基于ANSYSWorkbench优化高空作业车支腿结构

基于ANSYS Workbench优化高空作业车支腿结构
发布时间：2021-04-02T02:37:06.554Z 来源：《中国科技人才》2021年第5期作者：李金柱
[导读] 制定有限元分析方案，确定边界条件，对原支腿模型及取消加强板后的支腿进行有限元分析。

徐州海伦哲专用车辆股份有限公司江苏徐州 221004
摘要：高空作业车具有作业效率高、升空便利、机动性强、作业范围大、机械强度高等优点，其市场需求量近年来正急速增长。

支腿作为高空作业车的重要支撑部件，不仅需要足够的刚度和强度，还应避免支腿加工困难及过于笨重。

本文通过ANSYS Workbench虚拟分析和对比整改方案效果，得出高空作业车支腿结构优化方案。

关键词：ANSYS有限元分析支腿结构；支腿结构优化
引言
为保证足够的支腿强度，目前支腿内部设置了加强筋板，在焊接加强筋板时容易产生支腿变形且焊后不易调平，因此有必要进一步优化支腿结构。

由于该加强筋板处于水平腿的搭接段，为节约成本及考虑便于生产加工，现提出初步解决方案（如图1所示）：将上下盖板由10mm厚增加为12mm厚，并取消内部加强筋板。

为保证产品安全、性能可靠，本文通过ANSYS Workbench有限元软件分析和对比解决方案对支腿刚度和强度的影响，以确定解决方案的可行性。

1、整体分析思路
1）制定有限元分析方案，确定边界条件，对原支腿模型及取消加强板后的支腿进行有限元分析。

2）通过对分析结果的后处理，得出各部分应力分布情况和位移大小，对比结果制定具体改进方案。

3）对改进后的支腿进行有限元分析，对比两者分析结果，得出结论。

2、有限元分析
2.1、模型前处理
为方便计算保证计算结果的准确性，我们对模型进行合理的简化（如图2所示）：删除螺纹孔安装孔、倒角、部分垂直腿、填充焊缝并保留了对截面影响较大的孔。

在支腿与活动腿箱接触处增加垫块以模仿腿箱。

对模型进行离散化处理，主要采用solid186、solid187单元，设置整体网格为尺寸为20mm，上下盖板、侧板、加强版（条）、垫块进行网格细化，保证其在厚度的方向使用有不少于两层网格。

共生成网格节点1291225个、网格单元269901个。

2.2、载荷、材料与边界条件
通过查询计算书考虑实际工况确定边界条件如图3所示。

将竖直向上的载荷80000N加载至垂直固定腿上的油缸铰接孔上，给予整体向下的重力加速度。

在垫块与盖板接触面设置Frictional接触，摩擦系数0.15。

由于尾部加强版与内部加强板面积较大故将尾部加强板与侧板接触面、内部加强板与盖板接触面设置为Rough接触，将加强板边线与对应的侧板、盖板接触面设置为Bonded接触，其他各板用Rough接触连
接。

对垫块端面进行Fixed supports约束，对下盖板末端采用Remote Displacement约束其沿X、Y方向的移动自由度。

支腿材料采用Q550D，屈服极限550MPa，按安全系数2.75计算，材料许用值为200MPa，考虑到该车型设计时间较早且无法对结构进行过大调整，参考计算书区安全系数1.5，材料需用值366MPa。

2.3、进行后处理
对计算结果进行后处理，得到支腿变形量、应力值及其分布情况。

3、支腿取消加强板分析结果对比
对计算结果进行后处理，得到支腿变形量、应力值及其分布情况如图5和图6所示。

由图5和图6的分析结果可以看出：
1）支腿整体强度满足1.5倍安全系数但有较大块区域不满足2.75倍安全系数，最大应力点为盖板直角边线处产生的应力奇异可以忽略。

2）支腿尾部小块区域由于应力集中产生了过高的应力值。

由于侧加强条与盖板间隙过大且与侧板采用角焊缝焊接导致加强条对上盖板和侧板的加强效果不佳，使得侧板在搭接处产生了较大应力。

3）取消加强板后，支腿搭接处应力值增大尤其是200MPa~366MPa之间的区域明显增加。

4）水平腿与垂直腿连接处下方的弯板应力很小，加强作用不明显。

5）原支腿最大变形量为11.685mm，取消加强板后最大变形量12.197mm，变形量增加了0.512mm，变形量增加了4.38%，支腿刚度有所下降。

4、支腿具体改进方案
按图4 改进后支腿简化模型：
1）取消内部两块加强板，增加上下盖板厚度至12mm；
2）取消水平腿与垂直固定腿连接处的加强弯版；
3）将上部两个加强条前移，减小加强板与盖板距离并采用塞焊；4）改变尾部加强板及侧板尾部轮廓形状，降低应力集中；
5）将侧板靠后的圆孔向上移并将直径由90mm减小至80mm，将油缸铰接方案更改为与JH20D相同方案。

5、改进后支腿有限元分析结果及对比
由图7和图8的分析结果可以看出：
1）支腿整体强度满足1.5倍安全系数但仍有较大块区域不满足2.75倍安全系数，最大应力点为盖板直角边线处产生的应力奇异可以忽略。

2）取消弯板的位置未发现应力升高现象，水平腿尾部无大于366Mpa的应力集中区。

3）改进后支腿最大变形量为11.409mm，相比原支腿减少了0.276mm，变形量降低了2.4%。

6、结束语
综上所述该支腿结构的优化方案不仅满足了加工车间提出的去除内部加强板的需求，有效地减少了应力集中，改善了支腿受力情况，支腿重量没增加，支腿刚度也有所增加，具有可行性。

参考文献：
[1]郭佳；混合臂式高空作业车的结构设计及分析[D]；哈尔滨工业大学；2013年.
[2]蒋玮. 副车架有限元分析及设计优化[J]. 北京汽车，2010.
作者简介：李金柱（1985-），男，本科，工程师，主要从事工程机械设备设计与制造研究。