履带式起重机臂架有限元分析

履带式起重机臂架有限元分析
摘要：为了解决在传统设计方法下履带式起重机试制样机成本高、设计效率低等弊端，应用CAE软件ANSYS对SC50C液压履带式起重机的臂架进行建模与有限元分析，通过对臂架的强度校核，验证了该型履带式起重机设计方案的合理性，也验证了有限元分析法的可行性。

从而为履带式起重机产品的设计、生产和制造提供理论依据。

关键词：履带式起重机；臂架；ANSYS软件；强度分析
0 引言
履带起重机是广泛应用于国民经济各领域的一种起重设备，随着我国经济建设的发展，对其需求量越来越大，对其性能的要求也越來越高。

履带式起重机臂架是履带式起重机的重要组成部分，它是靠电动机驱动来完成物料吊卸的空间桁架结构，其设计水平的高低直接影响整机的工作性能。

以前起重机设计多采用以力学与数学为基础的半理论半经验设计法，设计过程重复、周期长、精度低，设计出的产品粗大笨拙，已难以适应市场需要。

而起重机臂架作为起重机的工作装置，在起重机产品的设计内容中处于核心地位，其传统的设计方法又往往是依据材料力学中的许用应力校核原理得出的，真正分析的对象仅仅是臂架结构的截面形状和面积等参数。

由于受工作量限制，该方法只能验算几个在理论上认为是危险的截面，计算的精度从建模开始就受到限制，不仅工作量很大并且具有一定的盲目性，已不能适应由激烈市场竞争造成的最短周期产品设计的要求。

目前国内外广泛应用大型有限元软件ANSYS对起重机的初始设计方案进行有限元分析，校验设计方案中是否存在问题，为起重机设计提供理论基础，从而使其结构参数符合起重机设计规范要求。

采用有限元分析的方法进行机械产品的设计计算将会极大地提高设计效率、保证其设计质量。

设计者只需借助通用有限元软件建立模型并进行仿真分析，就能真实地反映机械产品的尺寸外形特征和工作过程，并进行各种类型的力学分析，尽早发现设计缺陷，从而有效地缩短研发周期，降低生产成本，使产品的结构和性能更加合理。

本文应用有限元软件ANSYS对履带式起重机臂架结构进行快速校核分析。

1.臂架结构的载荷分析
结合相关设计标准和工程经验，起重机臂架静强度分析计算时需要考虑的主要载荷如下。

1.1.在变幅平面内，臂架为铰接外伸梁，臂架与平台相连处简化为固定铰支座，变幅钢丝绳下铰点处简化为可动支座，外载荷包括吊重、臂架自重、变幅绳拉力、起升绳拉力，如下图a所示。

1.2.在回转平面内，臂架下端一侧简化为固定铰支座，另一侧简化为可动铰
支座，外载荷包括风载、水平惯性力、回转惯性力，如图1所示。

2.臂架结构的有限元建模
以某公司生产的SC50C液压履带式起重机为例，在有限元分析软件ANSYS 中建立起重机臂架的有限元模型。

建立的臂架金属结构采用合金钢，该材料的弹性模量E=206GPa，泊松比ε=0.3，屈服极限σs=770MPa，强度极限σb=（820～1000）MPa，臂架全长L=52m。

2.1.臂架结构的模型简化
把转台、车架、履带架等视为刚体，臂架的变形与底座无关；钢管为均质，没有制造偏差；钢结构在弹性范围内工作，弹性模量是常数，不考虑温度的影响等。

2.2.臂架结构的单元类型
选择合理的单元类型是整个有限元分析过程中至关重要的一步，直接关系到求解的成败与求解质量的高低。

单元类型选择应采用的原则是：在一般部位，保证运算结果足够精确的前提下，尽量选择求解时系统耗时少的单元；在关键部位使运算尽可能精确。

下面简述选择理由和所选单元类型：
2.2.1.臂架主弦杆、腹杆是以弯曲和拉压为主要变形的杆件，通常称为梁，故将臂架的主弦杆、腹杆视为梁单元考虑，本文采用BEAMl88单元进行模拟。

2.2.2.板类结构一般按其平板内特征尺寸与厚度之比加以划分：到L/h<（5—8）时为厚板，其力学行为与3D实体相同，应采用实体单元；当（5—8）<L/h<（80—100）时为薄板，采用壳单元模拟；L/h〉（80—100）时为薄膜，采用薄膜单元。

履带起重机臂架结构中的加强板一般（5—8）<L/h<（80—100），在实际工作中会发生弯曲扭转变形，选择SHELL181有限应变壳。

3）由于变幅绳只承受轴向拉力，故采用杆单元LINK8。

3.臂架结构施加载荷的方式
施加载荷的方式如下：
集中载荷：包括吊重、回转时重物偏摆产生的水平载荷以及提升载荷等，施加在相应的轴心处。

均布载荷：主要指风载荷，按线载的方式施加到臂架梁单元上。

惯性载荷：包括重力、回转时产生的惯性力等，以重力加速度和角加速度的形式施加到模型上。

4.计算结果与分析
4.1臂架变幅平面
4.1.1.臂架整体位移如图2所示。

4.1.2.臂架平均应力云图如图3所示。

4.1.3.臂头所受平均应力如图4所示。

4.2.臂架回转平面
4.2.1.臂架整体位移如图5所示。

4.2.2.臂架平均应力云图如图6所示。

4.2.3.臂头所受平均应力如图7所示。

4.3.臂架静载计算小结
静载计算小结：基本臂的位移量δ数值<许用位移量[δ]数值，最大平均应力σ数值<材料许用应力[σ]数值，臂架的最大应力处出现在臂架上端主弦杆与加强板焊接处的根部，由此可知基本臂在该工况下的位移与所受的最大应力均在许用范围内。

因此，基本臂在该工况下的强度可以满足工作需要。

5.结语
本文运用ANSYS软件对某公司生产的SC50C液压履带式起重机臂架钢结构进行了建模，并结合实际受力特点施加等效的节点约束和各种载荷，对其进行静强度，从理论上证实了有限元结构设计方案的可行性。

因此用ANSYS软件进行起重机臂架设计校核，可以使起重机设计者在虚拟设计阶段就可以很方便地分析和修改设计方案，避免了传统设计方法中昂贵耗时的物理样机的制造，降低了生产成本，缩短了开发周期，有利于提高产品的设计质量和生产厂家的市场竞争能力。

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