郭世均+羅朋+石能芳

摘 要：鉸接體作為鉸接式自卸車前后車架連接的紐帶，其安裝難道很大。為了方便鉸接體的安裝必須借助其他有效的輔助工具，因此設(shè)計(jì)了鉸接體吊具。在設(shè)計(jì)過(guò)程中利用UG設(shè)計(jì)吊具三維模型，再通過(guò)ansys workbench進(jìn)行有限元分析，強(qiáng)度校核。再根據(jù)分析結(jié)果對(duì)吊具進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)出輕量化、可靠、高性能的吊具。

關(guān)鍵詞：吊具；有限元；ansys workbench；強(qiáng)度

鉸接式自卸車屬于非公路鉸接式自卸汽車，是針對(duì)我國(guó)的實(shí)際情況，專門(mén)開(kāi)發(fā)的適合于礦山、水利工地等使用車型。前后車架通過(guò)鉸接體連接，可使整車具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、靈敏度高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。而笨重的鉸接體要實(shí)現(xiàn)前后車架的相連無(wú)疑成為整車組裝的一大難點(diǎn)。

鉸接體為不規(guī)則形狀，上下鉸接點(diǎn)都為軸承安裝孔，左右兩側(cè)為轉(zhuǎn)向缸安裝孔，后部為大軸承安裝軸。鉸接體安裝難點(diǎn)就是軸承安裝軸需要水平裝入后車架的鉸接體支撐內(nèi)，這需要保證鉸接體在起吊過(guò)程中不晃動(dòng)，并可前后做近似水平移動(dòng)，且起吊工具不妨礙鉸接體插入后車架鉸接體支撐安裝孔內(nèi)。根據(jù)鉸接體幾何形狀特點(diǎn)及安裝要求，對(duì)吊具進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：吊具通過(guò)銷軸與鉸接體轉(zhuǎn)向缸安裝孔連接，同時(shí)保證鉸接體與吊具中心處于四個(gè)吊耳中心，使吊具與鉸接體保持平衡，天車可通過(guò)吊繩連接四個(gè)吊耳，把鉸接體移動(dòng)到安裝位置進(jìn)行安裝。

1 建立幾何模型

通過(guò)UG軟件建立吊具的三維模型，吊具主要組成：左右縱梁、前后橫梁、四個(gè)吊耳、左右支撐梁、鉸接體連接座、鉸接體連接銷。縱梁、橫梁、都采用箱型梁結(jié)構(gòu)，通過(guò)U型的折彎板與相應(yīng)蓋板焊接而成。左右縱梁折彎板、蓋板厚度均為8mm，箱型梁內(nèi)部采用8個(gè)厚度為5mm的加強(qiáng)筋板；前后橫梁與左右縱梁結(jié)構(gòu)相類型；支撐梁主要由前后蓋板及左右側(cè)板焊接而成，頂端與左右橫梁連接，底端與鉸接體安裝座焊接在一起，支撐梁是整個(gè)吊具最主要受力部位，除了受鉸接體重力外，還受到由于鉸接重力產(chǎn)生的力矩。為了更好的傳力，支撐梁頂部開(kāi)設(shè)方形孔，左右縱梁分別穿過(guò)方形孔后再進(jìn)行焊接。這樣可以減輕焊縫負(fù)擔(dān)，加長(zhǎng)吊具壽命?？紤]到吊具的受力情況，左右支撐梁前蓋板采用20mm厚的板，后蓋板及左右側(cè)板才有8mm厚鋼板焊接而成。并在左右支撐梁鉸接體連接座位置在上加強(qiáng)筋板，保證受力部位的強(qiáng)度。

鉸接體連接座由上座耳和下座耳焊接在支撐梁上構(gòu)成，連接銷可通過(guò)鉸接體連接座上的連接孔實(shí)現(xiàn)鉸接體與吊具的安裝。考慮到鉸接體的重量主要通過(guò)連接銷與鉸接體連接座孔壁的接觸傳力，故上座耳與下座耳采用30mm厚的板。

2 建立有限元模型

把吊具幾何模型導(dǎo)入有限元軟件ansys workbench中，對(duì)其進(jìn)行有限元模型建立。

定義材料及屬性：模型使用材料為Q235A，彈性模量E=2.12×1011，泊松比u=0.288，屈服強(qiáng)度σs=235MPa，密度為7860kg/m3。

定義好材料后對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分。根據(jù)吊具的受力情況分析支撐梁與左右縱梁位置可能出現(xiàn)應(yīng)力集中，為提高精度，在連接部位進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化。網(wǎng)格劃分完畢查看網(wǎng)格劃分情況，網(wǎng)格單元數(shù)496208，網(wǎng)格單元數(shù)995516。

3 吊具有限元分析

吊具吊耳主要受吊繩拉力，可在吊具上施加約束，吊具鉸接體安裝座受鉸接體向下的垂下力，還受到由重力引起的力矩，可通過(guò)ansys workbench在相應(yīng)鉸接體連接位置施加遠(yuǎn)端載荷，為提高計(jì)算精度，考慮吊具所受重力，在系統(tǒng)中添加重力加速度g。

4 結(jié)果分析

查看求解結(jié)果，最大應(yīng)力出現(xiàn)在支撐梁與左右縱梁連接位置，最大應(yīng)力點(diǎn)8.42×107，安全系數(shù)2.79，最大變形量為0.17mm。吊具重量為254.4kg，作為鉸接體組裝的一個(gè)吊具，能夠滿足強(qiáng)度要求外還必須達(dá)到輕量化，才能夠最大極限發(fā)揮它的作用，而不應(yīng)吊具過(guò)重造成其他負(fù)擔(dān)。同時(shí)，輕量化可以減少鋼材的使用量，節(jié)約成本，降低造價(jià)。為了達(dá)到低成本、輕量化的目標(biāo)，在保證強(qiáng)度要求的前提下可對(duì)吊具進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

5 吊具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

要想改善支撐梁與左右縱梁連接部位的應(yīng)力集中，可以再連接處增添加強(qiáng)筋。而其他部位應(yīng)力值遠(yuǎn)低于材料的屈服應(yīng)力，可以對(duì)降低鋼板厚度，從而降低吊具的增體強(qiáng)度。左右縱梁折彎板與蓋板板厚由8mm改為5mm，所用加強(qiáng)筋由5mm改為3mm，前后橫梁做相似調(diào)整。左右支撐梁應(yīng)力富余更大，前蓋板板厚由20mm調(diào)整為10mm，左右側(cè)板厚度均降低到5mm，加強(qiáng)筋板厚度均改為3mm；鉸接體連接座上下耳板應(yīng)力雖然很底，但考慮到銷軸連接孔需要一定的壁厚與銷軸配合，板厚降低到20mm即可。

對(duì)改進(jìn)后的吊具導(dǎo)入ansys workbench進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果顯示最大應(yīng)力還是出現(xiàn)在左右縱梁與左右支撐梁連接位置區(qū)域，最大應(yīng)力為1.004×108Pa，通過(guò)ansys workbench可得出吊具的安全因子云圖，結(jié)果顯示最小安全因子為2.34，滿足強(qiáng)度要求；最大形變位于支撐梁下端，形變量為1.1mm，滿足吊具的剛度要求。改進(jìn)后的吊具質(zhì)量為169kg，鋼材用量減少85.4kg，重量大大較低，組裝人員操作更方便，實(shí)用性更強(qiáng)。同時(shí)也減少了大量的鋼材費(fèi)，大大降低了吊具的成本。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)有限元分析可知道吊具工作時(shí)的應(yīng)力分布情況?？筛鶕?jù)應(yīng)力云圖對(duì)吊具進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。應(yīng)力過(guò)于集中處可進(jìn)行局部加強(qiáng)，應(yīng)力富余區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)度削弱。這樣可以設(shè)計(jì)出可靠、經(jīng)濟(jì)的吊具。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中要適當(dāng)利用有限元軟件求解分析復(fù)雜工程和產(chǎn)品的力學(xué)性能，從而對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以最小成本滿足產(chǎn)品性能要求。以經(jīng)驗(yàn)主義加強(qiáng)產(chǎn)品強(qiáng)度，會(huì)造成產(chǎn)品成本過(guò)高，資源浪費(fèi)；盲目降低產(chǎn)品強(qiáng)度則留下安全隱患。在設(shè)計(jì)前期通過(guò)仿真分析，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題，可以大大減少試驗(yàn)期的工作量、周期和經(jīng)費(fèi)。

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