摘要：汽车起重机底架这类大型结构不仅结构复杂，而且在吊重作业过程中需要承受复杂多变的载荷，要想得到真实有效的分析结果，只有采用合理的有限元分析处理方。本文以某型汽车起重机底架为例，详细介绍了这种大型结构有限元分析计算方法。
关键词：汽车起重机；底架；大型结构件；有限元
1底架有限元模型的建立
1.1 实体模型的建立
底架的几何结构较复杂，在利用 ALGOR 有限元分析软件建模过程中简化如下：
（1）忽略结构中装配用孔、过渡圆角及箱体的狭长外边缘等对分析结果影响不大的细节结构。
（2）结合薄壁箱型结构特点，为提高运算效率，以板壳单元为建模主体，支腿门板及搭接块采用实体单元，活动腿与固定支腿接触部分采用线性杆单元模拟。为避免支腿液压缸与地面的面接触计算，支腿液压缸被简化为一个倒五面锥体结构，使起重机作业时能够仅 4 点触地。
（3）对非承载结构底架前段以及附属支架等，为减小计算量不建立分析模型，简化为一固定载荷施加到相应位置。
（4）吊重载荷简化为作用在回转中心的垂直力和力矩。由于模型主体结构采用板单元来模拟，为达到较高计算精度，尽量使板单元形状为四边形。底架结构模型及坐标系如图 1 所示，坐标系原点位于回转中心；X———回转中心向前为正；Z———左侧为正；Y———以底架上平面为零点，向上为正。材料屈服强度 =960 MPa，弹性模量 E=2.1×105MPa，剪切弹性模量 G=8.3×104MPa。
图1 低价结构模型
1.2 添加载荷和约束
根据国家标准 GB/T6068—2008 汽车起重机和全地面起重机试验规范，本文按底架在最大额定起重量并有一定超载情况，根据起重机吊臂作业位置，在 360°范围内，分多种工况进行计算。
载荷处理：
将起吊机构自重和吊重简化成通过回转中心的一个垂直向下的集中载荷 Q 以及吊重平面内的力矩 M，由于起重机起吊机构与底架通过回转中心螺栓联接，根据静力等效原则，将集中载荷 Q 分解到螺栓上，力矩 M 加载在虚拟的梁单元上，通过梁单元传递到底架上，非承载结构重量加载在底架重心上。
约束处理：
假定地面不沉陷，模型通过约束支腿上单元杆来实现模型的静定约束，Y 方向全部约束，左后支腿约束 X，Z 方向自由度，右后支腿约束 X 方向自由度，这里的约束指的是平动自由度，具体见图 2。
图2 添加载荷和约束 图3 工况1应力分析图
2 底架有限计算结果分析
本文针对某型汽车起重机底架的计算结果实例进行分析，实际运算中运用多载荷步文件求解，并在求解后将各载荷步计算结果进行组合，从而达到各工况下实际载荷的作用效果。根据各工况计算结果，底架在吊重作业产生高应力的工况主要有 3种：（1）吊臂处于正侧方，工况 1（此时底架承受最大扭转力矩，见图 3）。（2）吊臂处于后右支腿正上方，工况 2（此时后右支腿出现最大支反力，见图4）。（3）吊臂处于前左支腿正上方，工况 3（此时前左支腿出现最大支反力，见图 5）。下面对这 3 种高应力的工况计算结果进行分析。
2.1 强度分析
（1） 工况 1（吊臂在正侧方）。整个底架箱型结构的应力比较小，特别是回转中心处（主承载部位）应力分布比较均匀，说明此部分设计比较合理，大应力区域主要在后固定支腿附近，最大应力出现在后固定支腿和底架箱型结构连接部位的尖角处，此处应力集中比较严重，需要进行加强处理，考虑采用在固定支腿与底架箱型结构连接部位，加两块三角形加强板，以提高其连接强度，同时在固定支腿与底架箱型结构连接部位分别加贴板，防止底架箱型结构腹板与固定支腿腹板由于刚度和强度不足发生变形。前固定支腿部分区域的应力相对比较大，虽然没有超过许用应力，但应注意避免产生内部裂纹。
（2）工况 2（后右支腿支反力最大），应力分布与吊臂在正侧方相似，大部分区域应力比较小，但是由于吊臂的作用力点已经移到右后方，所以前固定支腿应力明显减小，后固定支腿附近的应力增大，特别是后固定支腿和底架箱型结构连接部位的尖角处，应力最大。尖角处在上述两种工况下都属于高应力点，在按前面方法加强处理时，还要特别注意焊接质量，可以在连接部位采用双面焊。
图4 工况2应力分布云图 图5 工况3应力分布云图
（3）工况 3（前左支腿支反力最大）。前固定支腿和回转中心前方局部区域应力较大。前固定支腿应力大是由于支腿和底架箱型结构结合部位应力集中和吊臂的作用力点移到右前方造成的。回转中心前方应力大是由于该部位是底架重心，非承载结构重量加在底架重心上，应力集中较严重。当吊臂的作用力点已经移到右前方，造成应力较大，可以考虑采用加强筋板加强。
从以上各工况应力云图可以看出，除少量应力集中点应力较大外（可以根据分析结果进行局部加强处理），大部分应力区域均在许用应力以下，特别是主承载结构区应力分布均匀，底架整体强度满足设计要求。
2.2 刚度分析
3 种高应力的工况中，底架最大位移、最大扭转角均发生在工况 1（吊臂在正侧方），因为此时底架承受最大扭转力矩。图 6 所示为工况 1 底架位移图，底架右侧位移明显大于左侧区域。这种趋势主要是由于扭转力矩在底架近似矩形横截面上产生剪应力流造成的，它容易导致底架盖板和腹板这些大型薄板结构失稳，因此盖板和腹板需要用筋板加强来提高其稳定性。图 7 所示为底架扭转角大的区域（集中在回转中心上）。回转中心是整个底架受扭最大的区域。最大位移和最大扭转角都在底架设计许可范围内，说明底架整体刚度满足设计要求。
图6工况1底架位移图 图7底架的扭转角图
3验证试验
运用电测法对该型汽车起重机底架结构进行应力、位移测试，在我公司试验研究中心进行。数据采集：根据有限元分析结果对固定支腿、固定支腿和底架箱型结构连接部位、底架回转中心附近等高应力、大应变部位进行数据采集。工况选择：吊臂在360°范围内多种工况。结果发现：
（1）试验结果表明，与其他工况应力比较，吊臂处于正侧方、吊臂处于前左支腿正上方、吊臂处于后右支腿正上方 3 种工况的确是吊重作业产生高应力的工况。在这 3 种工况下大部分数据采集点测试应力与计算应力的偏差都在 10%范围内，满足工程计算精度要求，只有固定支腿和底架箱型结构连接部位偏差较大，达到 19%，这是由于在实际结构中，该处的应力梯度大，用应变片测量只能得到平均值，无法测到最大节点的应力值。
（2）位移测试结果与有限元分析结果吻合较好, 吊臂在正侧方工况下回转中心测试最大位移与有限元分析结果误差小于 10%。
通过验证试验，说明该型汽车起重机底架有限元模型简化方法、加载方式、各部件连接关系处理比较合理。
结语
综上所述，通过对底架的有限元分析发现，固定支腿与底架箱型结构连接部位的尖脚处应力较大，回转中心受扭最严重，容易失稳。从实际使用情况来看，这些位置确实是危险区域，需要加强分析处理，并在加工时注意焊接质量。
参考文献
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[2]张新忠,张大伟,郭耀松,张静.QY25汽车起重机车架有限元分析[J].农业装备与车辆工程. 2009(08).
[3]江海燕,高金花.汽车起重机稳定性影响因素分析[J].现代机械. 2009(01).
论文作者:陈建,许建春
论文发表刊物:《基层建设》2018年第21期
论文发表时间:2018/8/22
标签：底架论文; 应力论文; 工况论文; 吊臂论文; 结构论文; 载荷论文; 部位论文; 《基层建设》2018年第21期论文;