基于ANSYS的小型移动吊车支腿有限元分析

林志军 曾远 李晓斌 杨保健 魏炎坤

摘 要：以一种应用于变电站检修的小型移动吊车活动支腿为研究对象，建立小型吊车活动支腿结构有限元模型，利用ANSYS软件对活动支腿结构进行强度、刚度分析，从而得到活动支腿上应力较大的区域和应力分布规律。结果表明：移动吊车的活动支腿在工况四时会产生最大位移2.35mm和最大应力255.34MPa，材料的变形满足活动支腿选材的挠度要求，也满足材料的许用应力要求。

关键词：小型吊车;活动支腿;ANSYS

中图分类号：TH213.6文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）28-0075-02

Abstract： A finite element model of the movable leg structure of a small crane used in the maintenance of substation was established， and ANSYS software was used to analyze the strength and stiffness of the movable leg structure， so as to obtain the region and stress distribution law of the active leg. The results showed that the maximum displacement of the movable leg of the moving crane was 2.35mm and the maximum stress was 255.34MPa at the fourth working condition. The deformation of the material meets the deflection requirements of the material selection of the movable leg and the allowable stress requiremented of the material.

Keywords： small crane;movable leg;ANSYS

作为小型吊车的主要受力件之一的活动支腿的结构设计好坏直接关系到吊车的承载能力及稳定性能[1，2]。根据工程实际需要，本文设计了一款专用支腿结构，支腿一端与车架用销固定，另一端用螺母固定，连接一根长螺栓作为固定支脚。吊车的工作环境一般比较恶劣，并且较为复杂，加之活动支腿的状态和结构较复杂，为了减少计算量，传统的计算方法进行了各种简化和假设，但计算结果与实际情况差异较大，很難满足工程需要[3]。本文采用通用有限元分析软件ANSYS Workbench分析了正常工作条件下小吊车活动支腿的强度和刚度，然后根据软件分析得出的科学理论依据对小型吊车活动支腿进行相匹配的结构优化。

1 支腿有限元模型的建立

1.1 几何模型与单元划分

由于活动支腿的结构复杂，因此，结构的理论模型和物理模型在建模阶段就要保证一致。本文运用三维建模软件SolidWorks建立小型吊车活动支腿的实体模型，通过ANSYS和SolidWorks之间对接，将三维模型导入ANSYS Workbench进行静态分析。支腿结构网格划分使用Hex Dominant六面体实体单元，平滑度值Relevance调为100，Smoothing等级调为High。网格划分遵循控制单元体形状的规则，节点数为435 149，单元数为126 447。

1.2 载荷和边界条件

车架结构不仅承担了底盘自身的重量荷载，还承担了立柱及以上结构的重量荷载。立柱及以上结构的重量荷载主要包括立柱固定部分和立柱旋转部分的荷载。旋转部分所受的荷载分为旋转部分结构本身的重量、吊臂吊装工件的重量、吊臂及吊装工件所受的水平方向惯性载荷、风载等载荷，由于这些载荷通过回转支承传递到车架，因此这些载荷可以在回转支承的中心组合成两个合力：垂直载荷和合成弯矩活动支腿通过垂直螺杆将车架结构与地基连接起来，活动支腿主要负责整车的水平平衡。其还限制了由立柱的部分负载引起的车架扭转和弯曲。由于垂直载荷和合成弯矩，框架结构将会发生扭曲。

1.3 典型工况

在本文中，针对小型吊车的实际工况，选择了四种最危险的吊装工况进行有限元分析。工况1：动臂处于基本臂状态，此时重力最大，起重机臂的位置位于框架的正侧;工况2：动臂处于基本臂状态，此时重力最大，并且动臂的位置在左后腿的垂直螺钉的中心处被正向按压;工况3：动臂处于基本臂状态，此时提升扭矩最大，动臂的位置在框架的正侧;工况4：悬臂处于基本臂状态，此时提升扭矩最大，并且悬臂的位置被正向按压到左后腿的垂直螺钉中心。对于每种工况，起重机的工作范围取决于起重机性能表的最大起重能力。四种工况的具体参数值如表1所示。

2 结果分析

根据Workbench软件的计算结果，活动支腿结构在第四种工况下承受的应力和变形量是最大的。因此，本文仅分析第四种工况下活动支腿材料的刚度和强度。

2.1 强度分析

在第四工况下，活动支腿结构的等效应力分布如图1所示。

从第四种工况的应力分布图可以看出，应力都低于360MPa的材料许用应力，并且仅出现少量的应力集中点。结构应力为20～260MPa，符合设计要求。

2.2 刚度分析

第四种工况下，活动支腿的变形量分布云图如图2所示。通过比较Total Deformation分布云图可得出，支腿结构竖直Z轴方向变形最大的情况如图2所示。由于小吊车在运行过程中主要承受Z轴垂直方向的力，故Z轴垂直方向的变形量也是验证材料强度时主要考虑的一点。垂直方向Z的最大位移值为2.345 2mm，并且发生最大变形的位置位于活动支腿与车架的接合处。

3 结论

活动支腿结构是小吊车稳定作业和安全作业的保障，因此，吊车活动支腿结构设计的合理性对车辆的稳定性和安全性有较大影响。本文运用Workbench分析了活动支腿的结构，得到了活动支腿的危险部位和应力分布情况。结果表明，活动支腿在小吊车处于第四种工况时，吊臂处于基础臂状态，此时起重力矩最大;吊臂正位于左后方支腿竖直螺杆中心时，活动支腿所受应力和变形量最大，此时活动支腿局部所受最大应力为255.34MPa，最大位移为2.345 2mm，活动支腿所受的最大应力和位移均符合支腿材料的许用应力要求范围及刚度条件。该小型吊车的活动支腿结构在材料强度和材料刚度方面均符合材料许用要求。

参考文献：

[1]张强，林博.汽车起重机活动支腿结构改进设计[J].工程机械，2011（9）：22-25.

[2]林志军，曾远，李晓斌，等.基于横向支撑的输变电设备小型移动吊车设计[J].海峡科技，2017（11）：108-109.

[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员.起重机设计规范：GB/T 3811—2008[S].北京：中国标准出版社，2008.