摘要：為分析車載移動式拉臂鉤在使用過程中的受力情況，提出基于ANSYS的車載移動式拉臂鉤模態(tài)分析方法。該方法以拉臂式壓縮垃圾車的實際結(jié)構(gòu)和參數(shù)為例，采用UG軟件構(gòu)建移動式拉臂鉤3D模型，將該模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，并利用該軟件分析車載移動式拉臂鉤在裝箱過程中的受力情況；對移動式拉臂鉤在使用過程中產(chǎn)生的固有振動特性，如振型、固有頻率以及阻尼比等振動特性參數(shù)以及受力進(jìn)行分析；進(jìn)一步優(yōu)化移動式拉臂鉤結(jié)構(gòu)，降低移動式拉臂鉤的集中應(yīng)力，提升其使用壽命。

關(guān)鍵詞：ANSYS；車載移動式；拉臂鉤；模態(tài)分析；應(yīng)力分布；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：TP391 收稿日期：2023-06-13

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.018

1 前言

拉臂式壓縮垃圾車由于具有容量大、密封性較好且自動化能力高等特點，成為垃圾收集和運輸?shù)闹饕ぞ?。它主要由汽車底盤、車箱以及拉臂等部分組成，其中移動式拉臂是垃圾車上的重要部分[1]，其主要作用是支撐車箱的升降，完成車箱內(nèi)垃圾的裝卸工作。因此，垃圾在裝卸過程中，拉臂則需承載車箱的作用力[2]，包含垃圾重力、慣性力、壓縮力、摩擦力等，拉臂在不同的作用力下，會導(dǎo)致其在不同位置發(fā)生不同的受力變化，從而對拉臂的結(jié)構(gòu)造成不同程度的影響[3]，并且形成不同模態(tài)，對于拉臂的整體應(yīng)用性能和使用壽命均存在一定影響[4]。

ANSYS屬于一種大型通用、多用途的有限元分析軟件，它具有較好的應(yīng)用效果，能夠和計算機(jī)軟件接口連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交互，能夠完成結(jié)構(gòu)計算、流體分析等[5]。該軟件主要包含三個部分，即前處理模塊、分析計算模塊、后處理模塊，通過三個模塊的結(jié)合，完成結(jié)構(gòu)的靜力分析、動力學(xué)分析、非線性分析等[6]。本文為掌握拉臂鉤的使用情況，分析車載移動式拉臂鉤結(jié)構(gòu)在不同作用力下的受力情況以及模態(tài)變化，以確保拉臂鉤的使用效果，并提出基于ANSYS的車載移動式拉臂鉤模態(tài)分析方法。

2 車載移動式拉臂鉤模態(tài)分析

2.1 車載移動式拉臂鉤3D模型構(gòu)建

2.1.1 車載移動式拉臂鉤結(jié)構(gòu)性能參數(shù)

為分析車載移動式拉臂鉤模態(tài)情況，本文選擇城市生活垃圾收集和運輸普遍使用的拉臂式壓縮垃圾車為例，其外觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。該垃圾車的相關(guān)性能參數(shù)如表1所示。

2.1.2 基于UG的車載移動式拉臂鉤3D模型構(gòu)建

確定研究對象后，為精準(zhǔn)完成其模態(tài)分析，本文采用UG軟件構(gòu)建拉臂鉤3D模型[7]。UG軟件集設(shè)計和加工為一體，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的無縫集成。因此采用該軟件進(jìn)行移動式拉臂鉤3D建模，能夠直觀、精準(zhǔn)描述該結(jié)構(gòu)的零件的形狀以及裝配關(guān)系[8]。

采用UG軟件對移動式拉臂鉤3D模型進(jìn)行構(gòu)建，主要包含成形特征、特征操作、特征編輯等工作，以車載移動式拉臂鉤的性能參數(shù)為基礎(chǔ)，通過拉伸、回轉(zhuǎn)等工具以及參數(shù)化設(shè)計等，精準(zhǔn)完成拉臂鉤結(jié)構(gòu)形狀的創(chuàng)建。在創(chuàng)建過程中，可結(jié)合設(shè)計需求，進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)增加、刪除、恢復(fù)以及修改等，以此能夠保證模型的構(gòu)建效果，并且該軟件的參數(shù)化處理功能能夠更加高效地完成移動式拉臂鉤參數(shù)的處理[9]。除此之外，該軟件具有強(qiáng)大的實體造型、虛擬裝配等功能，在模型構(gòu)建過程中，該軟件可進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動力學(xué)分析以及仿真模擬。

車載移動式拉臂鉤屬于一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，在建模過程中，UG軟件將其劃分成數(shù)個部分完成，以此降低模型的構(gòu)建難度、提升模型的構(gòu)建精度；同時可保證構(gòu)建模型的各個部分、相對位置、裝配情況等均和實際物體吻合；在此基礎(chǔ)上，利用布爾運算完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D實體構(gòu)建[10]。本文采用UG軟件構(gòu)建的拉臂鉤3D模型，如圖2所示。

該模型在構(gòu)建過程中，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度較高的部分則可采用綜合處理方式完成，例如曲面造型和掃掠等，通過曲面造型功能能夠完成各個曲面縫合形成實體；在此基礎(chǔ)上，將其和其他部分進(jìn)行布爾和運算。在構(gòu)建過程中，支座類部件基體的構(gòu)建采用拉伸特征完成，筒體類零件基體則采用旋轉(zhuǎn)和拉伸特征進(jìn)行構(gòu)建。

完成車載移動式拉臂鉤3D模型構(gòu)建后，為保證模型的精準(zhǔn)性，本文對構(gòu)建的3D模型進(jìn)行干涉檢查，依據(jù)該檢查分析各個結(jié)構(gòu)之間的接觸干涉情況。同時對模型的尺寸進(jìn)行一定范圍內(nèi)的調(diào)整，保證所構(gòu)建的模型滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 基于有限元的車載移動式拉臂鉤受力分析

2.2.1 3D模型導(dǎo)入

通過上文完成車載移動式拉臂鉤3D模型構(gòu)建后，進(jìn)行其受力分析，由于車載移動式拉臂鉤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致其受力情況復(fù)雜，不同結(jié)構(gòu)在力的作用下，會發(fā)生差異性的應(yīng)力情況。因此本文為保證移動式拉臂鉤受力情況的分析效果，將構(gòu)建的移動式拉臂鉤3D模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，利用該軟件進(jìn)行車載移動式拉臂鉤受力分析。

ANSYS軟件在進(jìn)行移動式拉臂鉤受力分析時，針對不同結(jié)構(gòu)選擇特性不同的單元，文中結(jié)合移動式拉臂鉤受力特點，選擇體單元進(jìn)行模型的網(wǎng)格劃分。除此之外，在進(jìn)行受力分析前，需定義移動式拉臂鉤材料屬性，主要包含材料密度、泊松比、楊氏模量等。由于移動式拉臂鉤由槽鋼和鋼板組成，固定支座、伸縮套等部分由方形管組成，并且各個組成部分的材料屬性幾乎一致，因此本文在進(jìn)行受力分析時，設(shè)定的材料密度為7 846.9 kg/m3、泊松比為0.3，楊氏模量為198 GPa。

確定材料屬性后，對移動式拉臂鉤3D模型網(wǎng)格劃分時采用Generate Mesh完成，劃分后的模型中共包含178 665個節(jié)點、116 650個單元，其中接觸單元、彈性單元以及實體單元的數(shù)量分別為42 997個、1 336個和72 050個。網(wǎng)格劃分后的臂鉤3D模型如圖3所示。

完成網(wǎng)格劃分后，為保證模型的分析精度，需設(shè)定約束條件，以此保證模型分析過程中，移動式拉臂鉤能夠按照設(shè)計要求進(jìn)行運行。文中主要設(shè)定該模型的邊界約束，即拉臂各個剛體之間均設(shè)定轉(zhuǎn)動副。

完成約束條件的設(shè)定后，在固定座和伸縮套筒之間設(shè)置滑動摩擦力，兩者之間的約束會自動生成默認(rèn)連接約束，并且結(jié)構(gòu)之間的摩擦因數(shù)設(shè)為0.45。

2.2.2 有限元分析公式

通過上述模型，進(jìn)行移動式拉臂鉤的受力分析，文中主要針對整體受力情況、鉤臂受力情況、抓鉤受力情況以及支座受力情況進(jìn)行分析。

如果移動式拉臂鉤模型在空間內(nèi)的任意一點位移均可投影至x、y、z三個方向，此時應(yīng)力和體力分量之間的平衡方程為：

2.3 移動式拉臂鉤受力分析

通過上文完成移動式拉臂鉤網(wǎng)格劃分后，結(jié)合實際工程使用中的特性對移動式拉臂鉤的支座、拉臂、拉臂鉤以及整體結(jié)構(gòu)在裝箱過程中的受力情況進(jìn)行分析。該工況在測試時，在拉臂鉤手處施加拉力，在固定支座和副車連接的主旋轉(zhuǎn)軸、液壓缸以及固定支座連接處外側(cè)施加約束。

2.3.1 固定支座受力分析

點擊ANSYS軟件中三維Slolve操作，對劃分完成的網(wǎng)格載荷和約束，分析模型的應(yīng)力應(yīng)變情況。獲取固定支座在裝箱過程中的受力分析，受力結(jié)果如圖4所示。

依據(jù)圖4所示的試驗結(jié)果可知：在裝箱過程中，固定支座應(yīng)力主要集中在固定支座和舉升液壓缸連接的套管處，表示在裝箱過程中，該位置的受力最大。

2.3.2 拉臂受力分析

在裝箱過程中，拉臂的受力情況如圖5所示。

依據(jù)圖5所示的試驗結(jié)果可知：在裝箱過程中，拉臂的應(yīng)力主要集中在鉤手位置上，應(yīng)力分布情況不均勻，存在明顯的集中情況，該情況是由于垃圾箱重力對拉臂形成的作用力導(dǎo)致的。

2.3.3 拉臂鉤受力情況分析

拉臂鉤在受力情況下的應(yīng)力情況如圖6所示。

依據(jù)圖6所示的試驗結(jié)果可知：在裝箱過程中，拉臂鉤受力后，應(yīng)力主要集中在拉臂鉤底部和拉臂上部分的固定連接處；但是拉臂鉤的底部位置的應(yīng)力分布情況相對較為均勻，沒有發(fā)生顯著的過應(yīng)力以及應(yīng)力集中明顯區(qū)域。

2.3.4 移動式拉臂鉤整體受力分析

移動式拉臂鉤在受力情況下，其整體的應(yīng)力情況如圖7和表2所示。

依據(jù)圖7和表2所示的試驗結(jié)果可知：在裝箱過程中，移動式拉臂鉤整體的應(yīng)力分布在拉鉤和拉臂上，其中最大應(yīng)力值位于結(jié)構(gòu)的固定銷軸的切口邊緣處，此處的應(yīng)力最大值達(dá)到558.9 MPa，固定座的應(yīng)力最小，為119.7 MPa。

2.4 車載移動式拉臂鉤優(yōu)化方案

結(jié)合上文的受力分析結(jié)果可知：移動式拉臂鉤在使用過程中，拉鉤和固定拉臂的銷軸位置發(fā)生較為明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，該情況會導(dǎo)致該位置在循環(huán)運行過程中發(fā)生不均衡的受力，從而導(dǎo)致其發(fā)生超過允許的磨損，影響車載移動式拉臂鉤的整體使用壽命。本文針對該情況，對車載移動式拉臂鉤結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部優(yōu)化。在優(yōu)化過程中，為保證優(yōu)化效果，結(jié)合模態(tài)分析結(jié)果完成。以模態(tài)分析獲取的車載移動式拉臂鉤模態(tài)參數(shù)為依據(jù)，為其整體結(jié)構(gòu)的振動特性、結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化提供參考，同時優(yōu)化有限元分析模型，以此保證車載移動式拉臂鉤的使用情況滿足行業(yè)使用標(biāo)準(zhǔn)。

2.4.1 模態(tài)分析原理

車載移動式拉臂鉤屬于一種機(jī)械結(jié)構(gòu)，該類結(jié)構(gòu)在使用過程中，會產(chǎn)生固有的振動特性，例如振型、固有頻率以及阻尼比，模態(tài)分析指的是通過試驗或者計算等獲取上述振動特性參數(shù)。

車載移動式拉臂鉤結(jié)構(gòu)在設(shè)計時，對其進(jìn)行模態(tài)分析能夠掌握結(jié)構(gòu)在不同動載作用下的響應(yīng)情況，同時可為移動式拉臂鉤在動力中的狀態(tài)分析提供依據(jù)。

模態(tài)分析的有限元方程表達(dá)式為：

[F（t）=Mu+Cu+][K][u] （4）

式中，[F（t）]表示作用力向量；[M]表示質(zhì)量矩陣；[u]和[t]分別表示位移向量和時間；[M]和[K]均表示矩陣，前者對應(yīng)阻尼，后者對應(yīng)剛度。

如果移動式拉臂鉤結(jié)構(gòu)處于自動振動狀態(tài)下，則式（1）的結(jié)果等于0，此時不考慮阻尼的影響，則式（1）可簡化為：

[Mu+Ku=0] （5）

如果移動式拉臂鉤結(jié)構(gòu)處于自動振動狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)中各個點作簡諧振動，則公式（1）可轉(zhuǎn)換成：

[（K-ω2）u=0] （6）

式中，[ω]表示特征向量[u]的特征值，依據(jù)該公式即可獲取車載移動式拉臂鉤在各階下的固有頻率和振型。

2.4.2 優(yōu)化方案

詳細(xì)優(yōu)化方案如下所述：

優(yōu)化1：優(yōu)化固定銷軸的結(jié)構(gòu)，將銷軸中間位置的切槽取消，使其形成不存在切槽的圓柱體，并且利用小過盈完成拉臂上部分和鉤手之間的連接。

優(yōu)化2：在零件輕量化設(shè)計的需求下，降低移動式拉臂鉤整體質(zhì)量，以此降低其在使用過程中的構(gòu)件之間的集中應(yīng)力，設(shè)定保證移動式拉臂鉤變形量最小作為整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)，即移動式拉臂鉤剛度最大化，同時設(shè)定移動式拉臂鉤體積為約束條件，設(shè)計變量即為移動式拉臂鉤結(jié)構(gòu)的各個小單元密度。

通過上述的優(yōu)化1的方案優(yōu)化后，獲取裝箱過程中優(yōu)化后固定銷軸的應(yīng)力分布結(jié)果，如圖8所示。

依據(jù)圖8的試驗結(jié)果可知：按照優(yōu)化1的方案優(yōu)化后，固定銷軸的應(yīng)力集中情況顯著降低，應(yīng)力最大值為496.7 MPa，明顯低于結(jié)構(gòu)優(yōu)化前固定銷軸的應(yīng)力結(jié)果。

采用優(yōu)化2的方案進(jìn)行優(yōu)化后，獲取裝箱過程中，移動式拉臂鉤的整體應(yīng)力分布情況，其結(jié)果如圖9和表3所示。

依據(jù)圖9和表3的試驗結(jié)果可知：對移動式拉臂鉤整體質(zhì)量進(jìn)行輕量化設(shè)計后，其最大應(yīng)力為拉臂下端位置，但是分布相對較為均勻；并且移動式拉臂鉤各個部分的應(yīng)力分布情況明顯降低，應(yīng)力結(jié)果明顯低于表2中優(yōu)化前的應(yīng)力結(jié)果。

3 結(jié)語

為分析車載移動式拉臂鉤的受力情況，掌握其在使用過程中的使用磨損情況，本文提出基于ANSYS的車載移動式拉臂鉤模態(tài)分析方法。該方法通過構(gòu)建車載移動式拉臂鉤模型以及網(wǎng)格化處理后，分析車載移動式拉臂鉤在裝箱過程中的受力情況，并對該情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以此提升車載移動式拉臂鉤的使用情況，降低集中應(yīng)力。

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作者簡介：

詹曉華，男，1982年生，副教授，研究方向為智能制造、特種專用設(shè)備制造及特種車輛技術(shù)。