呂明，丁蒲剛

（中聯(lián)重科股份有限公司渭南分公司，陜西渭南714000）

基于APDL強夯機臂架有限元分析及疲勞壽命計算

呂明，丁蒲剛

（中聯(lián)重科股份有限公司渭南分公司，陜西渭南714000）

針對強夯機臂架容易發(fā)生疲勞破壞的問題，在詳細分析某公司CGE400型強夯機臂架設計圖紙和強夯機工作過程的基礎上，采用ANSYS軟件中參數(shù)化程序設計語言（APDL）和節(jié)點法建立臂架的有限元模型，應用Matlab語言編寫程序計算強夯過程中臂架的工作載荷。應用ANSYS軟件對臂架進行有限元分析，得到應力和位移分布云圖，找到最大應力值和最大變形量；基于應力分析的結(jié)果，應用ANSYS后處理FATIGUE模塊完成臂架的疲勞壽命分析計算。研究結(jié)果表明：CGE400型強夯機臂架設計合理，達到了設計者的目的。同時，也給設計者提供一種疲勞壽命分析計算的方法，為結(jié)構設計和制造提供參考。

APDL；臂架；有限元分析；疲勞壽命

強夯機是一種突然卸載和頻繁作業(yè)的專用強夯施工機械設備，工作原理是反復將夯錘通過臂架裝置提升到設定的高度，然后自由釋放夯錘，勢能轉(zhuǎn)化成巨大的沖擊能量作用在地基上，提高地基強度的目的。因而，現(xiàn)在廣泛應用于各種施工現(xiàn)場。

在強夯機施工過程中，夯錘的頻繁升降和沖擊將會導致臂架彎折、后翻和疲勞斷裂等損壞。臂架是主要的承載結(jié)構件，經(jīng)常滿載工作，承受頻繁的交變載荷，疲勞破壞是主要引起強夯機臂架失效的原因，同時，臂架的結(jié)構強度也是影響整機性能的關鍵因素。因此，開展這方面的研究有非常重要的意義［1-3］。

本文通過應用有限單元法和疲勞壽命的基本原理，根據(jù)設計圖紙，以CGE400型強夯機臂架為研究對象，采用APDL參數(shù)化語言和節(jié)點法建立臂架有限元模型，通過Matlab語言編寫程序計算工作載荷，在施加載荷和確定約束后，應用ANSYS軟件完成臂架的有限元分析和疲勞壽命計算。通過研究，表明臂架設計合理，為生產(chǎn)商提供試驗依據(jù)［4-6］。

1　臂架有限元分析

1.1材料參數(shù)

根據(jù)設計圖紙要求，臂架材料設置為Q345B，材料的彈性模量E=2.06×105 MPa，泊松比為0.28，密度為7 850 kg/m3.

1.2建立臂架有限元模型

ANSYS軟件中建立有限元模型的方法有兩種：一種是建立實體模型，進行網(wǎng)格劃分，生成有限元模型；另一種是采用節(jié)點法，直接建立有限元模型。實體模型劃分網(wǎng)格建立的有限元模型，在劃分網(wǎng)格過程中，合并重合節(jié)點和單元后，不容易載荷施加和約束［7］。

本文所研究CGE400型強夯機臂架是由四根主弦桿和多根腹桿組成的四弦桿格構式結(jié)構。臂架是用圓形鋼管結(jié)構焊接而成，主弦桿、腹桿之間互相形成復雜的連接曲面，若在ANSYS中建立臂架曲面實體模型，這部分曲面之間進行布爾運算時經(jīng)常會容差。

因而，由于臂架結(jié)構本身復雜，磁盤和計算機運行內(nèi)存的限制，采用節(jié)點法和APDL參數(shù)化命令流建模方法，直接建立臂架有限元模型。直接建立有限元模型的優(yōu)點是：（1）在縮減分析中不會產(chǎn)生問題，可以直接施加載荷在主節(jié)點上；（2）不必擔心約束擴展，選擇所需適當?shù)墓?jié)點，并指定約束。這將能夠正確地施加載荷和約束，提高分析結(jié)果的準確性。

在識別圖紙的基礎上，根據(jù)強夯機臂架的結(jié)構特點和模型簡化的原則，對臂架模型采用較簡化的方案。

首先定義臂架的單元類型，根據(jù)CGE400型強夯機臂架結(jié)構特點，設置四根主弦桿和腹桿分別是2node 188，BEAM188梁單元。設置板結(jié)構單元是3D 4node 181，SHELL181殼單元。按照設計圖紙，定義臂架結(jié)構的主、腹桿梁單元截面尺寸和板結(jié)構殼單元厚度。然后，采用節(jié)點法和APDL參數(shù)化命令流建模方法，建立臂架結(jié)構有限元模型，如圖1所示。

圖1　CGE400型強夯機臂架有限元模型

1.3臂架結(jié)構受力分析

目前，由于強夯機的設計計算尚無國家規(guī)范，且大多工況受載情況與履帶式起重機相似，因此，在計算受力時，參照GB/T3811—2008《起重機設計規(guī)范》［8-9］。同時假設：（1）臂架結(jié)構為彈性結(jié)構，且材料特性為常數(shù)；（2）腹桿對臂架抗軸向拉壓和彎曲變形不起作用，僅對臂架的抗剪能力起作用。由于強夯機在作業(yè)過程中所受外載荷的種類和變化都很多，需要考慮結(jié)構受力最不利的工況。

在本次計算中，模型簡化，只考慮工作載荷。選擇基本臂的最小幅度工況為計算工況，以夯錘和吊鉤為基本計算載荷，以滿足主要工作應力為原則，在此工況下，臂架模型為靜定結(jié)構，臂架與水平面的夾角θ為78°，后繩索與臂架的夾角θg為5°，為了研究臂架結(jié)構的強度和剛度，夯錘采用允許的最大夯錘，其重量Q為50 t，臂架結(jié)構的受力圖如圖2所示。

圖2　臂架受力圖

圖中：θ為臂架仰角；θg為變幅繩與臂架軸線夾角；θsh為起升繩與臂架軸線夾角；Fg為變幅繩力；Fsh為起升繩力；Q為最大夯錘吊重。

起吊后靜止狀態(tài)時，夯錘重量為Q，起升鋼絲繩拉力為Fsh，變幅鋼絲繩拉力為Fg，假定力Q，F(xiàn)sh和Fg匯交于臂架上端點，它們的合力Fn沿著臂架軸線方向作用于臂架。參考相關資料，應用Matlab語言編寫程序計算強夯機強夯過程中的相應載荷大小，在ANSYS軟件中，重力作為均布荷載可以直接加載，由于采用節(jié)點法建立有限元模型，因而，臂架受力簡圖中計算的載荷，在ANSYS軟件中施加載荷時，對應于臂架有限元模型里的相對應的節(jié)點來施加載荷。

1.4臂架有限元分析

根據(jù)強夯機實際作業(yè)情況，強夯機臂架模型的下鉸點相當于固定鉸支座，應該約束其3個方向上的平動和2個方向上的轉(zhuǎn)動。臂架中部與鋼絲繩鉸點處相當于可動鉸支座，在這里約束剩余方向上的轉(zhuǎn)動，這樣就得到一個具體工況下的靜定臂架模型。在臂架端部的鉸點處以節(jié)點載荷方式施加臂架所承受的載荷，臂架自重施加在桿件上。

因而，采用節(jié)點法建立臂架有限元模型，將載荷直接施加在主節(jié)點上，也可以不必擔心約束擴展；選擇所需節(jié)點，并指定適當?shù)募s束。施加載荷和約束后，進行臂架有限元求解計算，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3　CGE400型強夯機臂架位移云圖

圖4　CGE400型強夯機臂架節(jié)點應力云圖

由圖3臂架位移云圖可以看出，臂架的最大位移出現(xiàn)在臂架頂部，最大變形量為44.0 mm，所以該CGE400型強夯機臂架的剛度也滿足要求。由圖4臂架節(jié)點應力云圖可以看出，最大拉應力出現(xiàn)在臂架與車架相連接處，數(shù)值為204 MPa，未超過許用應力，從臂架整體來看，弦桿主要承受壓應力，數(shù)值不大，腹桿主要承受拉應力，數(shù)值較小，一般不超過71.7 MPa，所以該CGE400型強夯機臂架的強度滿足要求。

出現(xiàn)上述結(jié)果，有以下兩點的原因：

（1）最大拉應力出現(xiàn)在臂架與車架相連接處，一是由于板到桿的邊緣過渡引起的應力集中；二是因為此處所受的彎矩最大，所以其承受的拉應力也較大。

（2）臂架的最大位移出現(xiàn)在臂架的頂部，從頂部到根部，位移值逐漸減小，這是符合規(guī)律的。

2　臂架疲勞壽命分析計算

2.1基于ANSYS的疲勞分析法［11-14］

ANSYS軟件自帶基于有限元分析結(jié)果的疲勞分析Fatigue模塊，可以根據(jù)材料或零構件S-N曲線進行全壽命分析，對產(chǎn)品結(jié)構設計進行構件的虛擬疲勞仿真。通過疲勞壽命分析計算，在開發(fā)產(chǎn)品之初就能快速發(fā)現(xiàn)初始方案中出現(xiàn)的問題，提高方案設計的效率，節(jié)省實驗的成本。在Fatigue分析模塊中，基于材料或零件的應力，應用全壽命（S-N）分析方法，結(jié)合線性累積損傷理論，進行構件的疲勞壽命分析。全壽命分析可以得到局部區(qū)域裂紋的產(chǎn)生和擴展情況，能夠預測到結(jié)構在較大的損傷出現(xiàn)或疲勞破壞之前的總壽命。

2.2臂架疲勞壽命分析計算

在臂架有限元分析計算的基礎上，應用Fatigue分析模塊來進行CGE400型強夯機臂架的疲勞壽命分析計算。按照Fatigue模塊計算步驟，設定疲勞評定的位置數(shù)、事件數(shù)和載荷數(shù)分別為1，1，2；根據(jù)臂架材料Q345B的疲勞特性參數(shù)［10］，在Fatigue S-N Table界面輸入循環(huán)次數(shù)和對應應力值，如圖5所示。

圖5　S-N曲線數(shù)值

輸入以下命令，將最大應力節(jié)點號賦予Nmax_EQV.

設置應力位置編號為Reference no.for location =l，Node no.corresp to NLOC=Nmax_EQV，將最應力值和應力位置對應。在有限元分析計算結(jié)果中讀最小應力，并且從排序的應力值Nmax_EQV中提取最小應力值，再存儲最小應力：設置存儲最小應力載荷號為1；并在計算結(jié)果中讀最大應力，并且從排序的應力值Nmax_EQV中提取最大應力值，存儲最大應力載荷號為2，每個事件中有兩個載荷，即最大載荷和最小載荷，這些操作在Fatigue模塊對話框中設置完成。設定事件數(shù)為l，重復次數(shù)為10 000，應力比例系數(shù)為l.18，時間名稱為eve1.設置疲勞計算參數(shù)，得到疲勞分析計算結(jié)果，累計損傷系數(shù)為0.21 906＜1，符合要求。許用循環(huán)次數(shù)為45 650，如圖6所示。

圖6　CGE400型強夯機臂架疲勞分析計算結(jié)果

從壽命分析計算結(jié)果中可以看出，構件的最低疲勞壽命一般位于最高應力處，臂架的最低壽命為45 650次，由此可以看出，該CGE400型強夯機臂架的疲勞強度滿足施工要求，該強夯機臂架設計合理。

3　結(jié)束語

（1）根據(jù)臂架的結(jié)構特點，采用節(jié)點法和APDL參數(shù)化語言建立臂架有限元模型，實現(xiàn)有限元計算的準確性與經(jīng)濟性的統(tǒng)一。

（2）對臂架進行有限元分析計算，獲得臂架的應力云圖和位移云圖，結(jié)果表明，該臂架具有足夠的強度，并且滿足剛度要求。

（3）通過用Fatigue模塊對CGE400型強夯機臂架進行疲勞壽命分析，得到臂架的最低壽命為45650次。結(jié)果表明，該CGE400型強夯機臂架的疲勞強度滿足要求。

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Finite Element Analysis and Fatigue Life Calculation of the Dynamic Compactor Boom based on APDL Language in ANSYS

LV Ming，DING Pu-gang
（Weinan Branch'Zoomlion Heavy Industry Science and Technology Co.，Ltd.，Weinan Shaanxi 714000，China）

Focused on solving the problem of the fatigue damage of the dynamic compactor boom，based on the detailed analysis of the design drawings of the CGE400 dynamic compactor boom and the working process of the dynamic compactor，the overall three-dimensional parametric finite element model of the boom has been set up based on the ANSYS Parametric Design Language（APDL）from the ANSYS software and the node method.The work load of the boom during the dynamic compaction process will be calculated by compiling the Matlab language program.The finite element analysis of the boom has been achieved by using the ANSYS software，and the stress contour and the displacement contour will be obtained and the maximum stress value and the maximum displacement value will be found.At the base of the result of the stress analysis，the fatigue life analysis calculation of the boom has been completed by applying the post processing FATIGUE module of the ANSYS software.The research results show that the boom design of the CGE400 dynamic compactor is reasonable and the designer's purpose will be achieved.At the same time，a new method of the fatigue life analysis calculation has been introduced to the designer and some

will be provided for the structure design and the manufacturing.

parametric design language（APDL）；boom；finite element analysis；fatigue life

TU662；TH218

A

1672-545X（2016）08-0061-04

2016-05-02

呂明（1986-），男，陜西興平人，本科，助理工程師，研究方向：機電一體化。