楊鄂川,高 天,鄧國紅,韓 佳,覃 亮
(1.重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 重慶 400054;2.中國船舶重工集團(tuán)海裝風(fēng)電股份有限公司, 重慶 401123;3.重慶大江智防特種裝備有限公司, 重慶 401320)
全地形叉車是一種用于崎嶇路面下物資搬運(yùn)的特種叉車,該叉車能夠在路面條件較差的情況下,完成貨物的裝卸工作,具有快速、靈活、高效等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用較為廣泛[1]。伸縮臂作為全地形叉車的關(guān)鍵承載部件,其結(jié)構(gòu)的合理性是整機(jī)性能的關(guān)鍵。利用有限元軟件對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛強(qiáng)度分析,可以快速分析出結(jié)構(gòu)中可能存在的問題,為結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究提供依據(jù)。
目前,工程中對(duì)于伸縮臂類結(jié)構(gòu)的研究多采用有限元法進(jìn)行分析。李雄[2]以ANSYS為工具對(duì)某型高空作業(yè)平臺(tái)伸縮臂進(jìn)行有限元靜強(qiáng)度與變形分析,并使用Hyperworks的Optistruct模塊對(duì)該伸縮臂進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,最終確定出最佳截面尺寸。劉昊等[3]通過abaqus的二次開發(fā)語言建立某型伸縮臂結(jié)構(gòu)的參數(shù)化有限元網(wǎng)格模型,并將滑塊與伸縮臂之間建立綁定約束,分析出伸縮臂在工作時(shí)的應(yīng)力分布情況。王俊飛等[4]采用理論與有限元分析相結(jié)合的方法,對(duì)U型截面伸縮臂進(jìn)行屈曲分析,確定出伸縮臂截面參數(shù)中對(duì)屈曲臨界力影響最大的因素。Jia Yao等[5]通過有限元分析軟件,分別采用隱式法和顯式法對(duì)伸縮臂結(jié)構(gòu)在多向載荷作用下的扭轉(zhuǎn)屈曲特性進(jìn)行分析,并建立出有效預(yù)測伸縮臂臨界屈曲載荷的有限元分析框架??梢?,計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已在伸縮臂結(jié)構(gòu)的研究中的得到廣泛應(yīng)用,但在伸縮臂滑塊與臂筒的接觸問題上,多數(shù)研究忽略了滑塊與臂筒之間的摩擦接觸,并未模擬出實(shí)際接觸情況。雖然這種方法會(huì)使得模型迭代次數(shù)減少,收斂加快,但也在一定程度上降低了模型的精度。
此外,部分學(xué)者通過建立數(shù)學(xué)模型的方法對(duì)伸縮臂類結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,姜海勇等[6]將伸縮臂模型等效為剛性桿系統(tǒng),并建立拉格朗日動(dòng)力學(xué)模型準(zhǔn)確模擬出套疊臂體結(jié)構(gòu),為伸縮臂的抑振研究提供了基礎(chǔ)。楊帆等[7]以臂架結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小、整體穩(wěn)定性最大為目標(biāo),建立了2節(jié)箱形伸縮臂的模糊多目標(biāo)優(yōu)化模型。并結(jié)合遺傳算法求解得到2個(gè)優(yōu)化目標(biāo)不同權(quán)重下的Pareto解,為設(shè)計(jì)人員提供了多組設(shè)計(jì)方案。Pertsch等[8]針對(duì)高空作業(yè)車臂架結(jié)構(gòu)伸縮時(shí)的振動(dòng)特性,結(jié)合歐拉-伯努利梁方程與圣維南原理提出了一種基于部分狀態(tài)反饋的主動(dòng)減振控制方法,提升了臂架整體運(yùn)行的安全性。杜文正等[9]將伸縮臂簡化為更具一般性的懸臂梁,并基于梁振動(dòng)理論分析了臂節(jié)振動(dòng)特性。通過仿真與理論分析的對(duì)比,驗(yàn)證了理論分析結(jié)果的正確性,為伸縮臂類結(jié)構(gòu)安全性能分析,以及類似模型的簡化提供了參考。紀(jì)愛敏等[10]將臂架結(jié)構(gòu)等效為尾部鉸接中間彈性支撐,且?guī)в屑袇?shù)的變長度、變截面梁模型,并采用模態(tài)疊加法與Galerkin截?cái)喾ㄇ蠼獬霰奂苌炜s振動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng),驗(yàn)證了所建立模型的準(zhǔn)確性。由于數(shù)學(xué)建模方法多把伸縮臂簡化為多節(jié)懸臂梁,可以分析梁的變形和應(yīng)力分布。但從實(shí)際仿真結(jié)果來看,滑塊推抵接觸位置,應(yīng)力值往往較大,難以在數(shù)學(xué)模型中準(zhǔn)確體現(xiàn),并且本文涉及實(shí)際生產(chǎn)制造,故不適合采用常見的梁理論數(shù)學(xué)模型。
本文基于真實(shí)約束與接觸情況建立高精度有限元模型,完成了仿真分析,并采用實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真方法進(jìn)行驗(yàn)證?;谳p量化要求,以提升臂架結(jié)構(gòu)剛度為目標(biāo),進(jìn)行了截面參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在建立伸縮臂有限元模型時(shí),為準(zhǔn)確模擬滑塊與臂筒的接觸情況,利用建立接觸對(duì)的方式模擬滑塊與臂筒的摩擦接觸,以提高模型的準(zhǔn)確度。由于油缸的剛度與強(qiáng)度較大且并非伸縮臂結(jié)構(gòu)分析的關(guān)鍵部位,對(duì)于模型中的油缸做出適當(dāng)簡化,用剛性梁單元來模擬。通過這種有限元仿真方法不僅可以分析出結(jié)構(gòu)在各種工況下的具體受載情況,而且可以借助有限元建模與分析軟件直接對(duì)模型進(jìn)行修改和再分析,為結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)和改進(jìn)提供參考。
本文研究的全地形叉車伸縮臂為三節(jié)臂結(jié)構(gòu),其伸縮動(dòng)作是通過伸縮油缸以及鏈條傳動(dòng)完成的,伸縮形式為雙級(jí)同步伸縮。該伸縮臂主要由基本臂、一級(jí)臂、二級(jí)臂、貨叉、伸縮油缸等部件組成。貨叉總成通過其掛架與二級(jí)臂和掛鉤連接,可實(shí)現(xiàn)不同作業(yè)裝置的快速更換。該伸縮臂結(jié)構(gòu)整體安裝在車架支架上,其伸縮、變幅、貨叉翻轉(zhuǎn)、貨叉自動(dòng)調(diào)平等功能分別通過控制伸縮油缸、變幅油缸、翻轉(zhuǎn)油缸、調(diào)平油缸的動(dòng)作實(shí)現(xiàn),結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 伸縮臂結(jié)構(gòu)圖
伸縮臂各部分材料屬性定義如表1所示。
表1 伸縮臂材料屬性
為準(zhǔn)確校核叉車裝卸貨物時(shí)伸縮臂結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度,本文采用HyperMesh軟件對(duì)伸縮臂結(jié)構(gòu)建立高質(zhì)量有限元模型。伸縮臂結(jié)構(gòu)其臂筒的長度和寬度遠(yuǎn)大于其厚度,屬于典型的薄壁結(jié)構(gòu),在處理臂筒結(jié)構(gòu)時(shí),通常需要將該薄壁的體結(jié)構(gòu)簡化為面[11]。而在HyperMesh中對(duì)2D單元賦予厚度時(shí),軟件默認(rèn)的單元厚度是指零件幾何中面到上、下表面的距離之和,因此為準(zhǔn)確模擬零件的真實(shí)情況,需要通過midsurface面板完成對(duì)幾何模型中面的抽取工作。在中面上進(jìn)行殼單元網(wǎng)格劃分不僅使網(wǎng)格劃分變得簡單,而且對(duì)于模型中的細(xì)節(jié)部分更容易進(jìn)行幾何清理。
在對(duì)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),Quad4單元相比三角形單元,具有更高精度,也不易出現(xiàn)三角形單元帶來的單元?jiǎng)偦蛻?yīng)力集中。由于分析對(duì)象屬于小變形范疇,在一個(gè)單元的幾何空間內(nèi),不會(huì)出現(xiàn)較大應(yīng)變差異,故在畫網(wǎng)格時(shí),兼顧計(jì)算成本和精度,利用Quad4單元(4節(jié)點(diǎn)四邊形單元)對(duì)抽取出的中面進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并根據(jù)幾何模型實(shí)際情況對(duì)不同中面賦予不同的厚度。對(duì)于各級(jí)臂連接處的實(shí)體滑塊,利用Hex8單元(8節(jié)點(diǎn)六面體)對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于網(wǎng)格劃分的質(zhì)量對(duì)有限元分析結(jié)果有著極為重要的影響,因此建立的有限元模型應(yīng)保證網(wǎng)格無穿透且無畸形單元[12]。
與伸縮臂臂筒相連的油缸支座和加強(qiáng)件,大部分都屬于焊接在臂筒上的,本文針對(duì)這種焊接關(guān)系主要采用節(jié)點(diǎn)公用的方式來模擬。即利用HyperMesh中合并節(jié)點(diǎn)的功能,將零件需要焊接部位的節(jié)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)臂筒區(qū)域相互融合,并保證臂筒的節(jié)點(diǎn)仍處于臂筒的中面上。通常情況下,需要先把零件輪廓邊線投影到臂筒中面上,進(jìn)而保證對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分之后,焊接區(qū)域邊界上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)相同。
大約經(jīng)過半個(gè)小時(shí)的捶打,米糊就變得很細(xì)、很黏,媽媽把它從“大石碗”中小心翼翼地取出來,放入竹匾里,讓它稍微晾曬風(fēng)干。過了幾個(gè)小時(shí),奶奶和爺爺把糍粑從竹匾里取下來,切成一條一條的塊狀,還印上福字花紋,十分好看。
對(duì)于油缸以及銷軸部分用梁單元代替,在油缸伸縮桿與伸縮臂的連接處,根據(jù)實(shí)際約束情況設(shè)置為柱鉸約束[13]。方式為在對(duì)應(yīng)其柱鉸孔兩邊網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的剛體綁定點(diǎn)之間建立二維梁單元,單元類型為B33。之后在其梁中間節(jié)點(diǎn)與孔綁定點(diǎn)之間建立Rod桿單元,類型為CONN3D2,并設(shè)置連接類型為Hinge柱鉸連接,該連接單元約束了5個(gè)相對(duì)自由度,使得兩點(diǎn)之間只能沿其連線的方向發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)[14]。此外,考慮到螺栓約束處剛度較大,在螺栓孔處,螺栓連接的板件采用剛性單元模擬。根據(jù)吊臂的工作原理,在基本臂末端以及變幅油缸與車架連接處設(shè)置固定柱鉸約束,即只保留這2個(gè)位置繞X軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,進(jìn)而模擬吊臂在車架上的安裝情況。油缸以及吊臂末端的約束如圖2所示,圖中12356為已約束的自由度(123分別代表向XYZ三個(gè)方向平移的自由度,56分別代表繞YZ軸旋轉(zhuǎn)的自由度),保留自由度4(繞X軸旋轉(zhuǎn)自由度)。
圖2 約束情況
對(duì)于滑塊與臂筒的接觸問題,不能單純建立綁定約束來模擬兩者之間的關(guān)系,應(yīng)該建立接觸對(duì)來準(zhǔn)確模擬實(shí)際接觸情況?;瑝K一面是固定安裝在臂筒上,另一面則是與另一臂筒摩擦接觸。根據(jù)這種接觸情況,本文利用Abaqus軟件建立綁定約束來模擬滑塊安裝側(cè)的情況,并建立面對(duì)面的摩擦約束來模擬滑塊另一側(cè)的摩擦接觸。由于模型中不同位置的滑塊與臂筒的實(shí)際間隙并不相同,在設(shè)定摩擦接觸之前應(yīng)當(dāng)測量出各個(gè)滑塊與臂筒之間的間隙值,并在編輯接觸參數(shù)時(shí)候設(shè)定相應(yīng)的容差距離。該容差距離應(yīng)當(dāng)稍大于間隙值,以確保接觸能夠建立[15]。模型中有32個(gè)滑塊與伸縮臂相接觸,已按照模型實(shí)際情況建立接觸對(duì),摩擦因數(shù)為0.3,接觸對(duì)如圖3所示。
圖3 接觸情況
Abaqus具有強(qiáng)大的模型與載荷管理手段,可以為多任務(wù)、多工況下的仿真分析提供方便[16]。本文利用Abaqus從伸縮臂的3種伸縮狀態(tài):全伸出、半伸出和全縮回,來考慮載荷的施加。其中全伸出狀態(tài)下二、三級(jí)臂同步伸出2.3 m,半伸出狀態(tài)下二、三級(jí)臂同步伸出0.94 m。根據(jù)吊臂的伸縮狀態(tài),分別在吊臂頂端施加不同的載荷,并按照起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范,考慮1.25倍靜載[17],具體分析工況如表2所示。
表2 伸縮臂具體工況
本文主要是對(duì)伸縮臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,為方便載荷的施加,對(duì)于伸縮臂叉頭位置作出適當(dāng)簡化。即用reb2單元模擬載貨叉,且reb2的中心位置為載貨叉的質(zhì)心,各工況下的載荷均施加于該質(zhì)心位置。以工況一為例,具體有限元模型如圖4所示:
圖4 水平全伸出工況有限元模型
針對(duì)上述8種工況,在Abaqus6.14中對(duì)該叉車伸縮臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,將結(jié)果導(dǎo)入HyperView可直接得到伸縮臂Von Mise等效應(yīng)力結(jié)果。由應(yīng)力云圖可知,伸縮臂在受載時(shí),應(yīng)力較大區(qū)域發(fā)生在各級(jí)臂筒連接位置以及吊臂下方油缸支座位置。部分工況應(yīng)力云圖如圖5所示。
通過查看伸縮臂在各個(gè)方向上的位移分量Ux、Uy、Uz,可以計(jì)算出變幅平面(YOZ平面)的撓度,各工況下變幅平面內(nèi)撓度以及最大等效應(yīng)力的具體值,見表3所示。
圖5 伸縮臂有限元仿真應(yīng)力云圖
表3 不同工況下的撓度值及最大等效應(yīng)力值
由于伸縮臂結(jié)構(gòu)的特殊性,其變形量不只與承載后的臂筒彈性位移有關(guān),而且還與臂筒連接間隙以及其他部件變形有關(guān)[18]。該伸縮臂全伸狀態(tài)下總臂長為9.5 m,由起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范,可計(jì)算出伸縮臂在變幅平面內(nèi)的許用撓度為90.25 mm。由此認(rèn)為工況1、工況2下的撓度較大,應(yīng)當(dāng)對(duì)該吊臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,進(jìn)而增加其剛度使得變幅平面內(nèi)撓度值小于許用撓度。該型號(hào)叉車臂架選材為Q460C,屈服極限為460 MPa,根據(jù)載荷情況取安全系數(shù)為1.48,許用應(yīng)力為310.8 MPa。由有限元分析得到的最大等效應(yīng)力結(jié)果可知,最大應(yīng)力值為308.7 MPa,該伸縮臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。
圖6 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場及部分測點(diǎn)
對(duì)于各測試點(diǎn)的位置,本文根據(jù)有限元分析的結(jié)果優(yōu)先選擇應(yīng)力較大區(qū)域以及應(yīng)力集中區(qū)域作為測試點(diǎn)。其中A5、B2、B4、B5為伸縮臂下端滑塊與臂筒接觸位置的測點(diǎn),A6為伸縮臂上端與滑塊接觸位置的測點(diǎn),測點(diǎn)B3位于下端變幅油缸支座處,具體位置如圖7所示。
圖7 各測點(diǎn)位置示意圖
在測試點(diǎn)處粘貼應(yīng)變片之前,需要對(duì)各測點(diǎn)進(jìn)行打磨拋光,使得測試表面盡可能平整光滑以確保測試結(jié)果的可靠性[20]。實(shí)驗(yàn)采用無線靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)DH3819D對(duì)吊臂各測點(diǎn)進(jìn)行測試,該系統(tǒng)采集箱內(nèi)置無線通訊控制器,可準(zhǔn)確快速測量各個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)力值,并將測試結(jié)果儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)中。
工況1和工況7均為水平全伸出狀態(tài)下的工況,各測點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果如表4所示。
表4 水平全伸出工況有限元仿真與實(shí)測值
由于伸縮臂縮回后,部分測點(diǎn)位置發(fā)生變化,針對(duì)水平半伸出狀態(tài)下工況3和工況8,新增B4和B5兩個(gè)測點(diǎn),保留A1、A2、B3這3個(gè)測點(diǎn),各個(gè)測點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果如表5所示。
表5 水平半伸出工況有限元仿真與實(shí)測值
通過上述表格的數(shù)據(jù)可知,吊臂的在測點(diǎn)B3處的仿真應(yīng)力值最大,在測點(diǎn)A1處的仿真應(yīng)力值最小,并與實(shí)測值相吻合。除B4測點(diǎn)的誤差略大之外,其余測點(diǎn)的誤差均在相對(duì)合理的范圍內(nèi),且仿真值均十分接近實(shí)測值。這也證明了所建立有限元模型的準(zhǔn)確性,以及有限元建模方案合理性。該有限元模型可以反映出伸縮臂在實(shí)際工作中的受力情況以及結(jié)構(gòu)的真實(shí)特性,并且可在該模型基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)的優(yōu)化研究。
為增大伸縮臂截面抗彎能力,提升結(jié)構(gòu)整體剛度,從設(shè)計(jì)更改與制造更改成本考慮,選擇了對(duì)伸縮臂截面參數(shù)以及伸縮臂搭接量進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。由于這些優(yōu)化不涉及總布置(如油缸布局、車架布局等)更改,因此這些優(yōu)化在設(shè)計(jì)和制造中成本較低。具體優(yōu)化方式為利用HyperMesh軟件直接對(duì)伸縮臂有限元模型的截面形狀進(jìn)行修改,通過增減截面在高度和寬度方向上的網(wǎng)格數(shù)量,并移動(dòng)和融合模型,來實(shí)現(xiàn)截面參數(shù)的改變。
本文考慮2種優(yōu)化方案,在優(yōu)化方案1中,截面高度相比原截面增加20 mm,在伸縮臂伸出總長度不變的前提下,二、三級(jí)臂的搭接量增加60 mm,最終伸縮臂總質(zhì)量增加1.8%。該方案在工況1下的有限元分析結(jié)果表明,回轉(zhuǎn)平面內(nèi)撓度值降低為96.8 mm,相比原始模型降低11%,但仍未小于許用撓度,因此還需要進(jìn)一步的優(yōu)化。
方案2在方案1的基礎(chǔ)上,臂筒截面高度上再增加30 mm,并增大了圓角半徑。同時(shí)為使伸縮臂總質(zhì)量不過多增長,伸縮臂截面寬度減少10 mm。優(yōu)化后伸縮臂總質(zhì)量增加3.8%,各方案截面形狀如圖8所示,其中W為截面寬度,H為截面高度。另外,考慮到工況8在第1次計(jì)算時(shí),油缸支座底板位置應(yīng)力值較為接近許用應(yīng)力,故在對(duì)該工況優(yōu)化計(jì)算時(shí)候?qū)⒂透字ё装搴穸扔?2 mm增加至14 mm。
圖8 截面形狀
對(duì)優(yōu)化方案2的伸縮臂模型,導(dǎo)入有限元分析軟件進(jìn)行分析。將優(yōu)化后各工況分析結(jié)果導(dǎo)入后處理軟件,并與原始工況進(jìn)行對(duì)比,伸縮臂的最大等效應(yīng)力和變幅平面內(nèi)的撓度值如表6所示。
表6 伸縮臂性能優(yōu)化前后
根據(jù)表6可知,經(jīng)過方案2優(yōu)化后的伸縮臂在變幅平面內(nèi)的撓度明顯降低,且均小于許用撓度90.25 mm,最大降幅達(dá)到25.6%。由于吊臂總質(zhì)量有少量增加,前7種工況下吊臂最大等效應(yīng)力略有增加(增幅小于2.5%),但各工況最大值仍小于許用應(yīng)力,增幅處于合理范圍內(nèi)。工況8由于油缸支座底板位置加強(qiáng),最大等效應(yīng)力明顯降低,因此將該位置的加強(qiáng)納入最終優(yōu)化方案。
本文應(yīng)用Abaqus仿真軟件,對(duì)不同工況下伸縮臂的強(qiáng)度與剛度進(jìn)行分析,得出該伸縮臂的應(yīng)力與位移結(jié)果。仿真結(jié)果中各工況下最大等效應(yīng)力值在合理的范圍內(nèi),且與實(shí)車實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。這也表明所建立有限元模型的準(zhǔn)確性以及有限元建模方案中對(duì)于單元類型的選擇、摩擦接觸的處理、伸縮油缸的簡化和模型中各部分連接與約束是合理的。
本文從伸縮臂截面參數(shù)和搭接量入手,對(duì)伸縮臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的伸縮臂在額定工況下,變幅平面的撓度均降低20%左右,小于許用撓度值,為其他類似結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了參考。