基于ANSYS 裝載機搖臂仿真分析與輕量化設計

魏抗抗,張寒杉,吳承鑫,畢 方

(龍工上海機械制造有限公司，上海 201612)

0 引言

搖臂作為裝載機工作裝置的重要組成部分，是裝載機的核心組成部件之一。由于裝載機的工作環境大多比較惡劣，工況也比較復雜，因此結構件特別是搖臂失效的概率相對較大[1]。為了降低裝載機搖臂的故障率，提高裝載機在土方作業時的可靠性以及工作效率，有必要對搖臂進行極限工況下的仿真分析以及結構優化設計。同時，考慮到整機的質量以及生產成本等因素，要求在保證搖臂強度的基礎上對其進行輕量化設計。

1 搖臂的受力分析

裝載機的作業工況多達14種，且包含一些復合工況[2]。通常認為搖臂在裝載機最大崛起力工況下的受力狀態達到極值，因此本文在裝載機最大崛起力工況下對搖臂進行仿真分析及輕量化設計。在最大崛起力工況下，搖臂油缸的作用力達到極值，搖臂的受力情況如圖1所示。

圖1 搖臂理論受力模型

圖1中，TA為搖臂油缸對于搖臂上鉸接孔的作用力，其大小為：

TA=pA×πD2/4.

(1)

其中：pA為搖臂油缸最大的系統壓力，pA=19 MPa；D為搖臂油缸的直徑，D=190 mm。

由力矩平衡條件可知：

TA×h2=TE×h1.

(2)

其中：TE為拉桿對搖臂的作用力；h1為TE到鉸點B的力臂；h2為TA到鉸點B的力臂。

2 仿真分析

2.1 添加材料庫

將建立的CREO模型導入到ANSYS Workbench中進行材料屬性的修改。搖臂的材料為低碳優質合金鋼Q355B[3]，其屈服強度為355 MPa，密度為7.85 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。

2.2 劃分網格

選擇六面體網格劃分(Hex Dominant Method)，精度選擇的過大會導致仿真計算不準確，過小又會增加計算機的負荷量，導致計算慢、效率低[4]，綜合考慮網格精度選擇10 mm。搖臂網格劃分如圖2所示。

2.3 約束及載荷

在最大崛起力工況下，搖臂油缸的工作壓力默認達到極值，對搖臂產生沿搖臂油缸運動方向的作用力，此時搖臂會產生繞中間軸承旋轉的傾向，同時搖臂下鉸點會受到沿拉桿方向的反作用力[5，6]。因此在仿真分析時搖臂的約束及載荷為：上、下鉸接孔受力(Bearing Load)，中間軸承孔固定(Cylindrical Support)，如圖3所示。

2.4 仿真結果分析

仿真得到的搖臂等效應力云圖和總變形云圖如圖4、圖5所示。由圖4可知：搖臂的上半部分相對于下半部分受力更大，風險區域主要集中在上半部分，且受力左右對稱,由于搖臂受力左右對稱的特點，因此搖臂左右側板受力狀態基本是一致的，且搖臂的側板邊緣部分應力較大、內部應力較小，側板的上半部分受力較大且沿側板縱向受力不均勻;搖臂內部的上下兩塊加強板幾乎不受力，沒有起到加強作用，因此可以對兩塊加強板進行結構改進以實現強度可靠性的提高和輕量化;搖臂的最大應力出現在側板與上加強板的焊縫區域，這與實際搖臂開裂的情況相符，最大應力值為332 MPa，已經接近材料的屈服極限355 MPa，存在4個超過250 MPa的應力風險區域，平均風險區域應力值為290 MPa，有一定的失效風險，因此有必要對其進行結構優化來增加強度，保證其在正常工作時的可靠性。

圖2 搖臂網格劃分 圖3 搖臂的約束及載荷 圖4 搖臂等效應力云圖

由圖5可知：搖臂中間變形微小，上、下鉸接孔處變形較大，最大變形點出現在搖臂最下端，為2.33 mm。

3 搖臂結構優化及輕量化設計

3.1 主要改進點

在對原搖臂仿真分析的基礎上，結合實際情況進行如下結構優化以及輕量化設計：

(1) 取消內部加強板，改用封板形式對側板邊緣受力較大部分進行加強。

(2) 側板減薄的同時對其上半部分的過渡圓弧進行修整，以調整其受力狀態。

(3) 增加外貼板來提高搖臂上、下端的剛度，減小搖臂失穩的風險，也進一步優化搖臂的應力狀態。

(4) 減小軸套外徑，降低軸套與側板連接處焊縫的應力，同時也實現輕量化的設計理念。

(5) 通過修正內封板的長度、厚度及輪廓等參數實現搖臂整體應力狀態和輕量化設計的最優解。

3.2 改進后的仿真分析

對改進后的搖臂進行同樣的網格劃分、約束及載荷施加，仿真分析得到的等效應力云圖和總變形云圖如圖6、圖7所示。

圖5 搖臂總變形云圖 圖6 改進后搖臂的等效應力云圖 圖7 改進后搖臂的總變形云圖

由圖6可知：改進后的搖臂整體受力狀態得到有效的改善，沿側板縱向整體等效應力狀態較為均勻，最大應力值為277 MPa，應力值超過250 MPa的風險區域只有一個，且整體風險區域的平均應力值為229 MPa。

改進后的搖臂相對于改進前搖臂的風險區域平均應力值降低21%，最大應力值降低了16.6%。改進后搖臂的質量只有249 kg，相對于改進前搖臂的質量減重輕了41 kg，輕量化率達到14.1%。改進前、后搖臂的主要性能參數如表1所示。

表1 改進前、后搖臂的主要性能參數

改進后搖臂在實現輕量化率14.1%的同時可靠度提高16.6%，風險區域平均應力值下降21%，風險區域個數減少75%，最大變形量只增加5.5%，主要是由于側板減薄導致剛度降低造成的。

4 結論

通過合理的結構優化可以實現在輕量化的同時降低搖臂的最大應力值，提高搖臂的可靠度。改進前的搖臂最大應力發生在上加強板與側板焊縫處，改進后的最大應力發生在中間軸套與側板的焊縫處。優化后的搖臂最大應力下降16.6%，風險點平均應力下降21%，整體質量減輕14.1%，符合預期效果。