基于Ansys+Workbench的起重机吊臂结构全伸臂工况的有限元分析

ｔｏ
ａ．
ｂｏｏｍ ｐｌａｙｓ
ａｎ
ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｂｅｔｔｅｒｉｎｇ ｔｈｅ
ｏｆ
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ｃｒａｎｅ．Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ５０
ｃｒａｎｅ
ｔｏｎ
ｃｒａｎｅ
ｂｏｏｍ ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｅｌｐ ｏｆ Ａｎｓｖｓ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ．
ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ
ＬＩ Ｃｈｕｎ－ｆｅｎｇ，ＤＯＮＧ ＨＡＯ
ｏｎ
ＡＮＳＹＳ
Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ
Ｑｉｎｇ—ｈｕａ，ＬＩ Ｓｈａｏ－ｊｉｅ，
Ｙｕ—ｆｅｉ，ＣＡＯ Ｓｈｕｏ
wenku.baidu.com
Ｑｉｎｇ—ｌｏｎｇ，ＷＡＮＧ
（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｃｈｅｎｇｄｅ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｃｈｅｎｇｄｅ ０６７０００，Ｈｅｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ）
表１ 吊臂受力汇总
（３）
（４）
２
应用Ａｎｓｙｓ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ对吊臂结构进行有限元分析
起重机吊臂由众多的机械零部件组成，可以看作是由杆件、板块、壳体、块体等或由它们组合组成的
２．１前处理
结构。ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ具有优秀的实体几何建模功能并提供了强大的网格划分工具，通过ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ软件，可以方便地构造出吊臂的几何模型和有限元模型，并对其进行准确的分析。
Ｓｌｉｃｅ
Ｐｌａｎｅｓ允许用户去真实的去切模型。本文采用第一个选项。得到后处理云图结果：如图５所示的
ａ
ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｏｏｍ；Ａｎｓｙｓ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ
通过吊臂吊载，起重机能够实现大高度、大幅度的作业，吊臂是起重机的最主要承载构件之一，吊臂 的强度对于起重机承载最大起重量时的整机起重性能起到了决定性的作用，吊臂自重对于起重机整机 倾覆稳定性有着最直接的影响，吊臂结构的设计将直接影响整个起重机的性能，所以对吊臂进行有限元 分析是很有必要的。
吊臂工作原理、结构尺寸及其受力分析
１．１吊臂工作原理 起重机升降重物，是利用吊臂顶端的滑轮组支撑卷扬钢丝绳来悬挂重物，利用吊臂的长度和倾角的 变化来改变工作半径和起升的高度，如图１所示。吊臂有两节、三节、四节、五节等不同形式，通过变幅
机构来实现俯仰功能，如图２所示。起重臂顶端可以加滑轮，实现吊钩单倍率工作，提高工作速度。另
咒＝Ｔｓｉ邶；将垂直载荷Ｑ分解，垂直于吊臂轴线方向的分力为Ｑ。＝Ｑｃｏｓ卢，平行于吊臂轴线方向的分力
为Ｒ＝Ｑｓｉｒｑ３。其中Ｊ｜Ｂ为伸缩臂在变幅平面倾角，Ｑ为由起升载荷以及吊臂重量引起的垂直载荷。 伸缩臂有两个支点，分别是臂根车架之间的铰接点以及吊臂与变幅油缸之间的铰接点，因此可把吊
万方数据
李春风，等：基于Ａｎｓｙｓ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ的起重机吊臂结构全伸臂工况的有限元分析
１．２吊臂结构尺寸 本文涉及到起重机基本参数为：回转速度：２ ｒ／ｍｉｎ，行走速度：７０ ｋｍ／ｈ，最大起重量５０ ｔ，最大起重 力矩７２１．３ ｋＮｍ，最大起升高度３８．５ ｍ，基本臂（第１节臂）举升高度为１０．４ ｍ；举升臂的总长为３８ 基本臂长１０．２ ｍ。举升臂为四节，结构见图３，四节的尺寸依次为：３５０
・１９・
臂简化为简支外伸梁进行分析。Ｍ。，为垂直力Ｑ和起升绳拉力ｒ对吊臂轴线偏心引起的力矩如公 式（２）所示： ＭＬｙ＝Ｑｇｅｌ ｓｉ邙一Ｔｅ２ＣＯ印 式（２）中：ｅ．为臂端定滑轮与吊臂轴线的偏心距；ｅ：为臂端导向滑轮与吊臂轴线的偏心距。 ２）旋转平面内的载荷分析 在旋转平面内，伸缩臂可视为一个端部自由、根部固定的悬臂梁。与在变幅平面受力情况一样，其 承受的轴向力为Ｔ＝Ｒ＋Ｔ。，Ｒ是当吊臂旁弯时不变方向的轴向力，ｒ。是吊臂旁弯时变方向轴向力，其中 Ｒ＝Ｑｓｉｎ／３
８５０
ｋｇ／ｍ３。根据材料系数定义相应的材料参数。
实体选用８节点的６面体单元Ｓｏｌｉｄ４５，板采用Ｓｈｅｌｌ６３板壳单元。Ｓｈｅｌｌ６３为４节点的线弹性单元， 遵循基尔霍夫假设，即变形前垂直中面的法线且变形后仍然与中面相垂直，且该单元能够同时考虑中面 内的膜力以及弯曲变形，与吊臂的实际受载情况比较符合。 进行网格划分时，对吊臂的各个节臂筒体采用映射（ｍａｐｐｅｄ）和自由（ｆｒｅｅ）的方式；滑块处为保证其 形状为六面体，本文采用扫掠（ｓｗｅｅｐ）的方式进行划分。整个网格的划分，为避免形状畸形，应保证控制 单元形状尽可能规则。 由于每个节臂之间都有搭接部分，而且大部分节臂的板厚都不一样，不易选中，若是每块板逐个进 行网格划分，不仅效率低下，计算繁琐，而且很容易出现错误，为此在建模前应先在实体模型上指定对应 的属性，即将需要划分的单元、材料特性、实常数等赋予所有的实体，然后再对所有块、板等单元进行网 格划分，最终得到吊臂所对应的有限元模型。 ２．２边界条件 ２．２．１施加载荷 吊臂所受的载荷包括侧载、吊重、钢丝绳在臂头的拉力；风载、液压缸的作用力以及伸缩机构钢丝绳 的拉力。其中风载载荷作用在吊臂侧面上，而其它的载荷则需要加到各载荷相应位置的节点上或关键 点上，为了使这些载荷加载点能成为节点，需在相应节点的位置处创建硬点（Ｈａｒｄ ｐｏｉｎｔｓ）。此外，由于 钢丝绳在臂头的拉力及伸缩机构钢丝绳拉力的方向与整体坐标系方向不一致，为了便于加载荷，在建模 时还需要旋转这些节的点坐标系。 ２．２．２施加约束 在基本臂尾部与转台铰接处，变幅液压缸铰点处，对ＲＯＴＹ、ＲＯＴＺ ２个方向的转动自由度和ＵＸ、
１．３吊臂的受力分析 １）变幅平面内的载荷分析 起升绳拉力丁：
ｍ．
Ｔ＝一７１（Ｑ。＋Ｇｏ）ｇ
ｌＩＬｌｌ
（１）
式（１）中：妒。为吊臂动力系数；ｍ为吊钩滑轮组的倍率；’７为滑轮组效率；Ｑ。为额定起重质量；Ｇ。为 吊钩质量；ｇ为重力加速度 将起升绳拉力丁分解，平行于吊臂轴线方向的分力为Ｔ．＝Ｔｃｏｓ卢，垂直于吊臂轴线方向的分力为
外，起重臂顶端还可以同时加副臂，实现更大的起升高度。
收稿日期：２０１５．１０—２８
作者简介：李春风（１９８１一），男，河北石家庄人，承德石油高等专科学校工业技术中心讲师，硕士，主要从事机械设 计、有限元、可靠性等方面研究。
万方数据
承德石油高等专科学校学报
２０１６年第１８卷
第２期
图１起重机示意图
图２吊臂示意图
２．１．１
建模 Ｍｏｄｅｌｅｒ是Ａｎｓｙｓ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ的建模平台，其用户界面与常用的三维ＣＡＤ软件非常相似，主
Ｄｅｓｉｇｎ
要功能集成于各项主菜单中¨１。ＤｅｓｉｇｎＭｏｄｅｌｅｒ不仅允许用户配置个人窗１２１来满足使用要求如利用鼠 标就可以对窗口进行移动和调整，还提供了多项辅助工具如选择、拾取、组元、局部坐标系、工作平面等。 利用ＤｅｓｉｇｎＭｏｄｅｌｅｒ进行建模不仅能够建立准确的几何模型而且能够大大减少建模时间。 建模时要考虑吊臂的重心位置和自身重量，必须以吊臂的真实工况进行建模，即先计算出吊臂的仰 角０（即吊臂的真实工况位置）的大小，再激活ｗｏｒｋｐｌａｎｅ，然后将ｗｏｒｋｐｌａｎｅ旋转０角，在ｗｏｒｋｐｌａｎｅ内进 行造型‘３Ｉ。 吊臂既包括各节臂结构也包括伸缩系统各个传动件，结构比较复杂。若对整个吊臂进行完整建模 的话，建模和分析会非常复杂，因此本文对吊臂结构进行了合理的简化。因为对于吊臂强度计算主要是 分析吊臂危险截面处和各结构搭接处的局部应力分布，因此在进行有限元分析时可将吊臂前、后部结构 进行简化，去除一些不必要的零件结构，使得整个吊臂只包含筒体和滑块结构，在保证相关设计参数和
ｘ
ｍ，
４８０、３８５×５４０、４２０×６００、
４５５×６６０（ｍｍ）；起重举升臂的主体材料为合金结构钢，适当的选取１６Ｍｎ进行加固，截面形状采用如 图４所示的“Ｕ”型截面。
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图３吊臂结构图
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图４吊臂截面图
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｌｏａｄ ｂｅａｒｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒａｎｅ，ｂｏｏｍ ｉｓ ｕｓｅｄ ｃｈｉｅｖｅ ｇｒｅａｔ ｈｅｉｇｈｔ ａｎｄ ｒａｎｇｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ．Ａ ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
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ｔｏ
ｅｌｅｖａｔｅ ｌｏａｄ．ａｎｄ
位移。 ２．３后处理
Ａｎｓｙｓ
Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ的后处理中Ｇｅｏｍｅｔｒｙ按钮控制云图的显示方法，共有四个可用选项：Ｅｘｔｅｒｉｏｒ是默
认的显示方式并且是常用的方式，ＩｓｏＳｕｆｆａｃｅｓ对于显示相同的值域是非常有用的，Ｃａｐｐｅｄ ＩｓｏＳｕｒｆａｃｅｓ是 指删除了模型的一部分后的显示结果，删除的部分是可变的，高于或者低于某个指定值的部分被删除，
基于Ａｎｓｙｓ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 的起重机吊臂结构
全伸臂工况的有限元分析
李春风，董庆华，李少杰，郝清龙 ，王宇飞，曹
（承德石油高等专科学校工业技术中心，河北
硕
承德０６７０００）
摘要：通过吊臂吊载，起重机能够实现大高度、大幅度的作业，吊臂是起重机的最主要承载构件之一，吊臂的 分析研究对于起重机的结构优化起到了大的作用。以５０ ｔ起重机吊臂为例，借助软件Ａｎｓｙ。ｗ。，ｋｂｅｎｃｈ对吊 臂结构的全伸臂工况进行有限元分析，得到其变幅平面内各处位移和应力，为结构的改进和优化提供了一定
ｕＹ、Ｕｚ
３个方向平移自由度进行约束，释放绕销轴中心回转的转动自由度ＲＯＴＸ。同时为保证臂的刚
度和强度，设定应力Ｓｔｒｅｓｓｍ和位移Ｄｅｆｌｍ为状态变量，通过控制应力和位移来保证臂满足刚度和强度 要求。 约束条件包括强度条件和刚度条件，强度条件为盯≤［盯］，式中ｏｒ为危险点最大应力；［ｏｒ］为材料
许用应力；刚度条件为ＤＥＦＬＭ＜。［ｆ］，式中ＤＥ儿ｗ一变幅平面内最大位移；［门一变幅平面内允许最大
万方数据
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承德石油高等专科学校学报
２０１６年第１８卷第２期
结构特征的情况下，不在模型中建立吊臂的伸缩机构Ｈ１。由于各节臂的筒体是由薄板构成的，因此建模 时取中面尺寸进行造型，而基本臂的尾部及四节臂的头部结构复杂且刚性大，故建模时将其简化成了实 体。利用ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ强大的造型功能，建立了吊臂简化结构的几何模型。 ２．１．２各节臂与滑块间的连接简化 吊臂共有四节，各节臂相互之间可以滑动，每节之间有３个滑块，通过各节臂搭接处滑块的接触和 挤压来实现力的传递。有两个思路，可以实现建模。思路１是建立接触单元，思路２是利用节点处的自 由度耦合来实现，本文采用后者。添加约束使得吊臂和各个滑块之间保持接触，沿着接触面可以相对滑 动，相应的节点（Ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｔ Ｎｏｄｅ）间沿着接触面的法线方向自由度是耦合的，切线方向自由度是释放 的。利用各节臂和相应的滑块在同一个节点位置的耦合，实现滑块和吊臂对应各个节点的耦合模拟。 ２．１．３单元选取和网格划分 输入材料属性：查阅机械设计手册，选取相应的材料系数为：弹性模量Ｅ＝２×１０５ ＭＰａ，泊松比肛＝ ０．３，密度ｐ＝７
Ｔ．＝Ｔｃｏｓ／３
（２）
在旋转平面，伸缩臂的侧向载荷为货物的偏摆载荷，侧向力Ｉｓ，如公式（３）所示： Ｓｙ＝（Ｑｏ＋Ｇｏ）ｇｔｇｃＹ 其中ａ为旋转平面摆角。 没有安装副臂时，力矩Ｍ“＝０，此时侧向力Ｓ，中的货物偏摆载荷Ｓ作用于臂端定滑轮的轴心处，吊 臂受到扭矩肘。作用，如公式（４）所示： ＭⅣ＝（Ｑｏ＋Ｇｏ）ｇｅｌｔｇａ 带入实际工况数据，得到吊臂受力汇总见表１。
的参考。
关键词：吊臂；Ａｎｓｙｓ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ；有限元
中图分类号：ＴＨ２１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８．９４４６（２０１６）０２－００１７－０５
Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｒａｎｅ Ｂｏｏｍ Ｄｅｖｉｃｅ ｉｎ Ｆｕｌｌ Ａｒｍ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ
ｂｏｏｍ ｄｅｖｉｃｅ ｉｎ ｆｕｌｌ ａｒｍ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅ．
ｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｖａｒｉａｂｌｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｐｌａｎｅ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｐｒｏｖｉｄｅ