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        基于ANSYS Workbench的汽車起重機(jī)吊鉤總成有限元分析

        2019-11-28 06:54:02朱節(jié)宏
        裝備制造技術(shù) 2019年9期
        關(guān)鍵詞:效應(yīng)變形汽車

        朱節(jié)宏

        (北海職業(yè)學(xué)院,廣西 北海536000)

        0 引言

        工程起重機(jī)械是各種工程建設(shè)中進(jìn)行起重作業(yè)的各種機(jī)械的總稱,其作為基建工程的高彈性品種,被廣泛地應(yīng)用在交通運(yùn)輸、建筑工業(yè)、礦山油田、港口機(jī)場(chǎng)、水利水電、軍工及市政工程等行業(yè)領(lǐng)域。根據(jù)中國(guó)工程機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)工程起重機(jī)分會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2019年1-6月,國(guó)內(nèi)工程起重機(jī)總計(jì)銷量35470臺(tái),其中汽車起重機(jī)銷售25494臺(tái),占比71.87%,同比增長(zhǎng)53.3%,其余機(jī)型(履帶式起重機(jī)、隨車起重機(jī)、輪胎起重機(jī))總計(jì)銷售9 976臺(tái),占比28.13%。汽車起重機(jī)銷量的強(qiáng)勁增長(zhǎng),也說(shuō)明了其卓越的起重能力與機(jī)動(dòng)性能,確實(shí)得到了工程起重行業(yè)的高度認(rèn)可,號(hào)稱“工程起重之王”,有過(guò)之而無(wú)不及。由此可見(jiàn),提高汽車起重機(jī)的整機(jī)安全性與可靠性,對(duì)于工程自重行業(yè)顯得尤為重要,而吊鉤總成作為汽車起重機(jī)的關(guān)鍵零部件,其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)剛度水平(在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力)將直接影響整機(jī)的安全性與可靠性。下面將以8 t汽車起重機(jī)吊鉤總成為例,通過(guò)設(shè)計(jì)建立吊鉤總成完整的三維模型,并對(duì)吊鉤總成組合件進(jìn)行有限元分析,主要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)線性靜力分析和相關(guān)計(jì)算,以保證吊鉤總成的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和靜剛度滿足整機(jī)安全的需要。

        1 汽車起重機(jī)吊鉤總成的設(shè)計(jì)建模

        1.1 汽車起重機(jī)技術(shù)參數(shù)

        汽車起重機(jī)是一種裝在通用或?qū)S幂d重汽車底盤上的起重機(jī),汽車專用底盤使其具備較高的行駛速度、良好的通過(guò)性能與機(jī)動(dòng)性能,可快速實(shí)現(xiàn)設(shè)備的轉(zhuǎn)場(chǎng)[1-2],并且起重范圍大,小到十噸以下,大到千噸以上,能很好地滿足各噸位流動(dòng)式起重作業(yè)的需求。表1所示為某8 t汽車起重機(jī)的技術(shù)參數(shù)。

        表1 某8 t汽車起重機(jī)技術(shù)參數(shù)

        1.2 吊鉤總成的三維建模

        汽車起重機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)包括起升機(jī)構(gòu)、變幅結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、金屬臂架和汽車專用底盤等[3]。起升機(jī)構(gòu)是提升或下降貨件的工作機(jī)構(gòu),是汽車起重機(jī)不可缺少的、最主要的,也是最基本的機(jī)構(gòu);起升機(jī)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、卷繞系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)及吊鉤總成等組成,吊鉤總成又是其中的關(guān)鍵部件。圖1為某8 t汽車起重機(jī)六繩吊鉤總成的三維模型,圖2為吊鉤總成的結(jié)構(gòu)組成,圖中序號(hào)1是滑輪組,2、3是吊鉤螺母和止推軸承、4是橫梁,5是吊鉤,6是拉板支架,7是滑輪軸,8是緊固件(螺栓、螺母及墊圈),這些零部件通過(guò)一定的裝配關(guān)系連接成一個(gè)組合體。

        圖1 吊鉤總成的三維模型

        圖2 吊鉤總成的結(jié)構(gòu)組成

        2 汽車起重機(jī)吊鉤總成結(jié)構(gòu)有限元分析

        2.1 吊鉤總成三維模型的簡(jiǎn)化

        在Creo3.0軟件中建立精確的吊鉤總成三維模型,總成各零部件之間的配合按照實(shí)際的位置關(guān)系進(jìn)行組裝。模型的簡(jiǎn)化,包括去掉各種連接螺栓、螺母、墊圈、隔套、墊板和潤(rùn)滑脂油杯,忽略各零部件的小倒角、小圓角和孔螺紋,簡(jiǎn)化吊鉤螺母與止推軸承的結(jié)構(gòu)等,刪除掉的緊固件直接用實(shí)體特征代替[4],而鋼絲繩與滑輪、拉板支架與連接桿、緊固件結(jié)合成實(shí)體。簡(jiǎn)化后的某8 t汽車起重機(jī)吊鉤總成三維模型由吊鉤、橫梁、吊鉤螺母、拉板支架、滑輪組件和滑輪軸構(gòu)成,如下圖3所示。

        圖3 某8 t汽車起重機(jī)吊鉤總成簡(jiǎn)化模型

        2.2 吊鉤總成結(jié)構(gòu)有限元分析

        這里的結(jié)構(gòu)有限元分析,即結(jié)構(gòu)靜力分析,解靜態(tài)載荷下機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形的有效手段,是在不考慮慣性和阻尼影響的情況下,計(jì)算機(jī)械結(jié)構(gòu)在施加固定載荷下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。結(jié)構(gòu)靜力分析大體流程分為建立模型、施加邊界條件和載荷、求解、結(jié)果后處理與分析等步驟[5-6]。吊鉤總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要通過(guò)CAD/CAM/CAE設(shè)計(jì)軟件Creo實(shí)現(xiàn)(零部件的設(shè)計(jì)與裝配件的組裝),有限元分析則是利用ANSYS Workbench的結(jié)構(gòu)靜力分析模塊,該分析旨在獲取在一定載荷作用下吊鉤總成結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力和總變形的情況,以此作為結(jié)構(gòu)安全性的參考和優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)。

        (1)材料屬性

        在ANSYS Workbench工程數(shù)據(jù)中添加吊鉤總成需要分析的各零部件材料,相應(yīng)的材料參數(shù)包括楊氏模量、密度、泊松比和屈服強(qiáng)度等。吊鉤總成結(jié)構(gòu)的有限元分析主要是獲得吊鉤、橫梁、拉板、滑輪軸及吊鉤螺母這五個(gè)零部件的最大等效應(yīng)力與最大總變形量,所以需要分析前必須對(duì)這些零部件進(jìn)行材料賦予,具體材料屬性如表2所示。

        表2 材料屬性

        (2)創(chuàng)建接觸、連接和劃分網(wǎng)格

        各零部件的材料屬性賦予設(shè)定后,在滑輪組與滑輪軸,橫梁端部與拉板支架孔,吊鉤螺母與橫梁軸承孔座,吊鉤鉤柄與吊鉤螺母之間創(chuàng)建Bonded或No Separation接觸約束,對(duì)滑輪組連接主臂位置創(chuàng)建Fixed與大地固定連接,其余接觸由系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別。接著根據(jù)模型外形尺寸設(shè)置網(wǎng)格參數(shù),這里采用六面體網(wǎng)格形式,1 mm大小的網(wǎng)格尺寸對(duì)吊鉤總成模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分,圖4是劃分網(wǎng)格后的吊鉤總成(橫梁和拉板支架連接部位)。

        圖4 劃分網(wǎng)格后的吊鉤總成

        (3)施加載荷及求解

        該型汽車起重機(jī)的最大起重量為8 000 kg,根據(jù)GB/T3811-2008起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范,起重機(jī)靜載試驗(yàn)載荷取最大起重量的1.25倍,所以實(shí)際施加載荷為10 000 kg(1.25 × 8 000 kg),并且以掛載鋼絲繩與吊鉤鉤底的面-面接觸形式施加。表3所示為鋼絲繩安全荷重表,以0°吊單頭為鋼絲繩與吊鉤的掛載形式,應(yīng)選擇鋼絲繩最小直徑為32 mm,施加載荷吊鉤鉤槽危險(xiǎn)斷面位置的受力面積等于該鉤底掛載位置有效長(zhǎng)度(70 mm)與鋼絲繩直徑(32 mm)的乘積,約為0.07 m×0.032 m=0.002 24 m2,所以實(shí)際施加在吊鉤鉤底面上載荷Pressure為10 000×9.8/0.00224=43.75 MPa,方向?yàn)榈蹉^鉤底面法向向下(-Y向)。

        表3 鋼絲繩安全荷重表(6倍)噸

        經(jīng)過(guò)ANSYS Workbench求解,吊鉤總成各組成零部件最大應(yīng)力和最大變形如表4所示,等效應(yīng)力云圖如圖 5、7、9、11、13 所示,總變形云圖如圖 6、8、10、12、14所示。等效應(yīng)力方面,吊鉤最大等效應(yīng)力84.76 MPa發(fā)生在鉤底內(nèi)側(cè)壁,橫梁最大等效應(yīng)力64.47 MPa發(fā)生在孔口與吊鉤螺母接觸邊緣,吊鉤螺母最大等效應(yīng)力24.57 MPa發(fā)生在與橫梁接觸面的邊緣,拉板支架最大等效應(yīng)力16.20 MPa發(fā)生在與滑輪軸、橫梁配合孔處,滑輪軸最大等效應(yīng)力6.92 MPa則發(fā)生在與拉板支架接觸面位置,這些最大等效應(yīng)力值均小于所相應(yīng)材料的許用應(yīng)力(見(jiàn)表2),說(shuō)明該吊鉤總成各零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是足夠的。

        在總變形方面,吊鉤最大總變形0.58 mm發(fā)生在鉤尖部分,橫梁最大總變形0.29 mm發(fā)生在側(cè)邊圓弧面,吊鉤螺母最大總變形0.29 mm發(fā)生在與橫梁接觸面外緣,拉板支架最大總變形量0.29 mm發(fā)生在拉板側(cè)邊,滑輪軸最大總變形0.29 mm發(fā)生在軸頭位置,結(jié)合最大等效應(yīng)力數(shù)值,通過(guò)計(jì)算得知,以上各零部件的靜剛度(材料應(yīng)力/應(yīng)變)遠(yuǎn)小于材料許用剛度(見(jiàn)表2楊氏模量),也就是說(shuō),吊鉤總成各零部件的最大總變形都在材料允許的變形范圍之內(nèi),剛度是達(dá)到設(shè)計(jì)要求的。

        此外,從各部件的最大等效應(yīng)力值與相應(yīng)材料許用應(yīng)力值對(duì)比分析可得,該吊鉤總成的結(jié)構(gòu)還有進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化空間的,至少在滿足機(jī)械強(qiáng)度的前提下,整體自重是可以降低的,這對(duì)節(jié)約鋼材,降低整機(jī)生產(chǎn)制造成本,大有裨益。

        表4 吊鉤總成各零部件最大等效應(yīng)力(MPa)和最大總變形(mm)

        圖5 吊鉤等效應(yīng)力云圖

        圖6 吊鉤總變形云圖

        圖7 橫梁等效應(yīng)力云圖

        圖8 橫梁總變形云圖

        圖9 吊鉤螺母等效應(yīng)力云圖

        圖10 吊鉤螺母總變形云圖

        圖11 拉板支架等效應(yīng)力云圖

        圖12 拉板支架總變形云圖

        圖13 滑輪軸等效應(yīng)力云圖

        圖14 滑輪軸總變形云圖

        3 結(jié)語(yǔ)

        本文使用Creo軟件對(duì)某8 t汽車起重機(jī)吊鉤總成進(jìn)行了詳細(xì)的參數(shù)化建模,并在模型簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上,對(duì)汽車起重機(jī)吊鉤總成組合件進(jìn)行了基于ANSYS Workbench的有限元分析,結(jié)構(gòu)線性靜力分析求解獲取到的吊鉤總成各零部件的等效應(yīng)力云圖和總變形云圖顯示,吊鉤總成各零部件的最大等效應(yīng)力值均小于相應(yīng)材料的許用應(yīng)力值,最大總變形量也在材料允許的變形范圍內(nèi),且發(fā)生部位都符合設(shè)計(jì)預(yù)期,吊鉤總成的結(jié)構(gòu)是安全的,等效應(yīng)力云圖與總變形云圖也是指導(dǎo)各零部件開(kāi)展結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的重要參考。

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