履帶式起重機臂架有限元分析

摘要：為了解決在傳統設計方法下履帶式起重機試制樣機成本高、設計效率低等弊端，應用CAE軟件ANSYS對SC50C液壓履帶式起重機的臂架進行建模與有限元分析，通過對臂架的強度校核，驗證了該型履帶式起重機設計方案的合理性，也驗證了有限元分析法的可行性。從而為履帶式起重機產品的設計、生產和制造提供理論依據。

關鍵詞：履帶式起重機；臂架； ANSYS軟件；強度分析

0 引言

履帶起重機是廣泛應用于國民經濟各領域的一種起重設備，隨著我國經濟建設的發展，對其需求量越來越大，對其性能的要求也越來越高。履帶式起重機臂架是履帶式起重機的重要組成部分，它是靠電動機驅動來完成物料吊卸的空間桁架結構，其設計水平的高低直接影響整機的工作性能。以前起重機設計多采用以力學與數學為基礎的半理論半經驗設計法，設計過程重復、周期長、精度低，設計出的產品粗大笨拙，已難以適應市場需要。而起重機臂架作為起重機的工作裝置，在起重機產品的設計內容中處于核心地位，其傳統的設計方法又往往是依據材料力學中的許用應力校核原理得出的，真正分析的對象僅僅是臂架結構的截面形狀和面積等參數。由于受工作量限制，該方法只能驗算幾個在理論上認為是危險的截面，計算的精度從建模開始就受到限制，不僅工作量很大并且具有一定的盲目性，已不能適應由激烈市場競爭造成的最短周期產品設計的要求。

目前國內外廣泛應用大型有限元軟件ANSYS對起重機的初始設計方案進行有限元分析，校驗設計方案中是否存在問題，為起重機設計提供理論基礎，從而使其結構參數符合起重機設計規范要求。采用有限元分析的方法進行機械產品的設計計算將會極大地提高設計效率、保證其設計質量。設計者只需借助通用有限元軟件建立模型并進行仿真分析，就能真實地反映機械產品的尺寸外形特征和工作過程，并進行各種類型的力學分析，盡早發現設計缺陷，從而有效地縮短研發周期，降低生產成本，使產品的結構和性能更加合理。本文應用有限元軟件ANSYS對履帶式起重機臂架結構進行快速校核分析。

1.臂架結構的載荷分析

結合相關設計標準和工程經驗，起重機臂架靜強度分析計算時需要考慮的主要載荷如下。

1.1.在變幅平面內，臂架為鉸接外伸梁，臂架與平臺相連處簡化為固定鉸支座，變幅鋼絲繩下鉸點處簡化為可動支座，外載荷包括吊重、臂架自重、變幅繩拉力、起升繩拉力，如下圖a所示。

1.2.在回轉平面內，臂架下端一側簡化為固定鉸支座，另一側簡化為可動鉸支座，外載荷包括風載、水平慣性力、回轉慣性力，如圖1所示。

2.臂架結構的有限元建模

以某公司生產的SC50C液壓履帶式起重機為例，在有限元分析軟件ANSYS中建立起重機臂架的有限元模型。建立的臂架金屬結構采用合金鋼，該材料的彈性模量E=206GPa，泊松比ε=0.3，屈服極限σs=770MPa，強度極限σb=（820～1000）MPa，臂架全長L=52m。

2.1.臂架結構的模型簡化

把轉臺、車架、履帶架等視為剛體，臂架的變形與底座無關；鋼管為均質，沒有制造偏差；鋼結構在彈性范圍內工作，彈性模量是常數，不考慮溫度的影響等。

2.2.臂架結構的單元類型

選擇合理的單元類型是整個有限元分析過程中至關重要的一步，直接關系到求解的成敗與求解質量的高低。單元類型選擇應采用的原則是：在一般部位，保證運算結果足夠精確的前提下，盡量選擇求解時系統耗時少的單元；在關鍵部位使運算盡可能精確。

下面簡述選擇理由和所選單元類型：

2.2.1.臂架主弦桿、腹桿是以彎曲和拉壓為主要變形的桿件，通常稱為梁，故將臂架的主弦桿、腹桿視為梁單元考慮，本文采用BEAMl88單元進行模擬。

2.2.2.板類結構一般按其平板內特征尺寸與厚度之比加以劃分：到L/h<（5—8）時為厚板，其力學行為與3D實體相同，應采用實體單元；當（5—8）

3）由于變幅繩只承受軸向拉力，故采用桿單元LINK8。

3.臂架結構施加載荷的方式

施加載荷的方式如下：

集中載荷：包括吊重、回轉時重物偏擺產生的水平載荷以及提升載荷等，施加在相應的軸心處。

均布載荷：主要指風載荷，按線載的方式施加到臂架梁單元上。

慣性載荷：包括重力、回轉時產生的慣性力等，以重力加速度和角加速度的形式施加到模型上。

4.計算結果與分析

4.1臂架變幅平面

4.1.1.臂架整體位移如圖2所示。

4.1.2.臂架平均應力云圖如圖3所示。

4.1.3.臂頭所受平均應力如圖4所示。

4.2.臂架回轉平面

4.2.1.臂架整體位移如圖5所示。

4.2.2.臂架平均應力云圖如圖6所示。

4.2.3.臂頭所受平均應力如圖7所示。

4.3.臂架靜載計算小結

靜載計算小結：基本臂的位移量δ數值<許用位移量[δ]數值，最大平均應力σ數值<材料許用應力[σ]數值， 臂架的最大應力處出現在臂架上端主弦桿與加強板焊接處的根部，由此可知基本臂在該工況下的位移與所受的最大應力均在許用范圍內。因此，基本臂在該工況下的強度可以滿足工作需要。

5.結語

本文運用ANSYS軟件對某公司生產的SC50C液壓履帶式起重機臂架鋼結構進行了建模，并結合實際受力特點施加等效的節點約束和各種載荷，對其進行靜強度，從理論上證實了有限元結構設計方案的可行性。因此用ANSYS軟件進行起重機臂架設計校核，可以使起重機設計者在虛擬設計階段就可以很方便地分析和修改設計方案，避免了傳統設計方法中昂貴耗時的物理樣機的制造，降低了生產成本，縮短了開發周期，有利于提高產品的設計質量和生產廠家的市場競爭能力。

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