基于Cero和Workbench汽車起重機副臂仿真分析

崔相德

（安徽柳工起重機有限公司，安徽 蚌埠 233000）

副起重臂以下簡稱副臂，是汽車起重機的重要工作部件，一般應用在全伸臂或其他長臂長工況，用以彌補主起重臂長度不足，有效增加吊裝高度。副臂的主體結構主要由連接架、一級副臂、二級副臂、變角度支座和銷軸、滑輪等組成，通常80t以上機型的副臂可以選裝桁架式加長節，用來增加副臂長度。為了減輕重量，副臂的主體結構一般為桁架結構，局部用板來加強，有些機型的二級副臂為提升工藝性，也會采用箱體結構。隨著汽車起重機市場競爭的加劇，產品迭代的速度在不斷加快，為響應這種需求，同時為保證設計質量，減少設計變更，在設計階段，首先，用三維設計軟件建立數字樣機，進行工藝性檢查、排干涉；然后，使用有限元軟件對副臂的強度和剛度進行分析校核。

1 用Cero完成副臂三維實體建模

Creo軟件是一款強大的三維設計仿真軟件，廣泛應用于工程機械、航空航天和汽車等產品設計。本文以25t汽車起重機的副臂為例，使用Creo軟件進行副臂三維設計。在建模前，作者首先根據結構和功能對副臂BOM進行規劃，將副臂分為六大模塊——連接架模塊、一級副臂總成模塊、變角度拉板模塊、導向總成模塊、支承支架模塊和旋轉支承支架模塊；然后，分別利用Creo的自上而下和自下而上建模方法，完成各模塊的三維設計；最后通過Creo的裝配功能，將各個模塊裝配在一起，通過Creo自帶的干涉檢查功能，檢查各部件是否有異常。建好的副臂模型如下圖1所示。副臂的連接架和一級副臂結構件在建模時，要注意骨架的使用，盡量不要參考創建零件上的點、線、面，單獨創建必要的點、線、面，使模型具有較好的驅動性。這樣的話，將來產品升級，可以通過骨架的調整快速改變連接架和一級副臂的接口尺寸以及其他關鍵尺寸，提升效率，節省產品開發時間。

圖1 副臂總成三維模型

2 使用Workbench完成副臂的有限元分析

副臂在使用過程中常見的故障模式有強度不足、穩定性差和焊縫疲勞開裂等問題。Workbench軟件具有強大幾何處理和有限元分析功能，可以完成幾何模型的創建、編輯，完成線性和非線性的結構靜力學、動力學、模態分析和屈曲分析等。本文使用Workbench中的靜力學分析模塊，對副臂的強度和剛度進行了分析。

2.1 幾何模型處理

首先，將Creo創建的副臂模型以STP格式導出，然后使用Workbench的模型導入功能，將副臂三維導入Workbench的靜力學處理模塊；最后，對模型進行幾何處理，把副臂三維模型上的不起主要支承作用的零件刪除，并刪除對副臂強度應力分析影響較小的幾何特征——倒角、圓角、小孔、坡口等。這里需要注意的是副臂一般安裝在主起重臂的頂節臂頭部使用，為了保證準確性，使仿真更接近真實情況，本文創建了部分主起重臂的三維。處理后的副臂幾何模型如圖2所示。

圖2 幾何處理后的副臂模型

2.2 劃分網格和定義材料屬性

Workbench具有強大的劃分網格的能力，劃分網格時需注意網格大小合適，如果網格劃分太稀疏，則會影響計算的精度；如果網格劃分太小太密，則會增加計算量，造成計算資源和時間的浪費，甚至超出計算機計算能力，不能計算。一般起重機大型結構件的網格尺寸為10～30mm，網格總節點數量不超過60萬。單元尺寸也需要注意過渡平滑，粗細網格之間應有足夠的單元進行過渡，避免相鄰單元的質量和剛度差別較大。本文采用四面體網格對副臂幾何模型進行網格劃分，網格大小設置為10mm，四面體具有快速、可自動生成，適用于復雜幾何，并且關鍵區域容易使用曲度和近似尺寸功能自動細化網格的特性。劃好網格的副臂模型如圖3所示。

圖3 劃好有限元網格的副臂模型

副臂主弦桿、腹桿和加強板等結構件均為金屬材質，一般情況下不需要進行材料的重新設置，選擇STELL，采用默認的即可。彈性模量E=213Gpa，泊松比μ=0.28，密度ρ=7800kg/m3。

2.3 定義接觸關系、約束和載荷

（1）定義接觸關系和約束。副臂總成由連接架、一級副臂總成、變角度拉板和銷軸等組成，不同零部件間需采用有限元綁定接觸來實現力、力矩的傳導。主臂自身約束3個方向平移自由度（UX，UY和UZ）和3個方向的旋轉自由度(ROTX,ROTY,ROYZ)；副臂連接架和主臂的頂節臂之間的4個鉸點用直接綁定接觸，限制其3個平移自由度UX，UY和UZ）和3個方向的旋轉自由度(ROTX,ROTY,ROYZ)；連接架和一級副臂的下兩個鉸點以及變角度拉板與連接架和一級副臂之間的鉸點采用摩擦接觸，限制其3個平移自由度UX，UY和UZ）和2個方向的旋轉自由度(ROTX,ROTY)，釋放一個旋轉自由度。這里需要注意的是一般可以根據模型處理情況設定接觸面的距離，但是距離過大會影響分析結果精度，一般接觸面的距離控制在0.2mm以內。

（2）定義載荷。對副臂進行受力分析，可知在副臂作業時，副臂除受自身重力G，起升載荷Q外，還需考慮回轉瞬間產生的水平側載T。本文共分析3個副臂的極限工況，分別是主臂最大仰角時，副臂角度為0°、15°和30°時的作業工況，此時副臂的起重量和起重力矩均最大，且最易發生失穩，詳細如表1所示。在Workbench中載荷定義的截圖如圖4所示。

圖4 副臂加載約束和載荷的圖

表1 副臂計算工況

2.4 求解和后處理

（1）強度評價。副臂結構的主弦桿材料為20Mn2，其余結構件的材料均為Q355C，許用應力計算如公式（1）、（2）所示，其中安全系數n取1.34。

否則

則20Mn2材料許用應力[σ1]為425MPa，Q355C許用應力[σ2]為251MPa。依據第四強度理論驗證材料的強度，等效應力（Von Mises應力）對應材料力學的第四強度理論如公式（3）所示：

整體變形公式如公式（4）所示：

在工況2下，連接架和一級副臂的主弦桿的應力云圖如圖5所示，其最大應力發生在下側主弦桿與下側安裝支座之間的位置，該處受壓且應力集中，忽略不計外，其他應力均小的應力均小于其許用應力[σ1]；連接架上腹桿的應力云圖圖6所示，一級副臂的腹桿應力云圖如圖7所示，一級副臂臂頭的應力云圖如圖8所示，它們的應力均小于其許用應力[σ2]，綜上所述，強度滿足工況使用要求。

圖6 連接架腹桿應力云圖

圖7 一級副臂腹桿應力云圖

圖8 一級副臂頭應力云圖

（2）剛度評價。在工況2下，副臂的在變幅平面的位移Ux=1546.4mm，在回轉平面的位移Uy=423.6mm，其位移云圖如圖9和圖10所示。按照GB/T3811-2008《起重機設計規范》的規定。

圖9 副臂在X方向位移

圖10 副臂在Y方向位移

其中，Lb表示主起重臂和副臂總長為49m，故副臂的剛度滿足國標規定的要求。

工況1和工況3的強度和剛度結論與工況2的基本相同，本文不做闡述。

3 試驗驗證結果對比

策劃副臂應力試驗，由于連接架的根部和一級副臂的根部分別是其受力矩最大的位置，且副臂上側主弦桿受拉，下側主弦桿受壓，因此分別在連接架和一級副臂根部上側主弦桿的正上表面；下側主弦桿的正下表面貼應變片，測量3種工況下副臂主弦桿的應力。應力試驗結果與Workbench的仿真結果對比分析，如表2所示。試驗獲得副臂在回轉平面和變幅平面的位移如表3所示。從實驗數據可以看出仿真結果較保守，但總體誤差在可接受范圍內，仿真結果可信。

表2 試驗與仿真應力結果對比表

表3 試驗與仿真位移結果對比表

4 結語

應用Creo軟件中建立了副臂虛擬樣機，不僅可以快速排查干涉，還可利用骨架實現副臂關鍵尺寸的修改，既提高了設計質量，也提高了設計效率；在Workbench軟件中通過捆綁接觸，實現副臂之間的連接，使力和力矩得到傳遞，對副臂進行強度和剛度分析，并經過試驗驗證，該方法計算精度滿足實際使用要求。