呂振偉1 楊鵬2

LV Zhen-wei et al

1.武漢理工大學(xué) 湖北武漢 430070

2.森源汽車股份有限公司 河南許昌 416500

1 前言

隨著計算機的發(fā)展，有限元分析軟件應(yīng)用日益成熟，在方案結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化過程中，有限元分析作為一種高效的虛擬驗證手段，被廣泛應(yīng)用。但對于重型機械領(lǐng)域，如何應(yīng)用有限元軟件合理進(jìn)行模型簡化，模擬各零部件間的連接，仿真復(fù)雜吊重載荷存在一定難度[1]。本文以某型25 t起重機底架結(jié)構(gòu)強度分析及優(yōu)化為例，運用有限元分析手段，虛擬仿真復(fù)雜吊載工況載荷下底架的受力狀態(tài)。

底架作為起重機底盤重要的關(guān)鍵部件，整體為焊接框架結(jié)構(gòu)。底架一般分為底架前段、后段及前后固定支腿箱。起重機底架除了承載上裝吊載和自重，還要作為底盤各系統(tǒng)連接的載體，實現(xiàn)車輛行駛功能，所以驗證底架的剛度和強度尤為重要。

2 起重機底架有限元模型搭建

25 t汽車起重機底架整體為全焊接框架結(jié)構(gòu)。整車吊重時底架通過底架后段4個支腿的垂直油缸支撐于地面，承載著起重機的自重與吊重。車頭前方左右45°吊重，底架前段第五支腿伸出，分擔(dān)載荷。

2.1 底架有限元模型

起重機底架結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需對模型進(jìn)行合理簡化[2-4]，簡化過程如下：

a.底架去除對分析結(jié)果影響小的線束線夾支架、油管支架；

b.去除結(jié)構(gòu)中孔徑小于6 mm的裝配、定位工藝孔；

c.底架拼焊鋼板去除工藝坡口；

d.底架拼焊鋼板抽中面后進(jìn)行面網(wǎng)格劃分；

e.焊接板搭建處采用面單元連接；

f.面單元和體單元間采用RBE2連接；

g.活動支腿支撐的油缸簡化為一維剛性單元；

h.固定支腿與活動支腿搭接處設(shè)置接觸；

i.駕駛室、發(fā)動機、前后懸架等關(guān)鍵件質(zhì)量以質(zhì)量點代替。

通過HyperMesh建立CAE模型如圖1所示，劃分網(wǎng)格數(shù)830 522個，節(jié)點數(shù)831 362個。

圖1 25 t起重機底盤底架有限元模型

底架材料選用BS700與HG60，主要承力構(gòu)件包括：底架主體側(cè)立板、底板、上蓋板等；固定支腿箱的中立板、側(cè)立板、上蓋板、底板等選用材料為BS700，其余隔板與加強板選用材料為HG60。兩種材料的基本性質(zhì)如表1所示。

表1 汽車起重機底架所選用材料力學(xué)性能匯總表

2.2 底架有限元分析加載及約束

底架所受上裝自重及吊載質(zhì)量簡化為集中力及力矩，加載在回轉(zhuǎn)中心上，通過RBE2傳遞到回轉(zhuǎn)中心座圈36個螺栓安裝點上。計算分析工況選取基本臂，工作幅度5.5 m，載荷考慮PM和PR型載荷[5]，由起重機使用等級和載荷狀態(tài)確定機構(gòu)工作使用等級為M8，載荷增大系數(shù)γm′為1.3，選取XY平面每間隔30°一個吊載工況，共12個吊載工況進(jìn)行分析。考慮上裝（主臂、主鉤、加長臂、配重等）自重與起重機吊重，整車加載質(zhì)量45 t，力矩1.51×109N mm。

約束活動支腿與地面接觸點整車Z向平動自由度、繞X及Y向轉(zhuǎn)動自由度。為了避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生在整車XY平面滑動，選擇左后或右后活動支腿接地點約束X、Y向平動自由度。在具體工況計算時，需考慮吊重過程中支腿可能翹起，試算后，輸出整車Z向反力，若有支腿反力為負(fù)值，則說明此活動支腿已脫離地面，因此需解除其約束，重新計算。車頭方向左右45°內(nèi)吊重時，加入底架前段第五支腿約束，其余吊載工況不考慮第五支腿約束。

搭建完整的底架有限元分析模型[6-8]，如圖2所示。

圖2 25 t起重機底盤底架有限元分析模型

3 有限元分析結(jié)果

底架分析模型提交Optistruct求解器進(jìn)行求解。全工況位移云圖與應(yīng)力云圖如圖3、4所示。底架整體應(yīng)力水平較低，0°工況吊重底架位移最大，為30.5 mm。底架主體最大應(yīng)力為1 579.5 MPa，出現(xiàn)在30°吊載工況，活動支腿與固定支腿搭接處，考慮此處為接觸應(yīng)力，有限元模型簡化后，此處為T型交接尖角，應(yīng)力集中，此處不做評價。為確保實際使用安全可靠，建議墊板材料升級為WELTEN950E（屈服強度≥900 MPa）。

正側(cè)方吊載工況（270°）下，底架下槽板焊接工藝孔處應(yīng)力水平較高，最大應(yīng)力值為773.8 MPa，超過BS700材料許用應(yīng)力426 MPa，分析此處在吊載重物，底架扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致焊接工藝孔出現(xiàn)應(yīng)力集中情況，如圖5所示。

針對底架下槽板焊接工藝孔處應(yīng)力大問題，制定如下3種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，如表2所示。

圖3 全工況位移云圖

圖4 全工況應(yīng)力云圖

圖5 270°工況底架下槽板處應(yīng)力云圖

表2 下槽板工藝孔結(jié)構(gòu)調(diào)整方案

方案一模型如圖6所示。

圖6 底架下槽板加強結(jié)構(gòu)

對提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案進(jìn)行對比分析，方案一優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析后得到最大應(yīng)力為739.3 MPa，應(yīng)力云圖如圖7所

圖7 方案一270°吊載工況下槽板處應(yīng)力云圖

方案二優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析后得到最大應(yīng)力為625.9 MPa，應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖8 方案二270°吊載工況下槽板處應(yīng)力云圖

方案三優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析后得到最大應(yīng)力為383.9 MPa，應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖9 方案三270°吊載工況下槽板處應(yīng)力云圖

由分析結(jié)果可知，方案一和方案二結(jié)果均不理想，方案三優(yōu)化效果明顯，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力由773.8 MPa降低為383.9 MPa，低于BS700的許用應(yīng)力426 MPa，底架下槽板優(yōu)化后滿足強度要求。因此建議底架下槽板處增加焊接封板，避免結(jié)構(gòu)失效問題發(fā)生。

4 結(jié)語

通過運用有限元分析軟件，建立了起重機底架強度分析有限元模型，計算了各吊載工況的應(yīng)力分布，并對結(jié)構(gòu)強度不足區(qū)域進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，說明分析方法切實可行。通過對25 t起重機底架結(jié)構(gòu)強度分析，得出較大應(yīng)力部位出現(xiàn)在活動支腿與固定支腿搭接處，因接觸應(yīng)力及應(yīng)力集中，此處建議墊板材料升級為WELTEN950E（屈服強度≥900 MPa）。底架后段下槽板底部焊接工藝孔處應(yīng)力較大，通過增加封板可有效降低此處結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中，對實車結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有一定指導(dǎo)意義。