矿用转向节臂的结构强度有限元分析_马宇
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用 运 输 车 ，2007 ，33(4) ：33-38． ［3］徐灏． 机械设计手册［K］. 北京：机械工业出版社，1991．
作 者 简 介 ： 马 宇 （1979- ），女 ，河 南 邓 州 人 ，教 师 ，助 教 ，研 究 生 毕业于郑州轻工业学院机械制造及其自动化专业，现主要研究方向 为机械 CAE，电话：0371-63556543.
定义最大应力位置，存储节点应力、设定事件 析的模拟结果可以作为进一步进行结构设计和优化
的重复次数即规定循环次数为 106 次， 进行疲劳估 的依据。
算。 ANSYS 提供的是简化的 Miner 准则。 由于转向
节臂受对称循环载荷作用， 只存在一个应力幅 σα， 考虑各种影响系数后，在一个应力幅作用下其安全
强度（摩擦型）螺栓进行联结，互换性好，可重复拆装，强度高，使用可靠；采用已获国家专利的新型楔形绳环结构，使之操作更
为简便、安全、可靠；首绳悬挂装置与罐笼悬挂板连接处采用高分子套，减少罐笼运行过程中的磨损和锈蚀，同时增加了更换悬
挂的简易性和方便性，提高了悬挂装置的寿命；尾绳悬挂采用扁尾绳悬挂装置，不打绞，强度高以及滚轮罐耳采用了高密封、大
DOI:10.13436/j.mkjx.2011.09.100
第 32 卷第 09 期 2011 年 09 月
煤矿机械 Coal Mine Machinery
Vol.32 No.09 Sep. 2011
矿用转向节臂的结构强度有限元分析
马 宇， 苏二伟 （郑州轻工业学院 机电工程学院， 郑州 450002）
摘 要： 针对矿用转向节臂杆部在使用中会发生断裂的问题， 运用有限元分析软件 ANSYS， 建立转向节臂的有限元计算模型，并对其进行静态应力应变分析和疲劳分析计算，从结构强度角 度出发探讨转向节臂杆部断裂的原因，为转向节臂进一步的结构设计提供必要的理论依据。
关键词： 转向节臂； 应力； 应变； 结构强度； 疲劳 中图分类号： TH131.9 文献标志码： A 文章编号： 1003 － 0794（2011）09 － 0077 － 02
表 1 45Cr 钢的离散应力—循环次数对应数值表
循环次பைடு நூலகம் N 应力水平 S 循环次数 N 应力水平 S 循环次数 N 应力水平 S 循环次数 N 应力水平 S
1×102 1 300 2×103 850 5×105 600 9×106 350
2×102 1 100 1×104 800 1×106 550 1×107 300
NODAL SOLUTION
STEP=1
SUB=1
TIME=1
EPTOEQV (AVG) DMX=.004 292
MN
SMN=.001 552
SMX=645.603
MAY 6 2010 11:29:08
钢疲劳极限 σ-1＝300 MPa； kσ— — — 有 效 应 力 集 中 系 数 ； ε— ——尺寸系数，取 ε＝1； β— ——表面加工系数，取 β＝0.65。 积累损伤理论认为，当应力高于构件的持久极 限时，第 1 个应力循环都将使构件受到损伤。 线性
维实体单元进行网格划分 ，形成有限 元模型如图 2 形，最高水平为 645 MPa，因此这里最容易断裂。 从
所示。
转向节臂的等效应变分布云图（略）看出，最大应变 77
Vol.32No.09
矿用转向节臂的结构强度有限元分析— ——马 宇， 等
第 32 卷第 09 期
为 0.33E-05，也发生在固定柱销与拉杆柱销之间的 连接杆折弯处。
系数
nσ=
σ-1
kσ εβ
σα
式中
参考文献： ［1］元 涛 ，段 莉 萍 ，陈 耘． 左 转 向 节 臂 断 裂 失 效 分 析 ［J］. 兵 器 材 料 科
学 与 工 程 ，2006 ，29(4) ：53-55． ［2］王 若 平 ，王 延 强 ，林 军． 汽 车 转 向 节 臂 疲 劳 仿 真 ［J］. 拖 拉 机 与 农
D
图 1 左转向节臂零件图
分必要。 本文主要应用 Pro/E 三维造型软件建立某
型号矿 用 自 卸 车 转 向 节 臂 的 几 何 模 型 ， 利 用 AN-
SYS 软 件 对 其 进 行 静 强 度 分 析 和 疲 劳 强 度 分 析 计
算， 从结构强度理论观点出发探讨转向节臂的断
裂原因。 1 有限元分析模型
5×102 1 000 1×105 750 5×106 500 1.1×107 270
1×103 950 2×105 700 7×106 450 1.2×107 240
1.5×103 900 3×105 650 8×106 400 1.5×107 200
k
Σ ni =1
N i = 1 i 经过疲劳分析计算， 最后输出的指定节点处的 疲劳寿命累积损伤系数为 0.56。由此可见，转向节臂 满足疲劳强度设计要求。 3 结语 转向节臂是形状和受载比较复杂的零部件，合 理地建模、 约束与载荷的精确确定是有限元模拟计 算的关键。本文通过建立有限元模型，进行仿真分析 计算，得到转向节臂的最大应力值为 645 MPa，最大 应变值为 0.33E-05，而且均发生在固定柱销与拉杆 柱销之间的连接杆折弯处， 这与实际使用过程中容 易出现断裂的部位相符。 通过 ANSYS 疲劳分析模块进行转向节臂的疲 劳强度分析， 估算出转向节臂的疲劳强度符合使用 要求， 因此转向节臂的断裂原因主要是瞬间的动载 荷过大引起。 通过对转向节臂的结构强度有限元分
积累损伤理论认为，变幅交变应力下，各级交变应
力对构件引起的损伤的总和等于 1 时便造成疲劳
ZX
失效，即
.001 552 143.469 286.936 430.403 573.87 71.735 215.202 358.669 502.136 645.603
图 3 等效应力分布云图
（2）疲劳强度分析 转向节臂在工作中承受的是动载荷，虽然满足 静强度设计要求， 但还有必要进行疲劳强度分析。 在静强度分析结果的基础上， 进入 ANSYS 的后处 理模块 POST 中，恢复数据库。 在疲劳分析模块中， 输入转向节臂材料的 S-N 曲线，材料为 45Cr 钢，参考文献[3]提供的曲线，离散 出 20 对应力—循环次数数值，如表 1 所示。
Abstract: The mining knuckle arm are easy to break in actual application. The finite element calculating model for knuckle arm is established by using ANSYS, and the finite element simulating is proceeded, with which the information of maximum stress and strain displacement as well as the cumulative fatigue strength have been obtained, from the point of strength view, the truth break factor is founded. All these can be the means for providing essential theoretic gist for further improving the structure design. Key words: knuckle arm; stress; strain; structure strength; fatigue
σ-1— ——材料在对称循环下 的疲劳极限 ，45Cr
责任编辑：于秀文 收稿日期：2011－01－13
ΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣ
泰安煤机公司承制特大型罐笼
近日，山东煤机集团泰安煤机公司与德国西马格美特矿山设备有限公司签订合作协议，共同为内蒙古葫芦素煤矿制造特
强度液压缓冲结构形式，使用寿命长等特点。
78
（苗成标）
0 引言 转向节臂是连接汽车转向节和转向拉杆的一
个重要零件， 它在工作中将来自于转向拉杆的转 动力矩传递给转向节，从而带动转向轮偏转，实现
22-0.015
G 2 孔锥度 1.8
6°H30′
准93±2
E SR18
A
FC
B
152±2
转向。 实际使用过程中，转向节臂的转向拉杆在联
145±2
接柱销到固定柱销之间的部位受力比较复杂，承 受弯扭组合变形，应力水平比较高，而且容易发生 断裂， 因此对转向节臂断裂原因的分析就显得十
大型罐笼，该罐笼有效载荷达 50 t。
泰安煤机公司是原煤炭部提升容器定点生产厂家，具有 22 t 以 上 大 型 、超 大 型 罐 笼 丰 富 的 设 计 、制 造 和 现 场 调 试 经 验 ，特
别是在罐笼制造方面具有独到之处 ，这其中包括悬挂板与主梁之间的联结采用铰制孔螺栓联接，立柱与上、下盘体之间采用高
图 2 左转向节臂的有限元模型
2 计算结果
如图 1 所示为左转向节臂零件图， 由图 1 可 见，在与转向节联接部位有一段锥形圆孔，在固定
（1）静强度分析 转向节臂的固定轴销与车体前桥固接，因此仿
轴销与锥形圆孔之间是一段变截面矩形截面杆， 真计算时，在固定轴销内表面施加径向约束，约束
在 拉 杆 轴 销 与 固 定 轴 销 之 间 是 一 个 空 间 的 折 弯 其刚体位移。 某种国内矿用自卸车载重量 110 t，依
通过 Pro/E 中的投 影功能来创 建空间曲线 ，接着通 计算可得到转向节臂的应力分布和应变分布云图。
过扫描混合选项做出弯曲部分，然后将其保存为 从图 3 中可以看出，最大应力值发生在固定柱销与
作 者 简 介 ： 马 宇 （1979- ），女 ，河 南 邓 州 人 ，教 师 ，助 教 ，研 究 生 毕业于郑州轻工业学院机械制造及其自动化专业，现主要研究方向 为机械 CAE，电话：0371-63556543.
定义最大应力位置，存储节点应力、设定事件 析的模拟结果可以作为进一步进行结构设计和优化
的重复次数即规定循环次数为 106 次， 进行疲劳估 的依据。
算。 ANSYS 提供的是简化的 Miner 准则。 由于转向
节臂受对称循环载荷作用， 只存在一个应力幅 σα， 考虑各种影响系数后，在一个应力幅作用下其安全
强度（摩擦型）螺栓进行联结，互换性好，可重复拆装，强度高，使用可靠；采用已获国家专利的新型楔形绳环结构，使之操作更
为简便、安全、可靠；首绳悬挂装置与罐笼悬挂板连接处采用高分子套，减少罐笼运行过程中的磨损和锈蚀，同时增加了更换悬
挂的简易性和方便性，提高了悬挂装置的寿命；尾绳悬挂采用扁尾绳悬挂装置，不打绞，强度高以及滚轮罐耳采用了高密封、大
DOI:10.13436/j.mkjx.2011.09.100
第 32 卷第 09 期 2011 年 09 月
煤矿机械 Coal Mine Machinery
Vol.32 No.09 Sep. 2011
矿用转向节臂的结构强度有限元分析
马 宇， 苏二伟 （郑州轻工业学院 机电工程学院， 郑州 450002）
摘 要： 针对矿用转向节臂杆部在使用中会发生断裂的问题， 运用有限元分析软件 ANSYS， 建立转向节臂的有限元计算模型，并对其进行静态应力应变分析和疲劳分析计算，从结构强度角 度出发探讨转向节臂杆部断裂的原因，为转向节臂进一步的结构设计提供必要的理论依据。
关键词： 转向节臂； 应力； 应变； 结构强度； 疲劳 中图分类号： TH131.9 文献标志码： A 文章编号： 1003 － 0794（2011）09 － 0077 － 02
表 1 45Cr 钢的离散应力—循环次数对应数值表
循环次பைடு நூலகம் N 应力水平 S 循环次数 N 应力水平 S 循环次数 N 应力水平 S 循环次数 N 应力水平 S
1×102 1 300 2×103 850 5×105 600 9×106 350
2×102 1 100 1×104 800 1×106 550 1×107 300
NODAL SOLUTION
STEP=1
SUB=1
TIME=1
EPTOEQV (AVG) DMX=.004 292
MN
SMN=.001 552
SMX=645.603
MAY 6 2010 11:29:08
钢疲劳极限 σ-1＝300 MPa； kσ— — — 有 效 应 力 集 中 系 数 ； ε— ——尺寸系数，取 ε＝1； β— ——表面加工系数，取 β＝0.65。 积累损伤理论认为，当应力高于构件的持久极 限时，第 1 个应力循环都将使构件受到损伤。 线性
维实体单元进行网格划分 ，形成有限 元模型如图 2 形，最高水平为 645 MPa，因此这里最容易断裂。 从
所示。
转向节臂的等效应变分布云图（略）看出，最大应变 77
Vol.32No.09
矿用转向节臂的结构强度有限元分析— ——马 宇， 等
第 32 卷第 09 期
为 0.33E-05，也发生在固定柱销与拉杆柱销之间的 连接杆折弯处。
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nσ=
σ-1
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参考文献： ［1］元 涛 ，段 莉 萍 ，陈 耘． 左 转 向 节 臂 断 裂 失 效 分 析 ［J］. 兵 器 材 料 科
学 与 工 程 ，2006 ，29(4) ：53-55． ［2］王 若 平 ，王 延 强 ，林 军． 汽 车 转 向 节 臂 疲 劳 仿 真 ［J］. 拖 拉 机 与 农
D
图 1 左转向节臂零件图
分必要。 本文主要应用 Pro/E 三维造型软件建立某
型号矿 用 自 卸 车 转 向 节 臂 的 几 何 模 型 ， 利 用 AN-
SYS 软 件 对 其 进 行 静 强 度 分 析 和 疲 劳 强 度 分 析 计
算， 从结构强度理论观点出发探讨转向节臂的断
裂原因。 1 有限元分析模型
5×102 1 000 1×105 750 5×106 500 1.1×107 270
1×103 950 2×105 700 7×106 450 1.2×107 240
1.5×103 900 3×105 650 8×106 400 1.5×107 200
k
Σ ni =1
N i = 1 i 经过疲劳分析计算， 最后输出的指定节点处的 疲劳寿命累积损伤系数为 0.56。由此可见，转向节臂 满足疲劳强度设计要求。 3 结语 转向节臂是形状和受载比较复杂的零部件，合 理地建模、 约束与载荷的精确确定是有限元模拟计 算的关键。本文通过建立有限元模型，进行仿真分析 计算，得到转向节臂的最大应力值为 645 MPa，最大 应变值为 0.33E-05，而且均发生在固定柱销与拉杆 柱销之间的连接杆折弯处， 这与实际使用过程中容 易出现断裂的部位相符。 通过 ANSYS 疲劳分析模块进行转向节臂的疲 劳强度分析， 估算出转向节臂的疲劳强度符合使用 要求， 因此转向节臂的断裂原因主要是瞬间的动载 荷过大引起。 通过对转向节臂的结构强度有限元分
积累损伤理论认为，变幅交变应力下，各级交变应
力对构件引起的损伤的总和等于 1 时便造成疲劳
ZX
失效，即
.001 552 143.469 286.936 430.403 573.87 71.735 215.202 358.669 502.136 645.603
图 3 等效应力分布云图
（2）疲劳强度分析 转向节臂在工作中承受的是动载荷，虽然满足 静强度设计要求， 但还有必要进行疲劳强度分析。 在静强度分析结果的基础上， 进入 ANSYS 的后处 理模块 POST 中，恢复数据库。 在疲劳分析模块中， 输入转向节臂材料的 S-N 曲线，材料为 45Cr 钢，参考文献[3]提供的曲线，离散 出 20 对应力—循环次数数值，如表 1 所示。
Abstract: The mining knuckle arm are easy to break in actual application. The finite element calculating model for knuckle arm is established by using ANSYS, and the finite element simulating is proceeded, with which the information of maximum stress and strain displacement as well as the cumulative fatigue strength have been obtained, from the point of strength view, the truth break factor is founded. All these can be the means for providing essential theoretic gist for further improving the structure design. Key words: knuckle arm; stress; strain; structure strength; fatigue
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责任编辑：于秀文 收稿日期：2011－01－13
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泰安煤机公司承制特大型罐笼
近日，山东煤机集团泰安煤机公司与德国西马格美特矿山设备有限公司签订合作协议，共同为内蒙古葫芦素煤矿制造特
强度液压缓冲结构形式，使用寿命长等特点。
78
（苗成标）
0 引言 转向节臂是连接汽车转向节和转向拉杆的一
个重要零件， 它在工作中将来自于转向拉杆的转 动力矩传递给转向节，从而带动转向轮偏转，实现
22-0.015
G 2 孔锥度 1.8
6°H30′
准93±2
E SR18
A
FC
B
152±2
转向。 实际使用过程中，转向节臂的转向拉杆在联
145±2
接柱销到固定柱销之间的部位受力比较复杂，承 受弯扭组合变形，应力水平比较高，而且容易发生 断裂， 因此对转向节臂断裂原因的分析就显得十
大型罐笼，该罐笼有效载荷达 50 t。
泰安煤机公司是原煤炭部提升容器定点生产厂家，具有 22 t 以 上 大 型 、超 大 型 罐 笼 丰 富 的 设 计 、制 造 和 现 场 调 试 经 验 ，特
别是在罐笼制造方面具有独到之处 ，这其中包括悬挂板与主梁之间的联结采用铰制孔螺栓联接，立柱与上、下盘体之间采用高
图 2 左转向节臂的有限元模型
2 计算结果
如图 1 所示为左转向节臂零件图， 由图 1 可 见，在与转向节联接部位有一段锥形圆孔，在固定
（1）静强度分析 转向节臂的固定轴销与车体前桥固接，因此仿
轴销与锥形圆孔之间是一段变截面矩形截面杆， 真计算时，在固定轴销内表面施加径向约束，约束
在 拉 杆 轴 销 与 固 定 轴 销 之 间 是 一 个 空 间 的 折 弯 其刚体位移。 某种国内矿用自卸车载重量 110 t，依
通过 Pro/E 中的投 影功能来创 建空间曲线 ，接着通 计算可得到转向节臂的应力分布和应变分布云图。
过扫描混合选项做出弯曲部分，然后将其保存为 从图 3 中可以看出，最大应力值发生在固定柱销与
