轮式起重机几种典型形状伸缩式吊臂的有限元分析与研究

卢世坤，王 明

LU Shi-kun, WANG Ming

(莱芜职业技术学院，莱芜 271100)

0 引言

吊臂是起重机的主要工作部件，因为通过它把重物提到一定的高度，所以，吊臂的的受力时安全工作是起重机设计的必要条件，这就要求起重机的吊臂强度和刚度必须足够。用有限元法进行吊臂结构强度和刚度分析优点很多：一方面是准确、经济和可靠；另一方面是还可以得出工作部件在不同工况和界面形式下的应力分布，为设计方案的选择和改进提供了有力的依据。

1 伸缩臂结构

伸缩式起重机吊臂大多用钢板焊接而成，现伸缩臂大多制成箱型，主要有方形、矩形、圆角矩形、八边形、六边形、倒置梯形、梯形、六边形、椭圆形和三边加半圆组成的截面形状等；具体如图1所示。

图1 起重机吊臂截面形状示意图

以上几种伸缩臂的截面在不考虑制作工艺的情况下，究竟哪种可以承受较大的弯矩及强度？哪种结构稳定性更好？下面对之进行有限元分析研究。

2 受力模型

考虑到设计起重机时，要求对起重的设计尽量轻量化，又为方便分析，需要对实际组成各吊臂截面的腹板进行了简化。所以，在分析以上各种不同截面形状的吊臂受力状况时，吊臂的的设计满足以下条件：

1）组成以上各种吊臂截面形状的各腹板厚度相同；

2）以上各截面吊臂长度相同和质量大致相同；

3）除正方形截面吊臂以外，其他各吊臂截面的设计宽度与高度之比大致相等，即有：

图2 各吊臂截面尺寸示意图

其中：t 为各吊臂截面的宽度与高度之比。

各截面吊臂的长度都为10m；

受力分析时，加载的重物的重量相等，吊臂的倾斜角相同。

图3 各截面形状吊臂受力示意图

3 受力分析计算

如图4所示，若各截面吊臂吊重为PQ的重物，那么，在垂直方向的吊臂所承受的力为：PQ+吊具重量；忽略滑轮的摩擦力，则：

式中：S1为起升绳拉力；

S为S1与PQ+吊具重量的合力。

这里吊臂吊重量为1t，即：

因S1=PQ+吊具重量的夹角为60°，根据平行四边形法则：

图4 各截面形状吊臂受力分析图

4 有限元分析

4.1 建立模型

Pro/ENGINEER是广泛应用的三维建模软件，采用Pro/ENGINEER对吊臂进行实体建模，然后再用Pro/ENGINEER自带的有限元分析模块Pro/MECHANICA进行有限元分析，既方便快捷又不失准确性。

4.2 材料属性定义、网格划分及有限元分析

吊臂全部选用DB685钢材，这种材料的屈服极限为590MPa，许用应力为393MPa，加载1t的重物。

4.2.1 正方形截面吊臂

采用Pro/ENGINEER自带的网格控制功能，实体的Surfaces 的Maximum Element Size控制在200mm，总共创建了7652四面体和2561个节点，有限元分析结果如图5所示。

图5 正方形截面吊臂Von Mises应力云图

图6 矩形截面吊臂Von Mises应力云图

4.2.2 矩形截面吊臂

对矩形截面吊臂网格划分，总共创建了7678个元素和2567个节点，有限元分析结果如图6所示。

4.2.3 圆角矩形截面吊臂

对圆角矩形截面吊臂网格划分，总共创建了22956个元素和7623个节点，有限元分析结果如图7所示。

图7 圆角矩形截面吊臂Von Mises应力云图

图8 上宽下窄梯形截面吊臂Von Mises应力云图

4.2.4 上宽下窄梯形截面吊臂

对上宽下窄梯形截面吊臂进行网格划分，总共创建了7534个元素和2517个节点，有限元分析结果如图8所示。

4.2.5 上窄下宽梯形截面吊臂

对上窄下宽梯形截面吊臂进行网格划分，总共创建了7602个元素和2539个节点，有限元分析结果如图9所示。

4.2.6 六边形截面吊臂

对六边形截面吊臂进行网格划分，总共创建了7496个元素和2504个节点，有限元分析结果如图10所示。

图9 上窄下宽梯形截面吊臂Von Mises应力云图

图10 六边形形截面吊臂Von Mises应力云图

4.2.7 下半圆截面吊臂

对下半圆形截面吊臂网格进行划分，总共创建了14913个元素和4966个节点，有限元分析结果如图11所示。

4.2.8 椭圆截面吊臂

对椭圆形截面吊臂进行网格划分，总共创建了24818个元素和8266个节点，有限元分析结果如图12所示。

图11 下半圆形截面吊臂Von Mises应力云图

图12 椭圆形截面吊臂Von Mises应力云图

5 结论

由以上结果分析可知，在同样吊臂长度、各形状截面腹板厚度相同、吊载同样重量的情况下，可得出以下结论：

1）产生的最大应力

(1)就产生的最大应力而言，本论文的圆角矩形吊臂所产生的最大应力为162.1MP，除正方截面吊臂外，为本论文分析的所有截面中产生应力最大的截面；

(2)六边形截面吊臂所产的最大应力为66.3MP，除正方截面吊臂外，为所有截面中产生最大应力最小的截面；

(3)本文分析的所有截面形状的吊臂中，正方形截面吊臂所产生的最大应力为51.45 MP，为所有截面中产生最大应力最小的截面。

2）应力分布

正方形截面吊臂应力分布较为平均，其他截面形状吊臂应力分布较为集中，且大部分在吊臂根部下沿处。

表1 各截面形状吊臂受力情况对比

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