汽车起重机副臂结构的有限元分析

汽车起重机

第20卷第5期2006年9月山东理工大学学报(自然科学版)

JournalofShandongUniversityofTechnology(Sci&Tech)Vol.20No.5Sep.2006

文章编号:1672-6197(2006)05-0051-05

沈法鹏1,(1.山东理工大学淄博255049;

2.,大连116024)

摘　要:ANSYS中的接触对模拟副臂臂节间搭接处的接触问题,建立,并进行非线性分析计算,得到结构变形和应力分布,验证了结构的刚度和强度能够满足要求.该方法不仅可以应用于汽车起重机副臂结构的设计计算,并可为其他接触问题提供解决方法.

关键词:汽车起重机;副臂;接触分析中图分类号:TH215文献标识码:A

Thefiniteelementanalysisofmobilecraneflyjib

SHENFa2peng1,WANGJian2

(1.SchoolofTrafficandVehicleEngineeringShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China;

2.DepartmentofPower,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

Abstract:Theentitativestructuremodelofmobilecraneflyjibissetupanditscontactprob2lemsissimulatedwithfiniteelementanalysissoftwareANSYS.Theflyjib’sstiffnessandstrengthisindicated.Thismethodcanbeusedindealingwiththefiniteelementanalysisofmobilecraneflyjibandothercontactproblems.Keywords:mobilecrane;flyjib;contactanalysis

　　汽车起重机的主臂因受其自身伸缩机构布置困难、自重大等因素的影响,以及转场过程中,对汽车行驶灵活性的客观要求,其主臂长度受到很大限制,一般情况下主臂节数限制在5节以内,主臂最大起升高度限制在50m以下.为适应工程实际中对起重机大吊幅、高起升高度的要求,常采用在起重机主臂上增设副臂来解决.副臂作为主臂的补充和发展,有效地提高了起重机的工作幅度和起升高度.由于其受力大、工作条件恶劣、结构

复杂,又要求自身重量轻、工作可靠,因此,对其进

行准确的结构分析非常重要.

随着有限单元法理论的日益完善和计算机技术的迅速发展,汽车起重机副臂计算分析结果的精确度也越来越高.最初的设计计算常把副臂视为一个整体,依据整体或局部约束条件分析其刚度、截面强度及局部稳定性[1].目前,起重机副臂的计算分析多采用静力等效方法将桁架副臂简化为三维空间梁单元结构,应用有限单元法进行结

收稿日期:20060104

作者简介:沈法鹏(1979),男,硕士研究生.

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构离散化[2];对箱形副臂的研究较少,箱形主臂有限元分析多采用板壳单元离散化[3,4].可以看出,在以往简单的结构计算分析过程中,人们常把复杂臂架的空间结构简化为一个整体进行分析计算;而目前桁架副臂的分析也仅通过静力等效方法转换为多个梁单元的组合体.在这种经过简化后的模型中无法准确反映臂架实际结构的变形和应力分布,特别是桁架臂与箱形臂组成的臂节间搭接处相互作用下的结构变形和应力分布.节或2节以上组合式副臂,分,,利用ANSYS软件强大的模型建立功能处理臂节间搭接处的接触问题.通过实例计算分析,不仅对副臂结构进行了强度和刚度分析,而且还得到臂节间搭接部分相互作用下的结构应力分布和变形以及各主弦杆在不同工况下轴向应力的变化,为起重臂的设计计算提供参考依据.

2　.,箱形结构相对桁架结构有工艺简单、成本低的特点.因此,副臂的顶节吊

臂多采用薄板对焊的箱形结构.2节副臂通过搭接部分相互作用.搭接部分为箱形结构,与桁架副臂焊接在一起,起到导向和承载作用,如图3所示.搭接部分通过销钉约束箱形副臂的轴向位移;旋转平面内的钢板则承受箱形副臂压力作用下的弯矩作用;变幅平面内的钢板限制箱形副臂的扭转.因此,搭接部分起到传递2节副臂之间弯曲、扭转和轴向力的作用,受力复杂,与结构分析计算准确性有直接的关系.

组合式副臂是由主弦杆、腹杆以及薄板件等焊接而成的空间结构.目前对于这种大型复杂的空间结构来说,通过结构离散化对其结构强度和刚度进行数值模拟分析是最佳的选择

.

1　副臂结构

起重机副臂的结构形式较多,通常由桁架臂、箱形臂为基体组合而成.其主要结构组合形式:(1)多节桁架结构组成的副臂;(2)第一节为桁架臂,其余臂节为桁架臂与箱形臂组成的副臂.1.1　桁架结构[5]

由杆件组成桁架结构的方法比较多,具体样式则依据结构和工况的不同而有所变化.汽车起重机上常用的桁架结构形式为人字形腹杆体系桁架,其结构如图1所示.人字形腹杆体系桁架的腹杆和节点的数量少,容易使用间隙接头,腹杆可以更好地利用闭口截面的受压特性,材料利用较为充分,节点杆件少,易于连接,且比较经济.其腹杆与主弦杆连接形式如图2所示

.

图3　搭接部分工作简图

2　副臂有限元模型的建立

2.1　单元选择

图1　

人字形腹杆体系桁架图

在工作过程中,各主弦杆与腹杆将受到力和

弯矩的作用,发生弯曲和扭转等变形.Beam188梁单元[6]是基于Timoshenko梁原理建立的,是拉伸、压缩、扭转和弯曲变形的单轴单元,在单元中考虑了剪应变的影响,适合于线性或大应变非线性分析.Beam188可通过SECTYPE,SECDA2TA等定义梁的横截面,具有强大的绘制梁单元截面立体图的功能,根据杆件截面尺寸定义的梁

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单元可真实地反映杆件结构形式.Beam188可以用于弹性、蠕变和塑性材料模型.

箱形结构由薄板对焊而成,应该视为板壳模型.箱形结构薄板选用Shell63[3]板壳单元离散.Shell63是一种4节点线弹性单元,它遵循基尔霍夫假定,即变形前垂直中面的法线变形后仍垂直于中面,可以同时考虑弯曲变形及中面内的膜力,可以真实地描述副臂受载情况.2.2　搭接部分的处理

如上文箱形结构所述,曲、.,是实体建模的关键,在.接触问题是一种高度非线性行为.为了进行有效的计算,首先要理解问题的特性,使建立的模型更加合理.

在接触非线性分析中,主要解决以下2个问题:一是接触区域内表面之间随载荷、材料、边界条件等其他因素作用下的接触或分开.工作过程中,引起扭转的因素比较多,如回转、制动、结构自重和风载荷等.因此,板间何时、何处发生扭转作用则是由当时的工况所确定.二是摩擦问题,板间接触需要计算摩擦,ANSYS中有7种摩擦类型供选择,分别为standard,rough,noseparation,bonded,noseparation(always),bonded(always)和bonded(initialcontact),它们都是非线性的.如板间切线方向上存在着相对位移,其摩擦为板间的相互作用,这种法线方向相互约束的接触问题可以选择standard定义表面间的接触问题.

接触问题分为2种基本类型:刚体—柔体的接触,柔体—柔体的接触.在刚体—柔体的接触问题中,刚度较大的接触面被当作刚体,如一种软材料和一种硬材料接触时,问题可以被模拟为刚体—柔体的接触;另一类,柔体—柔体的接触,用于定义有近似刚度的变形体之间的接触问题.ANSYS应用程序支持3种接触方式[7]:点—点、点—面、面—面、每种接触方式都有相应的接触单元适用于该类问题.如面—面接触单元,对应组元是梁单元、壳单元或实体单元,有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的接触对,接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元.“目标”面可用单元Targe169和Targe170来模拟2D和3D的目标“,接触”面可用单元Conta171,Con2

ta172,Conta173,Conta174来模拟.一个目标单

元和一个接触单元叫做一个“接触对”,程 …… 此处隐藏：6362字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……