基于ANSYSWorkbench的简式汽车起重机优化设计

1引言 汽车起重机就是将起重作业部分安装在通用或专用
汽车底盘上的起重机，并具有载重汽车的行驶性能。汽车 起重机由于具有动作灵活、集成化程度高、功率大、稳定 性好、操作方便等优点，广泛受到各工程的青睐，在现代 化生产过程中应用得越来越广。汽车起重机主要由起升、 变幅、回转、起重臂和汽车底盘组成［1］。为保证安全，汽车 起重机往往采用加大安全系数的方法，使吊臂粗大笨重。 因此，减轻起重机自重，对提高整机经济技术指标有重要 意义。本文将针对此问题进行具体分析，提出改进方案， 并完成了优化设计。 2 建立汽车起重机的三维模型 2.1 总体方案的确定
导致随机碰撞发生，随着间隙的增大，碰撞力幅值会加大，进一步影响机构的动力学特性。
关键词：折叠翼；间隙；碰撞动力学；仿真
中图分类号：TH113
文献标识码：A
文章编号：1002－2333（2013）04－0066－02
Simulation of Impact Dynamics for Folding Wing with Clearance ZHU Long-wei, WANG Ming, LIU Huai-xun, QIN Bing-cai
（Department of Mechanical Engineering, Yanbian University, Yanji, 133002, China）
Abstract： The boom crane on vehicle is established by using Pro/E software and finite element analysis model is built through ANSYS Workbench software. Structure strength and rigidity are calibrated. According to the model analysis results, the shape optimization was accomplished. It could be extensively used to improve the design of boom crane. Key words： ANSYS Workbench; boom crane; design optimization
图 4、5 所示为优化设计后的应力分布情况。起重机 柱由原来所承受的最大应力 284MPa 变为 280MPa，基本 没 有 发 生 变 化 ，虽 然 底 座 由 原 来 的 169MPa 增 长 至 207MPa，但远远小于 Q345B 结构钢的最大屈服强度 440MPa，完全符合设计要求。
图 4 起重机柱优化设计后应力分布情况
起重力矩 1.34kN·m
起升高度 10.2m
回 转 速 度 指 起 重 机 转 台 每 分 钟 转 数 ， 起 升 速 度 ：0 ～
工作速度 1.0m/min；变幅速度指变幅时，幅度从最大（最小）变到
最小（最大）所用的时间；伸缩臂速度：0～0.5m/min
底盘有效负荷 1.2t
汽车起重机通过性能接近一般公路车辆。接近角、离去
（1）定义汽车起重机各个部分的材料属性。起重机的 吊臂采用高强度结构钢 Q690D 制造，密度为 7.58g/mm3， 弹性模量（杨氏模量）为 200GPa，泊松比为 0.29，屈服强 度为 700MPa；起重机柱及底座材料为 Q345B 制造，屈服 强度为 440MPa。
（2）对 汽 车 起 重 机 的 整 体 进 行 网 格 划 分 。 ANSYS Workbench 可以对网格进行自动划分，但是为了取得较 好的结果，需要对部分网格手动修改。将汽车起重机分为 307，027 个单元和 762，002 个节点。
对研究对象的形状进行优化分析。在 Shape Finder 模块 中，为保证所研究对象的总体结构不变，使体积最小化， 尽可能地寻找对整体结构强度不产生负面影响的可去除 面积［4］。本文拟定缩减的目标为原重量的 40％。
根据分析得到的数据，对汽车起重机柱和底座提出 了如下改进方案：（1）对起重机柱和起重机底座局部进行 去除部分材料的特殊加工。（2）改变起重机柱竖直的两块 钢板厚度，由原来的 6mm 缩减至 4.5mm。
汽车起重机的主要技术性能参数如表 1 所示，是起 重机工作性能指标，也是最终检验研究方案是否可行的 主要参照依据，包括起重量、工作幅度、起重力矩、起升高 度、工作速度、自重、通过性能等。
表 1 技术性能参数
额定起重量
含取物装置重量 3.5kN
工作幅度 工作幅度决定起重机的工作范围 Rmin=2.9m、Rmax=6.7m
通过性能 角、离地间隙越大，最小转弯直径越小，说明整机通过
性能越好。
2.3 基于 Pro/E 三维模型的建立
汽车起重机
的总装图如图 1
所示，是由起重机
支 架 、底 座 、起 重
机旋转支撑装置、
来自百度文库
起重机柱、起重机 吊臂等组成。汽车
图 1 起重机总装图
起重机作业时，起重机支架用来将整个车体升起脱离地
面，完全由支腿支承车身水平，以提高作业时的抗倾覆能
小型汽车起重机底盘的选择是根据汽车起重机总 重量约为 120％到 140％的起重量来选择，即将汽车满 载后的总重量乘上 0.70～0.83 得到的数值为改装后的 起 重 机 最 大 额 定 起 重 量 ［2］。支 架 选 择 为 蛙 式 支 腿 。因 为 结 构 简 单 、液 压 缸 数 量 少（一 条 腿 一 个 液 压 缸）、且 重 量 轻，较适用于小型起重机。汽车起重机整体重量约为 700kg，其中心距离在 3.1～3.5m 范围内变化。本汽车起 重机的吊臂顶部配有装载箱，与其他汽车起重机的吊 具 装 置（( 吊 钩 、吊 环 等）有 所 不 同 。 本 汽 车 起 重 机 结 构 简 单 ，底 座 部 分 的 起 重 操 纵 按 钮 装 置 ，替 代 了 以 往 的 独 立起重操纵室。 2.2 主要技术性能参数
含多间隙的折叠翼展开碰撞动力学仿真
祝隆伟， 王明， 刘怀勋， 秦兵才 （中国空空导弹研究院，洛阳 471009）
摘 要：基于非线性等效弹簧阻尼碰撞模型，建立含间隙的折叠翼展开机构的接触碰撞模型，利用 ＡＤＡＭＳ 软件进行展
开机构的动力学仿真，研究了间隙大小对折叠翼展开机构碰撞力的影响。结果表明，在折叠翼展开过程中，间隙的存在
（3）施加约束条件。将支架与汽车起重机底座设为固定约 束，在起重机装载箱的上部给予垂直向下的压力 3.5kN，并 对起重机的总体及局部的应力和应变进行分析计算。
（4）得到分析结果。汽车起重机柱部分承受的最大应 力约为 284MPa，底座部分承受最大应力约为 169MPa，如 图 2、3 所示。
4 主要部件结构改进 本文通过 ANSYS Workbench 中 Shape Finder 模块
建立准确、可靠的计算模型是应用有限元方法进行汽 车起重机有限元分析的重要步骤之一。ANSYS Workbench 的 CAD/CAE 协同环境能直接读入各种 CAD 软件的零件 模型，并在其统一环境中实现任意模型的装配和 CAE 分 析，通过连接技术实现与 CAD 软件之间的共享。其优点 是任何 CAD 和 CAE 人员对设计的改变都立即反映到对 方软件环境中，从而实现设计与仿真的同步协同。本研究 采用目前专业的三维绘图软件 Pro/E 建立汽车起重机模 型，并且在 Pro/E 中对汽车起重机进行了装配（如图 1）， 并存储为．x_t 格式直接导入到 ANSYS Workbench 中，提 高了建模的效率，为有限元分析做准备。 3.2 有限元分析
汽车起重机结构的强度、刚度进行了有限元分析，并对起重机结构进行了优化设计。
关键词：ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ；汽车起重机；优化设计
中图分类号：TH218
文献标识码：A
文章编号：1002－2333（2013）04－0064－03
Design Optimization of the Truck Crane Based on ANSYS Workbench WANG Jia-yi， LIAN Zhe-man
力。起重机底座是汽车起重机的重要组成部分，起重机底
座的结构强度将直接影响着整个起重机的平稳运行。起
重机旋转支撑装置是将起重机的回转部分支撑在固定部
分上，电动机经过减速器带动最后一级小齿轮与装在起
重机固定部分上的大齿圈相啮合，以实现起重机的回转。
起重机柱的下端与旋转支撑装置相连接，上端与起重机
吊臂相连接且成一定角度，可通过调整其角度大小来实
通过对汽车起重机柱的优化设计，在同等载荷作用 下所承受的应力未发生改变，且起重机柱重量由原来的 85.58kg 减轻了 28.96kg （约 33.8%）。通过对汽车起重机 底座的优化设计，在同等载荷作用下，起重机底座由 60.03kg 减轻了 34.31kg（约 57.1%），虽然所受应力有些 增加但完全符合设计要求。
图 2 起重机柱应力分布情况 图 3 起重机底座应力分布情况
图 5 起重机底座优化设计后应力分布情况
5结语 本文根据简式起重机的参数，利用 Pro/E 软件建立了
汽 车 起 重 机 的 三 维 模 型 ， 并 成 功 地 导 入 到 ANSYS Workbench 软件中进行了有限元分析。利用 Shape Finder 模块确立了改进方案，使汽车起重机轻量化，达到了预期 成果。
（China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China）
Abstract： Based on the nonlinear equivalent spring -damp model, the contact model of unfolding mechanism with clearance was established. Then the folding wing model with clearance was built and simulated under the software ADAMS. The results showed that, in the presence of clearance, the collisions appeared and the impact force amplitude increased as the clearance increased, which greatly influenced the mechanism response. Key words： folding wing； clearance； impact model； simulation
［参考文献］
［1］ 杨晶，李卫民，刘玉浩.汽车起重机吊臂的有限元分析［J］.辽宁 工学院学报，2007，27（3）：195-197.
［2］ 徐斌.QY25 型汽车起重机设计［D］.大连：大连理工大学，2003.
机械工程师 2013 年第 4 期 65
制造业信息化
MANUFACTURING INFORMATIZATION 仿真 ／ 建模 ／ CAD／ CAM／ CAE／ CAPP
现吊臂的起升。起重机吊臂分为三节，它承受着起重机的
64 机械工程师 2013 年第 4 期
制造业信息化
仿真 ／ 建模 ／ CAD／ CAM／ CAE／ CAPP MANUFACTURING INFORMATIZATION
各种外载荷，且耗钢量大，占总机重量的 20％［3］。 3 汽车起重机有限元分析 3.1 三维模型的导入
制造业信息化
MANUFACTURING INFORMATIZATION 仿真 ／ 建模 ／ CAD／ CAM／ CAE／ CAPP
基于 ＡＮＳＹＳ Ｗｏ ｒｋｂｅｎｃｈ 的简式汽车起重机优化设计
王佳怡， 廉哲满 （延边大学 机械工程学科，吉林 延吉 133002）
摘 要：采用 Ｐｒｏ／Ｅ 软件建立了汽车起重机的三维模型，通过 ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 软件建立了装配体的有限元模型，对
1引言
一个叉形件上，左右对称，故该机构具有展开的同步性 。 ［2］