牽引車吊具的設計與有限元分析

常喜慶

（泰安航天特種車有限公司，泰安 271000）

牽引車吊具的設計與有限元分析

常喜慶

（泰安航天特種車有限公司，泰安 271000）

文章以某型號牽引車為例，進行整車吊具的設計，利用ANSYSWorkbench軟件進行吊具的強剛度特性分析，并基于分析結果對吊具進行優化。通過實際的吊裝試驗及應用，結果表明該吊具的設計有效可行。

牽引車吊 具有 限元分析

隨著經濟的快速發展，整車裝船出口越來越多，裝船用整車吊具的需求量越來越大，本文根據專用吊具的要求，結合實際工況，設計了一套重型越野牽引車專用吊具，并利用ANSYSWorkbench軟件對吊具進行了有限元分析，找出了吊具在極限載荷下的高危區域，并對吊具進行了優化，確保吊具的安全性。最后通過實際吊裝試驗及應用，驗證了該吊具設計及有限元分析的正確性。

1 工況介紹及吊具結構確定

此次吊裝的整車質量12900Kg，吊裝采用吊裝限位帶包裹車輪的形式起吊整車，保證起吊過程不過度拉伸車輛懸架系統，上部起吊框架長4340mm×3260mm,防止起吊框架下部連接吊帶包裹駕駛室，如圖1所示。

圖1 吊裝示意圖

起吊框架主梁用22#結構用冷彎矩形空心型鋼，主梁的結構如圖2所示。

圖2 主梁結構尺寸圖

2 基于ANSYSWorkbench軟件的吊具有限元分析

在設計過程中，吊具的強度、剛度和穩定性是必須要考慮的因素，利用ANSYSWorkbench軟件對吊具進行有限元分析，找到吊具易失效的部位并進行加強，保證吊具的安全性。

2.1 有限元模型的建立

建立有限元模型首先要對結構進行離散化處理，將彈性體離散成有限個微小單位dV=dxdydz。根據彈性力學，建立彈性體內的任意微小單位的應力，應變和位移之間的方程如下[1]:

應變ε與位移δ關系為：

應力σ與應變ε的關系為：

式中：[D]為彈性矩陣；{σ}為單元內任意點處的應力矩陣。

單元剛度矩陣[k]e可表示為：

式中：[F]e為單元節點載荷矩陣。

在已建立的各個單元剛度方程的基礎上，集成得到整體剛度方程：

式中：[F]為載荷矩陣；[K]為整體剛度矩陣；[δ]為整體節點位移矩陣。

解方程式（5），從而得到個節點位移。根據求得的節點位移，代入式（1）、式（2）即可得出應變和應力。

本文利用ANSYSWorkbench有限元分析軟件進行分析。ANSYS Workbench是ANSYS新一代多物理場協同分析產品，它將設計、仿真、優化集成于一體，極大的提高了設計研發的效率[2]。

2.2 建立三維模型及有限元分析約束載荷確定

利用三維軟件SolidWorks軟件建立的起吊框架如圖3所示[3]。

圖3 起吊框架三維圖

選用ANSYSWorkbench軟件中的static structural模塊進行分析[4]，由于吊耳是主要的受力部件，因此網格劃分時吊耳的進行網格細化處理，主框架劃分粗網格[5]。如圖4所示。

圖4 模型的網格劃分

建立4吊耳上部吊孔的圓柱約束，4吊耳下吊孔受拉，因此建立4吊耳下部吊孔的軸承力。整車吊具采用下部包裹車輪的形式，因此起吊框架前端兩下吊孔軸承力相當于整車前軸軸荷，后端兩下吊孔軸承力相當于后軸軸荷。起吊框架約束及載荷情況如圖5所示。

圖5 模型的結構載荷及約束

2.3 分析結果及優化

分析結果如圖6所示，最大應力在兩前吊耳下吊孔處，達到194.89Mpa，吊耳的材料為Q345B，為塑性材料[6]，塑性材料的許用應力為：

Q345B屈服應力的σs為345Mpa，塑性材料ns=1.2～2.5，吊具對安全性要求較高，因此ns取2.5，則

最大應力194.89MPa大于許用應力138MPa。

圖6 應力分析圖

為保證吊具的安全性，現需對吊具進行優化，現將吊耳板厚由12mm增至20mm，得到的分析結果如圖7和圖8所示。

優化后最大應力115.76Mpa小于許用應力138Mpa。優化后的變形量0.03mm，變形量很小，因此起吊框架設計安全。

圖7 結構優化后的應力分析圖

圖8 結構優化后的位移分析圖

3 結語

本文針對某型整車設計了整車吊具，利用ANSYSWorkbench軟件對起吊框架進行分析，找到初步方案中的危險區域，優化后吊具設計安全，利用ANSYSWorkbench軟件降低了設計風險，提高了設計效率，降低了成本。

此套吊具先進行了實車20分鐘試吊試驗，驗證安全后很好的完成了吊裝任務。

[1]劉國慶，楊慶東.Ansys工程應用教程[M].北京：中國鐵道出版社，2003.

[2]李兵，何正嘉，陳雪峰.ANSYSWorkbench設計.仿真與優化[M]．北京：清華大學出版社，2008.

[3]劉昌麗，康士廷.SolidWorks 2011中文版鈑金與焊接設計從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2011.

[4]凌桂龍，丁金濱，溫正.ANSYSWorkbench13.0從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2012.

[5]許京荊.ANSYS 13.0 Workbench數值模擬技術[M].北京：中國水利水電出版社，2012

[6]劉鴻文.材料力學[M].北京:高等教育出版社，2004.

The Desi gn and Finite-element Analysis of Lifting Tool of Tractor

CHANG Xiqing
（Taian Spaceflight Special Vehicle Co.,Ltd.,Taian 271000）

In this paper, a lifting tool for a certain type of tractorwas designed. The strength and stiffness of the lifting tool wereanalysed by using ANSYSWorkbench software. The lifting tool wasoptimized by using the analysis results. The design of lifting tool waseffective and feasible by practical examination and application.

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