基于ANSYSWorkbench汽车起重机副臂的性能分析

于淑政 孔祥平

摘 要：针对汽车起重机副臂长细比较大，在考虑自重、载重和拉力时，副臂结构易发生变形的这种情况，分别利用有限元分析软件ANSYS Workbench和力学计算方法对副臂进行位移及应力的计算，得到在不同工况下副臂所承受的最大位移和最大应力，为副臂机构的设计计算及以后的结构上的优化提供依据。

关键词：副臂；ANSYS Workbench；变形；应力.

引言

随着现代化速度的不断增加，起重机械在生产生活中应用范围逐步增大，所起到的作用也日益增加。又由于汽车起重机作业性能高、使用灵活、价格相对便宜的特点，使得其在工程施工和城市建设中扮演着重要的角色。但是由于伸缩主臂结构布置紧凑，并且自身质量很大，而且回转工作时对机动性能有一定的要求，使得主臂的伸长范围受到一定的限制。又由于起重机工作时要求幅度很大、扬程较高，副臂为了满足这些要求，渐渐成为主臂结构和性能的补充和延伸。但是副臂工作时受力大、工作条件恶劣并且结构复杂，人们便提出其自身工作重量轻，工作可靠的要求，因此对副臂进行准确的结构分析也显得十分重要。

ANSYS Workbench是一款大型CAE分析软件和应用平台，它综合了建模工具、分析工具、优化分析等多种功能于一身，其中的概念建模使副臂这种悬臂梁结构创建与修改变得简便。

1 材料属性的建立

副臂弦杆材料采用Q345B，屈服极限？滓s=345Mpa。其安全系数n=1.34，弹性模量E=210000MPa，泊松比？滋=0.28，密度？籽=7.9g/cm3。Q345B属于普通低合金钢，其塑形及焊接性能十分良好，并且有一定的强度，实用性能好而且价格也比较便宜，性价比较高，适用于副臂这种悬臂梁结构。

2 概念建模

概念建模对于创建和修改线体或面体非常便利，并最终将这些体生成有限元中的梁模型或板壳模型，在 Design Modeler 使用概念建模中对副臂的桁架结构进行建模时，系统将自动连接梁单元组成的桁架结构，和一般 CAD 软件建立的三维模型相比更加适合桁架结构的有限元分析，并且还可以对模型尺寸进行随时的修改，计算结果也可以快速更新，也比普通的 CAD 软件模型修改再导入计算的模式更加的方便快捷。

副臂结构设计如下，副臂总长L为8000mm，弦杆外径D1为50mm，弦杆内径d1为42mm，腹杆外径D2为27mm，腹杆内径d2为23mm，由于桁架结构的腹杆和节点数目较少，比较容易使用间隙接头，所以副臂的结构形式通常为人字形腹杆体系桁架结构，这样一来可以更好的利用腹杆闭口截面的受压特性，减少了杆件节点，节省了材料节约了成本。

3 网格划分

网格划分对整个有限元分析过程十分重要，网格单元的大小及类型都直接决定着有限元结果的精确度。一般情况下，网格划分数目越多，计算结果越精确，但与此同时网格划分太精细，计算量变大，这对计算机的要求就越高。所以，在计算机支持的情况下，划分出较为精细的网格，求得接近精确的结果，因此需要多次尝试。由于文章采用的是概念建模，因此简化了网格划分，据统计，划分网格时共产生3009个节点，1742个单元。所图1所示。

4 约束和载荷

4.1 约束

副臂与连接架及连接架于主臂之间都是通过销钉铰接而成，对于副臂來讲，4个铰接点固定也就是约束了6个自由度。

4.2 载荷

（1）重力。副臂受到自身的重力作用，添加重力时要注意，不是直接添加力，而是添加的重力加速度，在材料数据中设置材料密度，根据所建模型，计算时相当于重力参与计算。（2）起重力。根据实际起吊重量，适当添加重量，但须注意所添加重量应在模型能力所能承受范围内，本次计算吊重为2t，经计算，起重力为19600N，Z方向向下。（3）拉力。在副臂顶部，受到钢丝绳拉力作用，在添加钢丝绳拉力时，应该首先将该力进行分解，然后添加。经过分解，可知该拉力在X轴正方向的分力为1000N，在Z轴负方向上的分力为700N。

5 结果分析

副臂在重力、起重力和拉力工况下，求副臂的受力及变形图，根据挠度定义，应在数据中提取Z方向为挠度值，即挠度值为结构在总体坐标系下Z方向的偏移量。图2为副臂结构与地面夹角为55°时的变形图。

从图2中可以看出，副臂的最大变形区域发生在副臂顶端，Z方向的偏移量为41.159mm，方向为Z轴的负方向，已知副臂的长度为8000mm，根据《汽车起重机设计规范》，副臂在变幅平面内最大位移量计算公式（统一单位后）为：f1？燮0.01（L/100）2，带入计算得，副臂的许用挠度为：f1？燮0.01（L/100）2=64mm。也就是说起重机在上述工况下的挠度小于许用挠度，满足设计规范要求。

按照上边的做法，将副臂与地面的夹角分别设置为55°、65°、75°，对三种工况分别进行有限元分析，观察各种工况下挠度的变化，并将结果记录在表1中。

由表1可知，随着副臂与地面夹角的增大，最大形变量也在逐渐减小，这说明，副臂与地面的夹角由大变小时，副臂的变形增大，情况就变得危险，所以在施工过程中，应该注意副臂与地面夹角很小时候的工作情况。

6 强度和刚度计算

根据材料力学知识可知，副臂根部固定端应力较大，属于危险截面，该截面形状为长方形，其中x方向两管中心间距L1x=585mm，y方向两管中心间距L1y=604mm，因此，对其进行应力计算如下：

由于副臂根部截面形状为长方形，设较长方向为y向，较短方向为x向，则该截面y向惯性矩为：

。

其中A1为单根弦杆横截面积。

截面y向抗弯模量： 。

臂架承受的轴向力：N=Q×Q×？渍×sin？琢+m×sin？琢=2.21t。

式中：Q=2t，副臂与地面夹角？琢=55°，副臂质量m=0.5t，起升载荷系数？渍=1.1。

在变幅平面中垂直于臂架的力：N'=Q'y'×cos？琢+m×？渍×cos？琢=1.57t。

截面y向最大弯矩：My=N'×1000×g×L=123088000N·mm。

截面y向的最大弯曲正应力： 。

截面x向属性计算：

截面x向抗弯模量： 。

x向弯矩：Mx=Q'x'×1000×g×L=18032000N·mm。

所以该截面x向最大弯曲正应力： ，

按照GB/T 3811-2008 《汽车起重机设计规范》中相关规定：对于<0.7的钢材，其基本许用应力为：[？滓]=，由题意知，所用材料Q345B的屈服极限？滓s为345MPa，安全系数n=1.34，经计算得[？滓]==257.46MPa。由此可以得出最大應力小于基本许用应力，符合设计规范。

刚度计算：

臂架承受的垂直于其轴向的力（不考虑偏载）：P=Q×cos？琢=1.15t。

臂端挠度：fw=，计算结果不仅符合设计规范，并且与有限元软件计算结果也基本相符。

7 结束语

（1）针对副臂这种桁架结构，采用概念建模方法，简单方便，省去了三维建模后对模型的简化及考虑三维建模软件与有限元分析软件接口问题，避免了因模型构造不合理造成的网格划分不成功。为桁架及悬臂梁的有限元分析建模提供了一种较为简便的方法。

（2）用workbench 进行有限元分析，得到的最大挠度值和计算所得结果相近，均在GB/T 3811-2008 《汽车起重机设计规范》要求的范围内，满足设计要求。

（3）用材料力学知识对副臂危险截面进行应力计算，分别计算出X、Y方向的最大应力，结果符合GB/T 3811-2008《汽车起重机设计规范》的设计要求。

参考文献

[1]张岩.ANSYS Workbench 15.0有限元分析从入门到精通[M].北京：

机械工业出版社，2014.

[2]GB/T 3811-2008.汽车起重机设计规范[S].

[3]雷正保，师可力.汽车起重机副臂起重特性计算[J].建筑机械，1991，11.

[4]沈法鹏，王健.汽车起重机副臂结构的有限元分析[J].山东理工大学学报，2006.