法難以分析的局部區(qū)域應(yīng)力分布，如吊臂與滑塊接觸處、變幅液壓缸鉸接處，而這些區(qū)域往往又是危險(xiǎn)部位。有限元分析的結(jié)果可為實(shí)際設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。

 

    （2）本文運(yùn)用節(jié)點(diǎn)自由度耦合技術(shù)模擬滑塊與吊臂的連接，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，二者較為吻合。