壁行式起重机悬臂梁设计计算与SolidWorks Simulation有限元分析
专业课设,悬臂梁有限元分析
1研究目的与问题阐述1.1 基本研究目的(1) 掌握ANSYS软件的基本几何形体构造、网格划分、边界条件施加等方法。
(2) 熟悉有限元建模、求解及结果分析步骤和方法。
(3) 利用ANSYS软件对梁结构进行有限元计算。
(4) 研究不同泊松比对同一位置应力的影响。
1.2 基本问题提出图1.1 模型示意图如图1.1所示，当EX=3.01e6，F=5000N，悬臂梁杆一端固定，另一端为自由端。
当悬臂梁的泊松比u为：0.2、0.25、0.3、0.35、0.4时，确定同一位置的应力分布，得出分布云图。
二维模型，3*0.09m。
2 软件的介绍与使用2.1 ANSYS 简介ANSYS程序是一个功能强大的灵活的设计分析及优化、融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元商用分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。
该软件提供了一个不断改进的功能清单，集体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体动力分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分、大应变/有限转动工功能一接利用ANSYS参数设计的扩展宏命令功能。
ANSYS由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数系统下生成的集合数据传入ANSYS,如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等，并通过必要的修补可准确地在该模型上划分网格并求解。
2.2 ANSYS软件的功能介绍ANSYS软件含有多种有限元分析的能力，包括从简单线性静态分析到复杂非线性动态分析。
一个典型的ANSYS分析过程可分为以下三个步骤：创建有限元模型；施加载荷进行求解；查看分析结果；在有限元的分析过程中，程序通常使用以下三个部分：前处理模块，分析求解模块和后处理模块。
前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，通过这个模块用户可以建立自己想要的工程有限模型。
基于Solidworks Simulation的随车吊吊臂整体有限元分析
基于Solidworks Simulation的随车吊吊臂整体有限元分析李立顺;李红勋;孟祥德
【期刊名称】《制造业自动化》
【年(卷),期】2011(033)010
【摘要】利用Solidworks软件建立随车吊吊臂的三维实体模型,并以有限元分析软件SolidworksSimulation为平台,对随车吊在完全展开工况下吊装1t物资时吊臂整体进行了有限元分析,由分析结果知,吊臂设计安全可靠,符合设计规范.但安全系数较大,存在结构冗余,为产品的进一步优化设计提供参考.
【总页数】2页(P114-115)
【作者】李立顺;李红勋;孟祥德
【作者单位】军事交通学院,天津,300161;军事交通学院,天津,300161;军事交通学院,天津,300161
【正文语种】中文
【中图分类】TH128
【相关文献】
1.基于SolidWorks Simulation的随车起重机吊车臂有限元分析 [J], 冯立浩
2.基于ANSYS Workbench的折臂式随车起重机吊臂有限元分析 [J], 邵明;胡青春;谢文牧
3.基于Solidworks Motion的随车吊主要工作装置仿真 [J], 李立顺;李红勋;朱先民;陈阳
4.基于ANSYS某托吊联体型清障车吊臂有限元分析 [J], 李帅;田国富;王涛;杜林森
5.基于solidworks的某节段拼装架桥机旋转\r吊具机构的有限元分析 [J], 李军超;卫森;田凤学
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悬 臂 梁 的 有 限 元 分 析
悬臂梁的有限元分析
1 几何模型
在部件中新建一个几何模型，类型为可变性，形状为实体，类型为拉伸，模型空间为三维。
在网格线中画一个5ⅹ5的正方形，进行拉伸，拉伸长度为47。
图1.1 几何建模过程图
如图所示，模块创立好
图1.2 几何建模图
2 材料属性
1)在模块列表中选择属性功能模块，按照步骤，先创建材料（材料类型为钢）。
2)材料行为选择为弹性，同时弹性模量为200e3MPa，泊松比为0.3
3)创建截面属性，保持默认参数不变，点击继续
4)给部件赋予截面属性
图2.1 材料属性
3定义装配件
在左上角的模块列表中选择装配功能模块，点击默认参数。
4设置分析步
选择分析步模块，取名为step-1，分析步类型为静力，通用。
其余默认-点击继续
图4.1 分析步
5.载荷与边界
1)施加载荷点击创建载荷，将分析步载荷类型设置为压强，其余参数为默认，点击继续，
选择平板上平面，压强大小为0.188
2)选择长方体做平面制定约束
图5.1 载荷与边界
6划分网格
在模块列表中选择网格功能模块，注意划分网格是为部件划分，而不是为装配件划分。
如图，单元类型为CPS4R:四结点双线性平面应力四边形单元，
如图，单元数为1175，结点总数为1728
7分析结果
7.1应力变形云图
7.2位移变形云图
8分析结果
如图所示，Smax=3.82e1<113根据第四强度理论，该平板不会发生断裂。
用Solidworks和ANSYS对微硬盘悬臂梁进行建模及模态分析
用Soli dworks和ANS Y S对微硬盘悬臂梁进行建模及模态分析周丹(攀枝花学院机电工程系,四川攀枝花617000)摘 要:用S olid works和ANSYS软件对微硬盘悬臂梁进行了建模、模态分析,利用理论分析和软件仿真相结合的方式对4.57cm微硬盘悬臂梁进行振动模态分析,通过对各阶固有频率下的振型的计算,找出微硬盘悬臂梁中的具有整体弯曲和大摆动的频率点,在进行结构设计和控制方面要避免这些频率点,从而提高微硬盘悬臂梁的整体性能。
关键词:ANSYS;有限元分析;微硬盘悬臂梁;模态分析中图分类号:TP391 文献标志码:B 文章编号:167125276(2009)0620180204M oda l Ana lysis and M odeli n g of M i cro Hard D isk D r i ver Suspen si on,Usi n g ANSY S and Soli dworksZHOU Dan(Pa nzh i hua I n s titu te,Pa nzh i hua617000,C h i na)Abstract:The Mo de li ng&Moda l a na l ys is of the m i c r o ha rd d isk d ri ve su spe n si o n w e re m a de by u s i ng So li dwo rks&AN SYS soft2 w a re,the a utho r com b i ne d the theo ry a na l ys is a nd the F i n ite E l em e n ts a na l ys is t o s tudy the vi bra ti o n Mo da l ana l ys is of the su sp en2 s i o n o f the1.8i nch m i c r o ha rd disk dri ve.B a sed o n the m ode shap e o f the na ti o na l freque ncy,f o r the sa ke of e nha nc i ng the w ho l e cap ab ility of the m i c r o ha rd d isk d ri ve,the a utho r f o und o ut the fre quency w h i ch have w ho l e be nd a nd gre a t sw i ng,a nd avo i de d th is fre que ncy i n con struc ti o n a nd co ntr o l of the e ngi nee ri ng p r o j e c t.Key words:AN S YS;F i n ite E l em e nt Ana l ys is(FEA);m i c r o ha rd d isk d ri ve r su sp en s i o n;f o unda ti o n0 前言随着便携式笔记本电脑的发展,越来越多的笔记本电脑已经走进日常生活。
基于SolidworksSimulation的随车吊吊臂整体有限元分析
【114】 第33卷 第5期 2011-5(下)收稿日期：2010-12-12作者简介：李立顺（1971－），男，副教授，主要从事特种车辆设计与实验方面的研究。
0 引言近年来有限元分析法在工程机械结构计算分析中得到了广泛的应用，但是绝大多数仅限于对某个关键部件或部分部件进行强度、刚度的分析，本文采用整体有限元分析方法、借助Solidworks Simulation 软件对随车吊吊臂进行有限元分析。
1 三维实体建模吊臂由三节伸缩臂（伸缩臂1、伸缩臂2和伸缩臂3）组成，三节伸缩臂均为薄壁、四边形截面，采用弯折成形并利用合模后焊接而成，其中伸缩臂1在与动臂联接处采用箱型焊接体。
借助Solidworks 的实体建模功能，采用自底向上的设计方法，先对随车吊吊臂各零部件进行三维实体建模，再通过装配关系构建主要工作装置的三维实体模型，如图1所示。
法，主要对随车吊在完全展开工况下吊装1t 物资时的吊臂进行有限元分析。
2.1 有限元分析模型的建立打开吊臂装配体模型，在伸缩臂1与动臂联接处添加固定铰链约束如图2所示，在吊环内段添加1t 的受力如图3所示，为吊臂定义材料属性为HG70钢，采用实体网格，单元大小为30mm ，公差为1.2mm ，进行网格划分，划分单元为78579，节数为159093，如图4所示。
基于Solidworks Simulation的随车吊吊臂整体有限元分析FEA of the whole boom of truck crane based on solidworks simulation李立顺，李红勋，孟祥德LI Li-shun, LI Hong-xun, MENG Xiang-de（军事交通学院，天津 300161）摘 要： 利用Solidworks软件建立随车吊吊臂的三维实体模型，并以有限元分析软件SolidworksSimulation为平台，对随车吊在完全展开工况下吊装1t物资时吊臂整体进行了有限元分析，由分析结果知，吊臂设计安全可靠，符合设计规范。
基于SolidWorks的双梁桥式起重机的有限元分析
基于SolidWorks的双梁桥式起重机的有限元分析（a ）给定阶跃信号时转速波形（b ）突加斜坡信号时转速波形（c ）稳态相电流波形图4实验波形科技情报开发与经济SCI -TECH INFORMATION DEVELOPMENT ＆ECONOMY 2020 年第19卷第16期倍。
实验控制一台SIEBER 电机，其参数为：额定功率0. 37kW ，额定转速2820r /min ，额定电流1. 7A ，额定电压110V 。
电机空载运行时，实验结果由上位机的窗口显示，见图4。
由图4（a ）可以看出，系统可迅速达到稳态几乎无超调，且稳态误差小。
电机达到稳态后突加斜坡信号的转速波形见图4（b ），稳态相电流波形见图4（c ）。
实验结果表明本系统设计合理，控制精度高，具有良好的动静态性能。
参考文献［1］陈伯时. 电力拖动自动控制系统［M ］. 3版. 北京：机械工业出版社，2003.［2］李永东. 交流电机数字控制系统［M ］. 北京：机械工业出版社，2002. ［3］江思敏. TMS320LF240X DSP 硬件开发教程［M ］. 北京：机械工业出版社，2003.（本文其他参考文献因著录项目不全被删除）（责任编辑：李敏）────────────────第一简介：张楠，女，1979年1月生，2002年毕业于山东大学自动化专业，讲师，南山学院自动化工程学院，山东省烟台市南山学院东海校区自动化工程学院83栋D106，265713.The Alternative Current Speed Adjusting Systemwith Vector Control Based On TMS320LF2407ZHANG Nan , XIN Yu-gangABSTRACT :This paper introduces the vector control strategy , and puts forward an alternative current speed adjusting system with vector control based on TMS320LF2407. The experimental results show that the system with rational design , good real－timeand high control precision possesses excellent static and dynamic performances .KEY WORDS :electric motor ; vector control ; alternative current speed adjusting system ; DSP （digital signal processor ）随着科学技术的不断进步、计算机软件和硬件的不断更新和升级，使计算机辅助设计（CAD－ComputerAided Design ）在机械设计中发挥越来越大的优势。
基于solidworks的汽车起重机臂架静态与模态仿真分析
第６期(总第２１７期)２０１９年１２月机械工程与自动化M E C HA N I C A L ㊀E N G I N E E R I N G㊀&㊀A U T OMA T I O NN o ．６D e c ．文章编号:１６７２Ｇ６４１３(２０１９)０６Ｇ０１１６Ｇ０２基于S o l i d W o r k s 的汽车起重机臂架静态与模态仿真分析焦国敏,李俊刚,闵㊀超(陕西省特种设备检验检测研究院,陕西㊀西安㊀７１００００)摘要:以１２t 汽车起重机臂架为研究对象,采用有限元大型结构分析软件S o l i d W o r k s 对汽车起重机臂架钢结构进行静态与模态仿真分析.仿真得到臂架在最危险作业工况下的应力分布和变形情况,计算臂架强度㊁刚度和各阶固有频率及相应振型.结果表明:臂架最大应力小于许用应力㊁最大位移小于许用位移㊁基频大于控制值.建议臂架设计时,应加强臂架最大振幅对应部位的强度和刚度,从而达到对臂架金属结构的合理设计目的.关键词:汽车起重机;起重臂;静态;模态;S o l i d W o r k s 中图分类号:T P ３９１ ７㊀㊀㊀文献标识码:A收稿日期:２０１９Ｇ０８Ｇ１５;修订日期:２０１９Ｇ１０Ｇ１７作者简介:焦国敏(１９９１Ｇ),男,山西朔州人,助理工程师,硕士,从事特种设备的检验检测与研究工作.０㊀引言随着国内基础设施建设发展的逐步完善,汽车起重机由于具有操作便捷灵活的特点成为国家基础设施建设中不可缺少的关键机械设备.汽车起重臂是承担吊装货物的主要受力金属结构件,本文以额定起重量为１２t 的３节伸缩臂汽车起重机为研究对象,采用有限元软件S i m u l a t i o n 对汽车起重机臂架钢结构进行静态与模态仿真分析.１㊀汽车起重机臂架有限元仿真分析臂架是汽车起重机金属结构中的重要组成部分,是承担载荷的主要受力结构件.采用软件S o l i d W o r k s 对臂架进行建模,然后应用S i m u l a t i o n 对臂架进行静态和模态仿真分析,计算出臂架的应力㊁应变和臂架的固有频率及相应振型,通过对应力和位移最大的位置进行合理改善,实现臂架的优化设计.１．１㊀建立起重机臂架有限元模型本文研究的汽车起重机臂架为三节臂架,应用软件S o l i d W o r k s 建立臂架三维物理模型,如图１所示.臂架材料为Q ４６０E ,其弹性模量E ＝２．０７ˑ１０１１P a㊁泊松比μ＝０．３㊁密度ρ＝７８００k g/m ３.图１㊀汽车起重机臂架物理模型１．２㊀网格划分汽车起重机臂架由钢板轧制焊接而成,模型网格类型采用实体标准网格,雅格比为４,单元大小为８８．３３０１m m ,节点总数为７７２６２个,单元总数为４２５２７个,网格划分结果如图２所示.１．３㊀约束与加载１．３．１㊀静态仿真分析约束与加载对臂架进行静态学仿真分析时,在臂架的最下端和液压缸的铰接处约束X ㊁Y ㊁Z 轴三个方向平移自由度和X ㊁Z 轴两个方向旋转自由度.臂架加载的载荷组合由臂架自重㊁吊重㊁风载荷和水平惯性力组成.臂架静态和模态仿真分析计算选择起重机作业危险工况,即臂架三节臂全臂展,起吊对应额载.起重机起吊吊重时伴随起升冲击,取起升冲击系数φ１＝１．０,臂架自重F G ＝２５２５N ,则臂架自重加载为:φ１F G ＝２５２５N ．(１)起重机起吊吊重时,吊重伴随起升动载.起重机的起升状态分为H C １~H C ４四个级别,起升状态为H C ４时起升动载系数φ２＝１．２.起重机臂架在全臂展最危险工况下起吊额载F Q ＝９０００N ,则吊重加载为:φ２F Q ＝１０８００N ．(２)起重机起吊时水平惯性力计算公式为:P H ＝φ５m ２a ．(３)其中:φ５为加速动载系数,取φ５＝１．５;m ２为总起升质量,m ２＝９００k g ;a 为运行平均加(减)速度,a ＝０．３５m /s ２.将数值代入式(３)计算得:P H ＝４７２．５N .起重机工作状态的最大风载计算公式为:P W ＝C pA ．(４)其中:C 为风力系数,取C ＝１．６;p 为计算风压,p ＝１２５N /m ２;A 为结构迎风面积,A ＝６．４m ２.将数值代入式(４)计算得:P W ＝１２８０N .起重机臂架的约束与加载如图３所示.１．３．２㊀模态仿真分析约束与加载模态仿真分析约束与静态仿真分析约束相同,但模态仿真分析加载时只加载重力.１．４㊀静态求解与查看结果基于有限元分析软件S i m u l a t i o n 对臂架强度和刚度的有限元静力分析,可以找出危险工况下的应力和变形分布并与结构理论计算做比对验证.得到的臂架应力云图和位移云如图４㊁图５所示.图２㊀臂架模型网格划分图３㊀起重机臂架约束与加载图４㊀臂架应力云图图５㊀臂架位移云图由图４可知,越靠近液压缸与臂架铰接处应力越大,应力最大值为２２９M P a.汽车起重机臂架结构由钢板Q ４６０E 焊接而成,许用应力[σ]＝３１５．３M P a,显然最大应力值小于许用应力值,满足要求.由图５可知,越靠近臂架端部位置变形越大,最大位移达到３７４．８m m ,小于臂架的许用刚度值４２８m m ,满足许用值要求.１．５㊀模态求解与查看结果模态分析采用S i m u l a t i o n 提供的算法求解高阶时对称矩阵特征向量并显示结果.通过求解计算汽车起重机臂架前６阶的频率,提取模态分析计算结果,如图６所示.各阶模态的固有频率及振型见表１.由如６可以看出,汽车起重机臂架的第１㊁５阶振型主要是水平方向的弯曲变形,最大振幅在臂架前段位置;第２㊁３㊁４阶振型主要是垂直方向的弯曲变形,最大振幅在臂架前段位置.综上所述,臂架的振型主要表现为水平振动和垂直振动变形两种,最大振幅主要发生在臂架前段和中部位置附近,因此,在臂架设计时应加强这些部位的刚度.２㊀结论(１)汽车起重机臂架在全臂展危险工况下,最大应力与最大位移均小于许用值,表明臂架强度和刚度较好.㊀㊀(２)汽车起重机臂架的第２㊁３㊁４阶振型为臂架的垂直方向振动,其基频为２．０４５２H z ;第１㊁５阶振型为臂架的水平方向振动,其基频为１．７３３３H z.分析表明,臂架垂直刚度和水平刚度较好,臂架在起落重物时不会发生共振.(３)通过对汽车起重机臂架的静态和模态分析,对于最大振幅出现的位置,臂架设计时应加强对应部位的强度和刚度,以实现对臂架钢结构的合理设计,提升产品质量.图６㊀起重机臂架前６阶振型表１㊀汽车起重机臂架固有频率及振型阶次频率(H z )振型主要特征阶次频率(H z)振型主要特征１１．７３３３水平振动４６．３４２５垂直振动２２．０４５２垂直振动５１２．０１２水平振动３４．４７３９垂直振动６１７．１１１垂直振动参考文献:[１]㊀徐格宁．机械装备金属结构设计[M ]．第３版．北京:机械工业出版社,２０１９．[２]㊀李强,侯海龙．Q Y ２５H 汽车起重机臂架有限元计算与分析[J ]．重型汽车,２００９(５):１９Ｇ２０．[３]㊀孙永胜,李纲,吕明华．基于S o l i d w o r k s 的门座起重机门架结构有限元分析[J ]．建筑机械,２０１５(１):９２Ｇ９４．[４]㊀师玮,韩晓君．基于S o l i d W o r k s的桥机主梁有限元仿真分析[J ]．机械工程与自动化,２０１５(４):４２Ｇ４３,４６．[５]㊀杜群贵,迟永滨．Q Y ２５A 汽车起重机臂架破坏原因分析[J ]．起重运输机械,２００３(６):４８Ｇ４９．[６]㊀王宇,张俊伟．有限元分析软件A N S Y S 在模态分析中的应用[J ]．起重运输机械,２０１３(１１):８３Ｇ８５．S t a t i c a n dM o d a l S i m u l a t i o nA n a l ys i s o f A u t o m o b i l e C r a n e B o o mB a s e d o n S o l i d W o r k s J I A OG u o Ｇm i n ,L I J u n Ｇg a n g,M I NC h a o (S h a a n x i S p e c i a l E q u i p m e n t I n s p e c t i o na n dT e s t i n g In s t i t u t e ,X i ᶄa n７１００００,C h i n a )A b s t r a c t :T a k i n g t h e １２t a u t o m o b i l e c r a n e b o o ma s t h e r e s e a r c h o b j e c t ,s t a t i c a n dm o d a l s i m u l a t i o n a n a l ys i s o f t h e a u t o m o b i l e c r a n e b o o ms t e e l s t r u c t u r ew a s c a r r i e do u tb y u s i n g t h e f i n i t ee l e m e n t l a r g e Ｇs c a l e s t r u c t u r a l a n a l y s i s s o f t w a r eS o l i d W o r k s ．T h r o u ght h es i m u l a t i o n ,t h es t r e s s d i s t r i b u t i o n a n d d e f o r m a t i o n o f t h e b o o mu n d e r t h em o s t d a n g e r o u sw o r k i n g c o n d i t i o n s a r e o b t a i n e d ,a n d t h e s t r e n gt h a n d s t i f f n e s s o f t h e b o o m a n d t h e n a t u r a l f r e q u e n c i e s o f t h e v a r i o u s s t a g e s a n d t h e c o r r e s p o n d i n g vi b r a t i o nm o d e s a r e c a l c u l a t e d ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h em a x i m u ms t r e s s o f t h e b o o m i s l e s s t h a n t h e a l l o w a b l e s t r e s s ,t h em a x i m u md i s p l a c e m e n t i s l e s s t h a n t h e a l l o w a b l e d i s p l a c e m e n t ,a n d t h e f u n d a m e n t a l f r e q u e n c yi s g r e a t e r t h a n t h e c o n t r o l v a l u e ．I t i s r e c o m m e n d e d t h a t t h e s t r e n g t ha n d r i g i d i t y o f t h e c o r r e s p o n d i n gp a r t o f t h em a x i m u ma m pl i t u d e o f t h e b o o ms h o u l db e s t r e n g t h e n e dw h e n d e s i g n i n g t h e b o o m ,s o a s t o a c h i e v e a r e a s o n a b l e d e s i gn o f t h em e t a l s t r u c t u r e o f t h e b o o m ．K e yw o r d s :a u t o m o b i l e c r a n e ;l i f t i n g a r m ;s t a t i c ;m o d a l ;S o l i d W o r k s７１１ ㊀２０１９年第６期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀焦国敏,等:基于S o l i d W o r k s 的汽车起重机臂架静态与模态仿真分析。
悬臂梁操作指导
（分析过程，包括前处理、求解、后处理，可以参考书中第74-81页装载机动臂的静力学有限元分析。尤其是前处理和后处理的内容）
1.
有一个如图1所示的悬臂梁（截面为10mm*10mm的矩形，长度100mm），受均布压力载荷10N/m2。试求出该悬臂梁的最大应力和最大挠度。
（它的解析解已经解完了，在图0的下面，挠度7.5e-6mm，应力0.003MPa，即3000Pa。）
图1悬臂梁的问题描述
2.
1）.启动CATIA，建立一个悬臂梁的3D模型，设置单位，加材料。（这一步已经做完了。）
2）.进入工程分析模块，加固定约束，加均布载荷，求解，查看结果。
3）.分析两次计算，第一次线性单元的边长为6mm，计算精度很低。第二次抛物线单元的边长为3mm，CATAI得到的挠度、应力与解析解基本一致。
3
1）.启动CATIA，打开xuanbiliang目录下的xuanbiliang.CATPart文件，在该文件中的几何模型中已经加好了材料（钢）。
2）.进入创成式零件有限元分析模块，如图1。之后点击“确定”，如图2。
图1
图2
3）.在零件的有限元模块中选择 工具条中的 按钮，按照如图3所示的方式选择梁的一个端面，点击“确定”，即可完成悬臂约束的施加。
18）.从图22的右侧可以看到挠度仅7.54e-6mmm，而理论上的挠度是7.5e-6mm，误差为0.53%。,精度足够了。
19）.选择 工具条中的 按钮，自动生成报告。参考图23，
在“output directory”中输入报告的存放位置。在title of the report中输入标题。
如果打算把查看过了图片都自动加到报告中，则把“add created image”选中。
基于SolidWorks Simulation的随车起重机吊车臂有限元分析
基于SolidWorks Simulation的随车起重机吊车臂有限元分析冯立浩【摘要】介绍了随车起重机吊臂的结构,并对其进行建模及有限元分析,分析结果直观地反映了吊臂的受力情况及薄弱部位.【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2011(000)005【总页数】2页(P80-81)【关键词】有限元;受力分析;吊臂;实体建模【作者】冯立浩【作者单位】石家庄煤矿机械有限责任公司,石家庄,050031【正文语种】中文【中图分类】TP391.7随车起重机是一种具有广泛使用前途的起重运输设备，近年来逐步取代了小吨位汽车起重机。
吊臂是随车起重机起重作业的重要部件，其设计水平的高低对整机的作业性能至关重要。
为此，利用Solid Works三维设计软件对吊臂进行实体建模并使用Simulation模块进行受力分析，可以更好地了解吊臂的受力情况，提高设计产品的技术含量，也使设计的产品更加合理。
吊臂的结构及截面简图如图1所示。
各节吊臂均为五边形、由四块长条钢板焊接而成的箱型结构。
选用的材料为低合金高强钢，主要承受轴向压力、弯矩以及扭转。
吊臂内部安装有执行吊臂各节臂伸缩任务的液压缸。
液压缸活塞杆为中空结构，可从中通过液压油。
各节臂间有相对滑动，靠其中的支撑滑块来支撑吊臂并传递力的作用。
固定臂上共有两处连接铰接孔：其根部铰接孔与立柱铰接，可以相对转动，改变吊臂仰角；固定臂下部铰接孔与变幅液压缸铰接。
吊臂端部安装有起升滑轮组，需要校核吊臂水平全伸时的工况。
此时的工作幅度为4.72m，吊臂前端加载1.6t载荷，相应建立的实体模型如图2所示。
在建立实体模型的过程中，要对模型进行一些简化和理想化：（1）建模后要进行干涉和间隙检查，不允许存在干涉；（2）对一些焊缝要进行理想化处理，如上下焊缝的吊臂结构，需要把焊缝过渡为圆角。
但在实际测量应力时，这些焊缝附近的应力是和理论计算结果相差很大的，这些部位的计算应力是不可信的；（3）一些对整体强度影响不大的孔可以忽略，一般10mm以下的孔可以不考虑。
基于SolidWorks设计算例起吊系统的有限元分析
基于SolidWorks设计算例起吊系统的有限元分析作者：叶青玉来源：《中小企业管理与科技·下旬刊》2013年第09期摘要：实验室自行设计的起吊系统是实现自动运输过程的主要执行部件，其可靠性直接影响着设备的安全性。
本文使用“SolidWorks Simulation”工具对起吊系统薄弱环节的主架机构进行有限元分析，采用设计算例获取主支架及导轨厚度的较佳设计参数。
关键词：有限元 SolidWorks Simulation 设计算例起吊系统1 分析目标实验室自行设计的起吊系统由位移机构及主架机构组成。
位移机构用于起吊工件承载机构，并将其输送到指定位置；主架机构用于支撑位移机构，为其提供必要的导轨、主支架等设施，采用SolidWorks建模如图1。
起吊系统中重量载荷及冲击载荷先传递到位移机构，再由位移机构将重量载荷及冲击载荷传递给主架机构[1]。
主架机构受到的外部载荷主要来自两个方面，一是位移机构、工件及工件承载机构的重量载荷，二是位移机构沿导轨滑动时产生的摩擦力载荷，其中，重量载荷是主要因素。
主架机构为起吊系统的薄弱环节，分析时应主要考虑主架机构的设计算例，并重点关注位移机构、工件及工件承载机构的重量载荷对其的影响。
2 简化起吊系统模型及材料属性起吊系统的主架机构为最薄弱环节，应重点分析，对其适当简化，去除有限元分析时不必要的零部件，如螺栓、螺母、垫片等[2]。
2.1 简化位移机构。
设计时，先考虑了位移机构的可靠性，且强度好于主架机构，因此，对位移机构做替换性简化，分析时将位移机构视为实体单元，并使用与位移机构等重量、等尺寸的长方体替换整个位移机构。
如图2。
2.2 应力集中的简化处理。
对起吊系统易产生应力集中的区域，进行圆角处理，避免尖角的存在，如图2所示。
该简化处理可提高各设计算例的有限元分析速度，缩短有限元分析时间，同时，也减少了其它不必要零部件对有限元分析过程的干扰，提高了分析结果的准确性。
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悬臂梁根部的剪切力为：
Ｆ＝‘ｐ４任尸＋‘Ｌ）＝１．１３（２１７７８．２＋１４３２２．８）＝４０７９４Ｎ
大车运行起、制动产生的水平惯性力，按大车车轮 主动打滑条件确定。悬臂梁均布水平惯性力为：
驴掣＝等裟笋娟№
～
水平弯矩产生的应力为：
‰：竺坚型：坐坐掣：８．２ＭＰ。
盯ｎ，＝——。＿————一＝——————————－一＝子．Ｚ ＭＰａ ３．６８６×１０６
壁行式起重机是在壁柱式旋臂起重机的基础上研 制的一种新型物料吊运设备。该机运行于３条轨道上，
截面参数的确定。由于箱形结构具有良好的受力分布， 几乎大部分的受力结构梁都是采用箱形结构，所以本 设计的壁行式起重机采用箱形结构作为其悬臂梁结构， 其界面如图１所示，基本参数为：
Ａ＝２０３６０ ｍｍ２＝０．０２０３６ ｍｍ２ ，、＝３．６ ８ ６×ｌ ０ ８ｍ ｍ４ ｙ，＝３５５ｍｍ
载荷动载系数、运行冲击系数等。其中动力效应系数为： 起升冲击系数ｐ＝１．１，起升载荷动载系数：
、
只：坠：型：１５５５．６Ｎ
“
葫芦小车水平惯性力为：
１４
１４
当葫廿／Ｊ、车位于悬臂梁端部极限位置时，悬臂梁 根部受到最大弯矩，按悬臂梁计算，如简图３所示。 悬臂梁根部弯矩为：
吼－１＋０’７Ｖｑ＿１＋０－×素＿１向５８
ｘｕｅｍｉｎ
变／ＰＡＮ
Ｂｉａｎ
摘要：本文以设计的２ｔ／８．７ｍ的壁行式起重机为研究对象，阐述了其设计计算的基本过程，并通过Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ软 件建立其三维模型，利用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ ＳｉｍｕＩａｔｉｏｎ有限元软件进行结构静力分析及模态分析，分析结果表明该壁行式起 重机设计符合要求。 关键词：壁行式起重机 Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ三维建模 静力分析 模态分析
———＋卜＋卸
ｍ６×孚Ｈ蝴ｓ
１．４强度校核
Ｎ－ｍ
悬臂梁根部剪切力为： Ｆ南＝（ｐ４（％×三＋Ｂ）＝１．１３（１
１７．６×８．７＋１５５５．６）＝２９１３．８
Ｎ
根据设计需要计算悬臂梁根部截面危险点①、② 点的强度。
当葫芦小车位于悬臂梁端部极限位置时，悬臂梁
根部截面最远角点①的应力。垂直弯矩产生的应力为： Ｍ，Ｍ一２．７２２×１０８×４１３
故盯＜１．０５【叫ｕ，满足强度要求。
２
２．１
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ悬臂梁有限元分析
悬臂梁Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ建模
Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ的基于特征的实体建模流程如图４所示：
悬臂梁进行网格划分，并根据悬臂梁的边界条件和危 险受力情况进行边界处理和加载，处理的有限元模型 如图７所示。
图４
ｓｏＩｉｄｗ。ｒｋｓ实体建模流程
２００３．
ｍ壁行式起重机的设计计
［４】ｓ０１ｉｄｗｏｒｋｓ公司（著）．Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ基础教程 ［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００７ 收稿日期：２ ０１２—１０—０９
算及有限元分析可以得出以下结论： （１）壁行式起重机的悬臂梁采用的是箱形结构，且 在设计时为提高悬臂梁的稳定性在箱形梁中需要加上 一定数量的隔板。
２．２悬臂梁有限元模型
有限元方法是二十世纪中叶在电子计算机诞生之 后，在计算数学、计算力学和计算工程科学领域里诞
盯＝√（盯。．＋盯。：）２＋３ｒ；＝√（６３＋８．２）２＋３×６．９二
：பைடு நூலகம்丽而：７２．２
ＭＰａ
生的最有效的计算方法。其一般分析流程如图６所示。 根据建立的三维模型，激活Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ插 件，设置悬臂梁的材料，选择合适单元类型及大小对
Ｎ
确定、悬臂梁尺寸的确定、端梁尺寸的确定、端梁与悬 臂梁连接形式的确定。本文主要是研究悬臂梁的结构 受力分析问题，所以只对悬臂梁的设计计算进行简单 的介绍。
１．２悬臂梁设计计算
悬臂梁设计计算主要包括悬臂梁截面的确定及其
２０１２．１２建设机械技术与管理１４１
万方数据
式中：朋ｐ一起重质量（ｋｇ）； ｍ，一葫廿／Ｊ、车质量（ｋｇ）。 葫芦小车在运行时还需考虑动力效应系数、起升
９．７６ Ｈｚ、２６．５８ Ｈｚ、５１．２０ Ｈｚ、５８．８３
Ｈｚ、
２．４悬臂梁模态分析
悬臂梁振动分析的目的在于确定悬臂梁的自振特 性，以避免因悬臂梁的固有频率与小车运行频率相等 而产生共振现象。一般来说，在计算悬臂梁的固有频 率的时候，常常仅计算轴的前几阶固有频率，保证该几 阶频率值绕开小车的频率就可以了。对壁行式起重机定 义材料，边界条件和约束后，把模型网格化，运行后 结果如图１３。从图中可以看出，其主要模态是壁行式 起重机的水平、垂向摆动和水平、垂向扭曲。
。』
。』
＾
一
３ ）Ｏ
三维模型，并在Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ中进行有限元 验证。结果显示设计的壁行式起重机符合设计要求。
一
一
一
一
，１
－
一．１。一
一
＇－—ｒ
ｌ
１．１
壁行式起重机设计计算
壁行式起重机总体设计
壁行式起重机的总体设计主要包括：大车轮距的
４１０
图１悬臂梁截面图
１．３悬臂梁载荷及内力
』。
悬臂梁根部垂直切应力为：
Ｅ，：墨：坐堕：１１７．６ １４ １４
“
Ｎ／ｍ
ｒ。：．塑：！：！兰兰！！丝：６．９
ＭＰ。
１４２
ｃＭＴＭ
２０１２．１２
万方数据
式中：办。一主梁腹板高度；
及特征，然后建立悬臂梁的装配草图，利用装配草图对 悬臂梁进行装配。悬臂梁装配如图５所示。
ｄ一主梁腹板厚度。
悬臂梁根部截面危险点②的组合应力为：
刀。＝１．３３，所以拉伸、压缩、弯曲许用应力为：
纠ｕ＝急＝篙＝１７６ ＭＰａ，实际取［一］ｕ＝１７５ ＭＰａ，切应 力为：Ｈｕ＝毕＝１００ＭＰａ，故‰＜１．０５问ｕ。满足强
度要求。
Ｍ，砘降∑‰忙ｓ［半矧・・ｓＡ∞一ｏｓ］］
＝２．７２２×１０５Ｎ．ｍ
悬臂梁根部的弯矩为：
当葫芦小车位于悬臂梁端部极限位置时，悬臂梁 根部截面腹板边缘②的应力垂直弯矩产生的应力为：
壁行式起重机悬臂梁主要受到梁本身自重、葫芦 小车集中载荷等垂直载荷和梁本身起制动惯性、葫芦 小车起制动惯性等水平载荷。其中悬臂梁自重载荷为： ，乙２七ｐ彳ｇ＝１．０５×７８５０×０．０２０３６×９．８１＝１６４６．３Ｎ／ｍ 葫廿／Ｊ、车集中载荷为： ∑尸２（肌ｇ＋川。）ｇ＝（２０００＋２２０）×９．８ｌ＝２１７７８．２
本文链接：/Periodical_jsjxjsygl201212042.aspx
Ｉ＝１．７２６×１０９ｍｍ４
Ｊ，ｌ＝４１ ３ｍ ｍ
ｚ＝２ ０５ ｍ ｍ
川Ｉ
｛
用于库房、码头、货物作短距离搬运装卸之用，为钢结
构厂房或生产流水线提供理想的起重机械，使用安全 可靠，转动灵活，从而减轻工人的作业强度，提高生产 率。文中通过对设计的２ｔ／８．７ｍ壁行式起重机进行研究， 根据ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ三维建模规范建立了壁行式起重机的
Ｈｚ，都避开刊、
车的运行频率，满足设计要求。
参考文献 ［１］张质文，包起帆，王金诺．起重机设计手册．中国铁道出 版社．２００１．北京． ［２】王迎春．壁行式悬臂起重机［Ｊ］．起重运输机械，２００９（５）：
４６．４８．
３
结论
本文通过研究２
ｔ／８．７
［３］徐格宁．起重输送机金属结构设计．北京：机械工业出版社，
２０１２．１２建设机械技术与管理１ ４３
万方数据
图１１
悬臂梁安全系数图
图１２壁行式起重机的低阶固有频率图
图１ ３壁行式起重机模态图解
式起重机的低阶固有频率图。
（２）所设计的悬臂梁在最危险得情况下受到的最大 应力为１７１ ＭＰａ，最小安全系数为３．６３，满足设计要求。 （３）所设计的悬臂梁前几阶的模态分别为４．１９
（ｙ。一起升速度（ｍ／ｓ）），运行冲击系数：
Ｍ，＝Ｑ４×［斥×Ｇ—ｃ，）＋Ｆ０×之－］＝１．１３［１５５５．６×Ｇ．７一ｏ．５）＋
（ｐ４＝１．１＋ｏ．０５８１，ｄ√办＝１．１＋ｏ．０５８×三吾＝１．１３
（ｈ＝１ｍｍ，Ｖ。一起重机运行速度（ｍ／ｓ））。
当葫芦小车位于悬臂梁端部极限位置时，悬臂梁 根部受到最大弯矩，按悬臂梁计算，如简图２所示。
壁行式起重机悬臂梁设计计算与Ｓ ｏ Ｓ ｉ ｍ ｕ Ｉ ａｔ ｉ ｏ ｎ有限元分析
ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ
■中北大学机械工程与自动化学院 朱学敏／ｚＨｕ 潘
Ｉ－ｄ Ｗ
ｏ ｒ
ｋ
ｓ
Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｗｉｔｈ
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ Ｂｅａｍ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｒａｎｅ
安装于厂房的立柱支撑上，沿着道轨可做纵向运动，同
时电动葫芦又可完成沿悬臂的横向运动以及垂直方向 的起吊。另外，壁行式起重机具有独立的行走轨道， 行走在常规桥式起重机之下，它不同于常规的工作岗位 旋臂吊，可以同时服务于多个工作岗位，极大的扩展了 作业范围，更为有效的利用了厂房空间，对大跨径厂房 提供合适的起重机工作区域，使用效果更加理想。适
图１０悬臂梁应变图
一Ｉ曩：■ ｌ纛重■。
｛ ｝｛Ｉ ｛Ⅲ鬻¨ｌ¨麓溪｜
２．３悬臂梁求解与结果分析
悬臂梁运行求解的结果如图８、图９、图１ｌ所示， 由图可知最大应力为１７１ＭＰａ，最大位移为１．３４ｍｍ， 最小安全系数为３．６３。由分析结果可知改设计完全可 以满足设计要求。图１０为悬臂梁应变图，图１２为壁行
，， １．７２６×１０９ ＝６５
ＭＰａ
水平弯矩产生的应力为：
图２悬臂梁垂直惯性力简图
盯０２
悬臂梁根部截面危险点①的组合应力为：