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【摘要】本文基于ANSYS软件对起重机吊臂结构有限元进行了阐述。
【关键词】起重机；吊臂；有限元
中图分类号：TH2文献标识码： A
一、前言
随着我国起重机行业的不断壮大，起重机吊臂结构有限元的问题引起了人们的重视。我国在此方面取得成绩的同时，也存在一些问题需要改进。在科技不断发展的新时期，需要我们加强对起重机吊臂结构有限元的研究。
二、起重机吊臂结构有限元的概述
吊臂在汽车起重机上是最重要的金属结构部件，也是主要受力构件，吊臂的结构设计直接决定着整个起重机的外观和性能。吊臂结构设计的质量是起重机作业性能和安全的保证，因此在吊臂设计时对吊臂进行受力计算和结构分析计算是十分必要的。纵观这几年的起重机吊臂的发展，从吊臂截面形式的变化，以及伸缩系统单缸插销装置伸缩形式的出现，都记录了起重机吊臂发展的历程．同时也是广大工程技术人员对吊臂不断改进创新的见证。汽车起重机最主要的性能是用来起吊和转运货物的，因此汽车起重机的起重能力是汽车起重机的最主要性能，如何在保证吊臂不被破坏的基础上起吊更大的重量，那就要尽量优化吊臂结构，减轻吊臂的重量。随着有限元分析技术的发展，这种技术也被应用在吊臂的结构设计上，像吊臂的结构强度分析，吊臂简体的稳定性分析等，有限元计算是一种仿真计算，这种计算的准确程度已得到了广泛的证明。有限元分析方法的应用，不但准确，而且比传统的解析法计算有着更好的直观性，从而也为企业缩短了新产品的研发周期，增加了产品质量的可靠性，赢得了市场。
三、吊臂有限元模型的建立
1、实体建模
鉴于ANSYS软件实体造型的局限性和吊臂自身结构的复杂性，文中采用通用三维造型软件SolidWorks对吊臂进行实体建模，之后以Parasolid(x-t)格式将实体模型导人ANSYS进行有限元分析。
2、单元类型的选择
基于软件对吊臂进行有限元分析的通常方法均是将吊臂结构视为线模型，后赋予梁单元属性进行强度和刚度等方面的有限元计算，但是梁单元是用线来代替三维实体结构，并不能反映结构几何上的细节，且伸缩式吊臂是由钢板焊接而成的箱型结构，应该选用二维板壳单元和三维实体单元混合分网，或全部选用三维实体单元划分网格。考虑到吊臂模型较复杂，文中采用三维实体单元Solid187对吊臂进行有限元分析。Solid187单元是一个高阶三维10节点固体结构单元，单元具有二次位移模式，可以更好地模拟不规则的模型。
3、材料定义
吊臂结构材料定义参数见表1。
4、实体模型处理及划分网格
从吊臂的整体结构来看，各节臂之间通过滑块接触和挤压来传递力，故分析中必须解决各节臂与滑块的连接关系。由于涉及接触问题，本该通过ANSYS设定接触对来进行求解，但是由于接触分析属于非线性分析范畴，求解过程需要反复迭代，既耗时又不易收敛，且吊臂实际结构中的接触特性不易模拟，为尽可能减小吊臂结构发生应力奇异的区域，只能用一般的有限元方法求解。其中，节点耦合(CoupleDOFs)是比较常用的技术，但是节点耦合技术要求接触面上对应节点的坐标必须一致，此条件在一般条件下很难满足。考虑到此次分析为静态分析(构件不能有刚体位移)，故分析中采用布尔操作——粘贴(Vglue)对模型进行处理，即将滑块同各级臂粘连起来，此法使得分析模型转为线性，从而大大减少计算机时。采用自由分网(Free)技术，最终形成单元数为556151个。
5、施加载荷及约束处理
（1）载荷分析
作用在起重机上的载荷分为常规载荷、偶然载荷、特殊载荷及其他载荷等类别，但是由于常規载荷是起重机正常工作中经常发生的载荷，且此次对起重机吊臂进行的是静强度试验分析，所以对吊臂计算所需的载荷仅为常规载荷中的自重载荷、起升载荷，考虑动载系数与相应静载荷相乘的动载效应及由于货物偏摆与风载等因素产生的侧向载荷(偶然载荷)。
由于ANSYS有限元软件可根据结构材料参数自动计算其重力，故在此无需另行施加。吊臂额定起升载荷PQ是起重机起吊额定质量(在试验中为28t)时的重力。当货物无约束起升离开地面时，货物的惯性力将会使起升载荷出现动载增大的作用，此动载效应用一个大于1的起升动载系数Φ2乘以额定起升载荷PQ来考虑，试验中起升动载系数Φ2根据试验确定，取1．25。侧载可以采用吊重侧向偏移的方法施加于臂架头部，但必须保证在施加侧载时不得产生铅垂方向的附加分力，其大小用一个侧载系数乘以额定起升载荷PQ来考虑，侧载系数φ根据最大额定起重量选择，在此次试验中，侧载系数φ取0．05。
考虑吊臂的最危险工况(全伸臂)，根据GB／T6068．3—2005《汽车起重机和轮胎起重机试验规范第3部分，结构试验》布置结构应力测试工况，如表2所示。
由于此次试验分析仅针对起重机吊臂结构，故还需在臂架头部施加起升绳拉力S1，S2，其方向位于臂架端点与起升卷筒的连线上(如图1所示)。
根据规范，采用双联滑轮组时，钢丝绳最大拉力为：
式中：P。——额定起升载荷，取28000g，N；
P吊具——吊具重力，取500g，N；
g--重力加速度，m／s2；
m——滑轮组倍率，m=6；
a——钢丝绳与吊具夹角，a=40°；
л组——滑轮组效率，取л组=0．96；
Л1·л2——导向轮效率，取Л1·л2=0．985。
式(1)中分母乘2表示绕入卷筒的钢丝绳分支数
为2。由于计算考虑的是吊臂最危险工况，故取S1=S2=Smax=38373N。
（2）施加载荷及位移约束
由于基本臂根部铰点(图1中点A)和变幅油缸上铰点(图1中点)在变幅平面内为简支，在回转平面内呈固支，故需在柱坐标系下约束基本臂相应销孔的径向自由度和轴向自由度。对于作用在吊臂上的载荷，可根据前述计算的数值和相应工况并以相应的方向施加于吊臂头部，如图1所示。
对于吊臂自身重力，ANSYS软件将根据密度与重力加速度自行计算，在此无需另行施加。
四、计算结果的处理及分析
由ANSYS通用后处理器POST1可知吊臂各方向上的变形分量，从而可计算出变幅平面及回转平面内挠度，见表3。
当起吊额定载荷时，变幅平面内挠度为：
当起吊额定载荷，并附加侧向载荷(额定载荷的5％)时，回转平面内挠度为：
式中：[Lx]——吊臂在变幅平面内的许用挠度，m；
[LY]——吊臂在回转平面内的许用挠度，m；
L——吊臂臂长，m。
针对3种工况的许用挠度为：
[Lx]=124mm
[LY]=87mm
显然，3种工况下：
Lx<[Lx]
Ly<[LY]
综上分析，3种工况下吊臂均满足刚度要求。
五、吊臂强度试验
为验证有限元建模和计算的准确性，对吊臂进行了强度试验。由于条件所限，采用静态强度试验，与有限元静态分析结果进行比较。若试验结果与计算结果相符，说明有限元模型是正确的，计算结果是可靠的。
由于起重机需根据不同作业高度和起重量调整作业状态，故选取在额定载荷下的两种工况进行有限元分析：工况1为吊臂水平时的最大吊重，工况2为吊臂倾斜75°时的最大吊重。
试验中，在有限元静态计算对应工况时具有较大应力值附近(如图2)布置测点。为减少数据处理工作量，试验布置2组4个测点，每组2个测点，对称分布，位于油缸铰孔的支座垫板上，与有限元分析中的节点位置相对应，节点号分别为9039、8884和8789、8865。各测点具体位置如图3所示。
通过测量系统得到的各测点应变量，需先转化为应力值，然后根据第四强度理论得到试验等效应力。
计算结果和测试结果表明(如表4)，两者基本相符。说明有限元模型正确，模态分析结果可靠。
六、意义
吊臂是汽车起重机的重要组成部分。它承受着起重机的各种外载荷，一般占总机重量的20％，耗钢量大。随着起重量的不断增大，其吊臂的重量也不断的增大。因此对汽车起重机吊臂进行合理的结构设计及力学分析是有着重要意义的。
七、结束语
综上所述，对吊臂结构有限元的研究是起重机发展的重要环节，在科技不断发展的背景下，我们要加强起重机吊臂结构有限元的分析。
参考文献
[1]王金诺.起重运输机金属结构[J].中国铁道出版社，2011(3):23-27．
[2]纪爱敏.起重机伸缩吊臂局部稳定性的有限元分析[J].农业机械学报，2012，(6)：48-51．
【关键词】起重机；吊臂；有限元
中图分类号：TH2文献标识码： A
一、前言
随着我国起重机行业的不断壮大，起重机吊臂结构有限元的问题引起了人们的重视。我国在此方面取得成绩的同时，也存在一些问题需要改进。在科技不断发展的新时期，需要我们加强对起重机吊臂结构有限元的研究。
二、起重机吊臂结构有限元的概述
吊臂在汽车起重机上是最重要的金属结构部件，也是主要受力构件，吊臂的结构设计直接决定着整个起重机的外观和性能。吊臂结构设计的质量是起重机作业性能和安全的保证，因此在吊臂设计时对吊臂进行受力计算和结构分析计算是十分必要的。纵观这几年的起重机吊臂的发展，从吊臂截面形式的变化，以及伸缩系统单缸插销装置伸缩形式的出现，都记录了起重机吊臂发展的历程．同时也是广大工程技术人员对吊臂不断改进创新的见证。汽车起重机最主要的性能是用来起吊和转运货物的，因此汽车起重机的起重能力是汽车起重机的最主要性能，如何在保证吊臂不被破坏的基础上起吊更大的重量，那就要尽量优化吊臂结构，减轻吊臂的重量。随着有限元分析技术的发展，这种技术也被应用在吊臂的结构设计上，像吊臂的结构强度分析，吊臂简体的稳定性分析等，有限元计算是一种仿真计算，这种计算的准确程度已得到了广泛的证明。有限元分析方法的应用，不但准确，而且比传统的解析法计算有着更好的直观性，从而也为企业缩短了新产品的研发周期，增加了产品质量的可靠性，赢得了市场。
三、吊臂有限元模型的建立
1、实体建模
鉴于ANSYS软件实体造型的局限性和吊臂自身结构的复杂性，文中采用通用三维造型软件SolidWorks对吊臂进行实体建模，之后以Parasolid(x-t)格式将实体模型导人ANSYS进行有限元分析。
2、单元类型的选择
基于软件对吊臂进行有限元分析的通常方法均是将吊臂结构视为线模型，后赋予梁单元属性进行强度和刚度等方面的有限元计算，但是梁单元是用线来代替三维实体结构，并不能反映结构几何上的细节，且伸缩式吊臂是由钢板焊接而成的箱型结构，应该选用二维板壳单元和三维实体单元混合分网，或全部选用三维实体单元划分网格。考虑到吊臂模型较复杂，文中采用三维实体单元Solid187对吊臂进行有限元分析。Solid187单元是一个高阶三维10节点固体结构单元，单元具有二次位移模式，可以更好地模拟不规则的模型。
3、材料定义
吊臂结构材料定义参数见表1。
4、实体模型处理及划分网格
从吊臂的整体结构来看，各节臂之间通过滑块接触和挤压来传递力，故分析中必须解决各节臂与滑块的连接关系。由于涉及接触问题，本该通过ANSYS设定接触对来进行求解，但是由于接触分析属于非线性分析范畴，求解过程需要反复迭代，既耗时又不易收敛，且吊臂实际结构中的接触特性不易模拟，为尽可能减小吊臂结构发生应力奇异的区域，只能用一般的有限元方法求解。其中，节点耦合(CoupleDOFs)是比较常用的技术，但是节点耦合技术要求接触面上对应节点的坐标必须一致，此条件在一般条件下很难满足。考虑到此次分析为静态分析(构件不能有刚体位移)，故分析中采用布尔操作——粘贴(Vglue)对模型进行处理，即将滑块同各级臂粘连起来，此法使得分析模型转为线性，从而大大减少计算机时。采用自由分网(Free)技术，最终形成单元数为556151个。
5、施加载荷及约束处理
（1）载荷分析
作用在起重机上的载荷分为常规载荷、偶然载荷、特殊载荷及其他载荷等类别，但是由于常規载荷是起重机正常工作中经常发生的载荷，且此次对起重机吊臂进行的是静强度试验分析，所以对吊臂计算所需的载荷仅为常规载荷中的自重载荷、起升载荷，考虑动载系数与相应静载荷相乘的动载效应及由于货物偏摆与风载等因素产生的侧向载荷(偶然载荷)。
由于ANSYS有限元软件可根据结构材料参数自动计算其重力，故在此无需另行施加。吊臂额定起升载荷PQ是起重机起吊额定质量(在试验中为28t)时的重力。当货物无约束起升离开地面时，货物的惯性力将会使起升载荷出现动载增大的作用，此动载效应用一个大于1的起升动载系数Φ2乘以额定起升载荷PQ来考虑，试验中起升动载系数Φ2根据试验确定，取1．25。侧载可以采用吊重侧向偏移的方法施加于臂架头部，但必须保证在施加侧载时不得产生铅垂方向的附加分力，其大小用一个侧载系数乘以额定起升载荷PQ来考虑，侧载系数φ根据最大额定起重量选择，在此次试验中，侧载系数φ取0．05。
考虑吊臂的最危险工况(全伸臂)，根据GB／T6068．3—2005《汽车起重机和轮胎起重机试验规范第3部分，结构试验》布置结构应力测试工况，如表2所示。
由于此次试验分析仅针对起重机吊臂结构，故还需在臂架头部施加起升绳拉力S1，S2，其方向位于臂架端点与起升卷筒的连线上(如图1所示)。
根据规范，采用双联滑轮组时，钢丝绳最大拉力为：
式中：P。——额定起升载荷，取28000g，N；
P吊具——吊具重力，取500g，N；
g--重力加速度，m／s2；
m——滑轮组倍率，m=6；
a——钢丝绳与吊具夹角，a=40°；
л组——滑轮组效率，取л组=0．96；
Л1·л2——导向轮效率，取Л1·л2=0．985。
式(1)中分母乘2表示绕入卷筒的钢丝绳分支数
为2。由于计算考虑的是吊臂最危险工况，故取S1=S2=Smax=38373N。
（2）施加载荷及位移约束
由于基本臂根部铰点(图1中点A)和变幅油缸上铰点(图1中点)在变幅平面内为简支，在回转平面内呈固支，故需在柱坐标系下约束基本臂相应销孔的径向自由度和轴向自由度。对于作用在吊臂上的载荷，可根据前述计算的数值和相应工况并以相应的方向施加于吊臂头部，如图1所示。
对于吊臂自身重力，ANSYS软件将根据密度与重力加速度自行计算，在此无需另行施加。
四、计算结果的处理及分析
由ANSYS通用后处理器POST1可知吊臂各方向上的变形分量，从而可计算出变幅平面及回转平面内挠度，见表3。
当起吊额定载荷时，变幅平面内挠度为：
当起吊额定载荷，并附加侧向载荷(额定载荷的5％)时，回转平面内挠度为：
式中：[Lx]——吊臂在变幅平面内的许用挠度，m；
[LY]——吊臂在回转平面内的许用挠度，m；
L——吊臂臂长，m。
针对3种工况的许用挠度为：
[Lx]=124mm
[LY]=87mm
显然，3种工况下：
Lx<[Lx]
Ly<[LY]
综上分析，3种工况下吊臂均满足刚度要求。
五、吊臂强度试验
为验证有限元建模和计算的准确性，对吊臂进行了强度试验。由于条件所限，采用静态强度试验，与有限元静态分析结果进行比较。若试验结果与计算结果相符，说明有限元模型是正确的，计算结果是可靠的。
由于起重机需根据不同作业高度和起重量调整作业状态，故选取在额定载荷下的两种工况进行有限元分析：工况1为吊臂水平时的最大吊重，工况2为吊臂倾斜75°时的最大吊重。
试验中，在有限元静态计算对应工况时具有较大应力值附近(如图2)布置测点。为减少数据处理工作量，试验布置2组4个测点，每组2个测点，对称分布，位于油缸铰孔的支座垫板上，与有限元分析中的节点位置相对应，节点号分别为9039、8884和8789、8865。各测点具体位置如图3所示。
通过测量系统得到的各测点应变量，需先转化为应力值，然后根据第四强度理论得到试验等效应力。
计算结果和测试结果表明(如表4)，两者基本相符。说明有限元模型正确，模态分析结果可靠。
六、意义
吊臂是汽车起重机的重要组成部分。它承受着起重机的各种外载荷，一般占总机重量的20％，耗钢量大。随着起重量的不断增大，其吊臂的重量也不断的增大。因此对汽车起重机吊臂进行合理的结构设计及力学分析是有着重要意义的。
七、结束语
综上所述，对吊臂结构有限元的研究是起重机发展的重要环节，在科技不断发展的背景下，我们要加强起重机吊臂结构有限元的分析。
参考文献
[1]王金诺.起重运输机金属结构[J].中国铁道出版社，2011(3):23-27．
[2]纪爱敏.起重机伸缩吊臂局部稳定性的有限元分析[J].农业机械学报，2012，(6)：48-51．