伸缩式箱形起重吊臂的有限元计算和优化设计

3 !载荷计算与模型加载
伸缩臂上作用的载荷有’ 吊重$ 自重$ 风 载 及机构起制动运行的惯性力% 按受力分析可将其
上半月刊" ! " # " $ " %!
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截面伸缩臂所受最大应力达到! #其等效应力 ! ) I % 9 分布图如图’所示%
图4 !矩形截面伸缩臂的等效应力云图
图6 !沿路径应力变化
1 !起重机伸缩臂参数化建模
1 2 1 !实体建模 建立起重机伸缩臂实体模型是有限元分析的 第一步# 该 模 型 可 以 通 过 三 维 0 ! & 图直接导入 #方便快捷% 但导入后的模型图需要做有 ! " # $ # 限元分析计算的模型简化# 去除不影响计算结果 的局部微小棱角$小孔等# 否则会导致网格划分$ 求解计算失败或结果失真# 结构越复杂简化工作 量越大&另外复杂的三维 0 ! & 图导入到 ! " # $ # 有可能出现局部结构错误# 也需要修复重画% 因 此本文采用直接由 ! " # $ #的 ! % & ’ 语言实现参 数化的有限元实体模型的建立# 更加快速$ 准确 地建立满足有限元计算的模型# 从而提高有限元
图1 !伸缩臂截面形状
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! 收稿日期" ! " " ) * # ! * ! ( ! 通讯地址" 曾成奇! 山西省太原市太原科技大学
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上半月刊" ! " # " $ " %!
使得原本繁杂的工作变得方便简捷% 六边形截面 伸缩臂整体有限元模型如图!所示#通过改变伸缩 臂仰角的大小和各节臂之间的搭接长度 # 可以完 成不同工况下的有限元分析# 仰角在材料参数输 入界面中输入%

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整体平衡方程为
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汽车起重机六边形截面箱形伸缩臂计算研究沈玉凤　孟庆华山东工程学院　山东淄博255012荆世汉　周太宁山东泰安起重机械厂　山东泰安271000摘要　本文对五节臂六边形截面伸缩臂的设计计算方法进行了探讨。

编制了相应的计算程序,对50T 汽车起重机伸缩臂强度、刚度、稳定性进行了计算。

关键词　起重机,伸缩臂,强度,刚度,稳定性中图分类号:TG 76 文献标识号:A引　言轮胎式起重机伸缩臂一般占总机重量的20%,因此减轻吊臂重量,提高吊臂的强度、刚度和稳定性是改善吊臂性能的主要途径。

采用高强度材料固然有效,但合理地选择截面形状和正确进行设计计算往往会带来事半功倍的效果。

伸缩臂的设计计算比较复杂,人工计算会耗费大量时间,尤其对于六边形截面其运算量更大,况且目前尚无规范的计算方法。

本文对五节臂六边形截面伸缩臂的设计计算方法进行了探讨,采用F ortran 语言编写了箱形伸缩臂的计算程序,可以对多节六边形截面伸缩臂进行分析计算。

工程中起重机吊臂常采用四边形截面,它的最危险处为四个角点处,在该处最易产生应力集中。

并且四边形截面吊臂的下底板、腹板受较大的压应力作用,使下底板、腹板常出现局部失稳。

另外四边形截面吊臂在正常工作中常常发生颤动。

为了避免上述不利因素,提高腹板的稳定性,本文采用如图1所示的六边形截面。

该截面采用大圆弧过渡,腹板高度减小,受力状况得到改善。

1　吊臂力学模型轮胎式起重机箱形吊臂的根部由水平销轴与回转平台相连,可以在垂直面内(变幅平面)自由转动。

在基本臂的后半部分支承着变幅油缸。

由于变幅油缸的支承处为一球铰,在横向平面内对吊臂无任何约束。

因此,吊臂在垂直平面内可视为外伸梁(如图2所示);在横向平面内视为悬臂梁(如图3所示)。

吊臂在正常工作时,垂直平面内受到铅垂方向上的吊重载荷Q 、吊钩与滑轮组重q 、起升绳拉力T s 和吊臂本身自重G b 的作用。

在横向平面内受到水平惯性力、吊重偏摆引起的水平力以及风载荷W 的作用。

【 △ ｊ
（） １ ， ５ ． 则许用应力 为 ： ］３３１ ＝ ３ ． ａ ＇ ＝ ３／．＝ ５ ． ５ ［ ＝ ５／． ２ ５３ ｏ ］２ ５１ １６７ １ ５ ＭＰ ｚ ５
式 中：△ ｝ ｛ “ —单元 ８ 个节点的位移向量 ；Ⅳ］ ［ —形函数矩阵。
任一点的应变位移的关系为 ：６ Ｉ ｛ “｝ｅ ｛ｋ＝ Ｎ］△ ‘ ＂｝ ／
重 物 惯性 阻 转矩 Ｔ＝ ￣ ａ １ ３ Ｉ ：２Ｐ ￣ ＝ ５ Ｎ‘ ｐ ｎ
（） １
（ ２）
旋转轴的摩擦转矩 Ｔ＝ｙ＋ Ｔ＝ ２ ７ Ｉ ：３ Ｔ ２￣ ６ ． Ｎ。 ６ ｎ 坡度转矩 Ｔ＝ ｏｓ ａ ｉ ｌ３ ６ ２ Ｉ ：４Ｐ ｃｉ ｓ ￣ ＝ ７ ． Ｎ。 ｎ ｎ ９ ｎ
２１ ７
３伸缩臂的有 限元分析
３１接触 单元分 析及 其方 程 ．
设接触单元的厚度为 ｅ局部坐标系 （ ｔ的原点取在单元 ， ｍｎ）
ｆ Ａｕ １
２两种工况来研究。 ） 约束第一节立柱的底部各节点在 Ｕ 、 、 三 。
个方 向的位移 自由度和 Ｕ Ｕ 、 Ｒ 三个方 向的旋转 自由度 。 Ｒ 、Ｒ： ， Ｕ
ｍｕｔ ｕ ｃ ｉ ｎ ｈｇ ｔ ｕ ｅ ｐａ ｆ ｒ ｌｆ ｎ ｔ ｉｈ — ｉ ｄ ｌｔ ｍ ｉ ｏ ａｌｔ ｏ
Ｌ ｉ－ｅ ｇＪＡ ＧＷｅ，Ｈ Ｎ ｉ ｕ ， Ａ ａ — ａ Ｉ ｎ ｆｎ ， Ｎ ｉＺ Ａ Ｇ Ｌ－ ｎ Ｇ Ｏ Ｎ ｎ ｎ ｎ Ｑ Ｉ ｊ （ ｃ ｏｌ ｆ ｃａ ｉａ Ｅ ｇ ｅｒ ｇＪ ｎ ｓ ｎｖｒ ｔ ｏ ｉｎ ｅ ｎ ｅｈ ｏ ｇ ， ｈｎｉ ｇ２ ０ ， ｈｎ ） Ｓ ｈｏ ｏ ｈ ｎｃｌ ｎ ｉ ｅｉ ，ｉ ｇｕＵ ｉ ｓ ｙ ｆ ｃｅ ｃ ｄＴ ｃｎ ｌ ｙ Ｚ ｅｊ ｎ ０ ３ Ｃ ｉａ Ｍｅ ｎ ｎ ａ ｅ ｉ Ｓ ａ ｏ ａ １ ２