铰接体吊具有限元分析

郭世均+罗朋+石能芳

摘 要：铰接体作为铰接式自卸车前后车架连接的纽带，其安装难道很大。为了方便铰接体的安装必须借助其他有效的辅助工具，因此设计了铰接体吊具。在设计过程中利用UG设计吊具三维模型，再通过ansys workbench进行有限元分析，强度校核。再根据分析结果对吊具进行结构优化，设计出轻量化、可靠、高性能的吊具。

关键词：吊具；有限元；ansys workbench；強度

铰接式自卸车属于非公路铰接式自卸汽车，是针对我国的实际情况，专门开发的适合于矿山、水利工地等使用车型。前后车架通过铰接体连接，可使整车具有机动性强、灵敏度高、适应性强等特点。而笨重的铰接体要实现前后车架的相连无疑成为整车组装的一大难点。

铰接体为不规则形状，上下铰接点都为轴承安装孔，左右两侧为转向缸安装孔，后部为大轴承安装轴。铰接体安装难点就是轴承安装轴需要水平装入后车架的铰接体支撑内，这需要保证铰接体在起吊过程中不晃动，并可前后做近似水平移动，且起吊工具不妨碍铰接体插入后车架铰接体支撑安装孔内。根据铰接体几何形状特点及安装要求，对吊具进行如下设计：吊具通过销轴与铰接体转向缸安装孔连接，同时保证铰接体与吊具中心处于四个吊耳中心，使吊具与铰接体保持平衡，天车可通过吊绳连接四个吊耳，把铰接体移动到安装位置进行安装。

1 建立几何模型

通过UG软件建立吊具的三维模型，吊具主要组成：左右纵梁、前后横梁、四个吊耳、左右支撑梁、铰接体连接座、铰接体连接销。纵梁、横梁、都采用箱型梁结构，通过U型的折弯板与相应盖板焊接而成。左右纵梁折弯板、盖板厚度均为8mm，箱型梁内部采用8个厚度为5mm的加强筋板；前后横梁与左右纵梁结构相类型；支撑梁主要由前后盖板及左右侧板焊接而成，顶端与左右横梁连接，底端与铰接体安装座焊接在一起，支撑梁是整个吊具最主要受力部位，除了受铰接体重力外，还受到由于铰接重力产生的力矩。为了更好的传力，支撑梁顶部开设方形孔，左右纵梁分别穿过方形孔后再进行焊接。这样可以减轻焊缝负担，加长吊具寿命。考虑到吊具的受力情况，左右支撑梁前盖板采用20mm厚的板，后盖板及左右侧板才有8mm厚钢板焊接而成。并在左右支撑梁铰接体连接座位置在上加强筋板，保证受力部位的强度。

铰接体连接座由上座耳和下座耳焊接在支撑梁上构成，连接销可通过铰接体连接座上的连接孔实现铰接体与吊具的安装。考虑到铰接体的重量主要通过连接销与铰接体连接座孔壁的接触传力，故上座耳与下座耳采用30mm厚的板。

2 建立有限元模型

把吊具几何模型导入有限元软件ansys workbench中，对其进行有限元模型建立。

定义材料及属性：模型使用材料为Q235A，弹性模量E=2.12×1011，泊松比u=0.288，屈服强度σs=235MPa，密度为7860kg/m3。

定义好材料后对网格进行划分。根据吊具的受力情况分析支撑梁与左右纵梁位置可能出现应力集中，为提高精度，在连接部位进行局部网格细化。网格划分完毕查看网格划分情况，网格单元数496208，网格单元数995516。

3 吊具有限元分析

吊具吊耳主要受吊绳拉力，可在吊具上施加约束，吊具铰接体安装座受铰接体向下的垂下力，还受到由重力引起的力矩，可通过ansys workbench在相应铰接体连接位置施加远端载荷，为提高计算精度，考虑吊具所受重力，在系统中添加重力加速度g。

4 结果分析

查看求解结果，最大应力出现在支撑梁与左右纵梁连接位置，最大应力点8.42×107，安全系数2.79，最大变形量为0.17mm。吊具重量为254.4kg，作为铰接体组装的一个吊具，能够满足强度要求外还必须达到轻量化，才能够最大极限发挥它的作用，而不应吊具过重造成其他负担。同时，轻量化可以减少钢材的使用量，节约成本，降低造价。为了达到低成本、轻量化的目标，在保证强度要求的前提下可对吊具进行结构优化。

5 吊具结构优化

要想改善支撑梁与左右纵梁连接部位的应力集中，可以再连接处增添加强筋。而其他部位应力值远低于材料的屈服应力，可以对降低钢板厚度，从而降低吊具的增体强度。左右纵梁折弯板与盖板板厚由8mm改为5mm，所用加强筋由5mm改为3mm，前后横梁做相似调整。左右支撑梁应力富余更大，前盖板板厚由20mm调整为10mm，左右侧板厚度均降低到5mm，加强筋板厚度均改为3mm；铰接体连接座上下耳板应力虽然很底，但考虑到销轴连接孔需要一定的壁厚与销轴配合，板厚降低到20mm即可。

对改进后的吊具导入ansys workbench进行有限元分析，分析结果显示最大应力还是出现在左右纵梁与左右支撑梁连接位置区域，最大应力为1.004×108Pa，通过ansys workbench可得出吊具的安全因子云图，结果显示最小安全因子为2.34，满足强度要求；最大形变位于支撑梁下端，形变量为1.1mm，满足吊具的刚度要求。改进后的吊具质量为169kg，钢材用量减少85.4kg，重量大大较低，组装人员操作更方便，实用性更强。同时也减少了大量的钢材费，大大降低了吊具的成本。

6 结束语

通过有限元分析可知道吊具工作时的应力分布情况。可根据应力云图对吊具进行结构优化。应力过于集中处可进行局部加强，应力富余区域进行强度削弱。这样可以设计出可靠、经济的吊具。

在产品设计过程中要适当利用有限元软件求解分析复杂工程和产品的力学性能，从而对产品进行结构优化，以最小成本满足产品性能要求。以经验主义加强产品强度，会造成产品成本过高，资源浪费；盲目降低产品强度则留下安全隐患。在设计前期通过仿真分析，发现问题解决问题，可以大大减少试验期的工作量、周期和经费。

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