基于ANSYS的汽车起重机起重臂参数化设计研究.doc

基于ANSYS的汽车起重机起重臂参数化设计研究制造业信息化Research on Parametric Design of Truck Crane Boom Based on ANSYSZHENG Xi-Jian， JIA Chao（School of Traffic & Mechanical Engineering， Shenyang Jianzhu University， Shenyang Liaoning 110168， China）Abstract： According to truck crane design standard, characteristic parameters and analysis cases were determined. Established the truck craneboom structure finite element analysis model by ANSYS, the stress nephogram of boom structure are obtained. Based on secondary develop -ment function of ANSYS, parametric modeling and parametric finite element analysis process of truck crane boom was realized by APDL.QY20 truck crane boom to the structure as an example, its boom parametric model was established, through the field test, it has confirmedthe crane boom structure in typical working conditions of the stress condition and parametric model accuracy.Key words： truck crane； crane boom； ANSYS； parametric design0 引言汽车起重机传统的校核是把其结构简化为物理模型， 采用数学和力学方面的知识进行单一的理论计算，但这种校核方法与实际情况相差甚多， 不能达到较好的分析效果。 同时起重臂结构在工作中所受的载荷非常大， 也不可能在实物实验中校核它在工作状态下的强度。 相较于传统的设计方法而言， 将参数化设计技术的概念引入到汽车起重机的设计、 研发过程中来， 采用参数化建模有限元分析可以快速、 有效的检验其可靠性。1 起重臂结构特征参数提取起重臂是轮式起重机的重要构件之一。 通过起重臂能够将货物提升到一定的起升高度， 改变起重臂的倾角可达到变幅的目的， 以增大作业范围。 轮式起重机起重臂的结构形式根据截面形式不同， 分为桁架式起重臂和箱形伸缩式起重臂， 如图 1 所示。 桁架臂自重轻， 起重性能好； 箱形伸缩臂利用率高， 准备时间短， 但自重较大。文本所研究的起重臂截面形式是六边形的截面。 四节主臂，第一节下方与变幅油缸联结，基本臂根部与转台铰接；前后节起重臂搭接部位受力均匀，最大限度减少了应力集中；紧凑式臂头和吊头结构，起吊点的切入范围更大。主臂采用 700Mpa高强度结构钢板制造，全工序冷整形，加工过程避免了局部强度损失。结构参数的提取是参数化建模的基础， 关键是选取能表述结构几何特征的主要参数。 下面介绍提取起重臂的主要结构参数。主起重臂结构尺寸参数： 基本臂： 基本臂工作长度 l0、 基本臂结构 长 度 l10=l1； 外 伸臂 ： 外 伸 臂臂 节 数k、 外 伸 臂 的 可 伸 缩 长 度 lk、 外 伸 臂 的外 伸 长 度 lk、 外伸臂的结构长度 lk0； 各节臂外露部分总和 a0=a2+a3+a4：基于 ANSYS 的汽车起重机起重臂参数化设计研究郑夕健， 贾 超（沈阳建筑大学 交通与机械工程学院， 辽宁 沈阳 110168）收稿日期： 20110130作者简介： 郑夕健 （1963-）， 男， 山东荣成人， 博士， 教授；贾超 （1985-）， 女， 辽宁沈阳人， 硕士研究生。摘 要： 提取并确定了汽车起重机起重臂的特征参数及其分析工况； 利用有限元分析软件 ANSYS， 建立了汽车起重机起重臂结构的有限元分析模型， 求解获得起重臂结构的应力分布云图； 基于 ANSYS 的二次开发功能， 利用 APDL 参数化设计语言实现了汽车起重机起重臂的参数化建模和参数化有限元分析过程； 以 QY20 汽车起重机起重臂结构为算例， 对其起重臂结构进行了参数化建模， 并通过现场试验， 获取并验证了汽车起重机起重臂结构， 在典型工况下的应力状况及参数化模型的正确性。关键词： 汽车起重机； 起重臂； ANSYS； 参数化设计中图分类号： TP391.9 文献标识码： A doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2011.02.049文章编号： 10026673 （2011） 0212503机电产品开发与创新Development Innovation of Machinery Electrical ProductsVol24,No2Mar,2011第 24 卷第 2 期2011 年 3 月125制造业信息化图 5 起重臂应力云图Fig.5 Crane boom stress nephogram（a） 起重臂全伸应力云图（b） 基本臂应力云图 （c） 第二节臂应力云图（d） 第三节臂应力云图 （e） 第四节臂应力云图序号 臂长 （m）幅度（m）额载（t）超载（t）侧载（t）吊臂位置1 39.5 7.0 5.0 0.00 0.00 正侧2 39.5 7.0 5.0 0.25 0.00 正侧3 39.5 7.0 5.0 1.25 0.00 支腿最大压力处表 1 结构应力试验工况Tab.1 Test conditions of structure stress共有 k 节臂， 第 k节臂的外露部分的长度 （k=15， 本文 kmax=4） ； 搭接部分： 共有 k 节臂， 第 k 节臂的搭接长度 lk （k=15， 本 文 kmax=4） ；结构空距 c； 截面宽度 H、 截面高度 B、 上臂筒厚度 t1、 下 臂 筒 厚 度t2、 下 臂 筒折 弯 处 倒 角 R1、 下 臂 筒 高 度 h、 下 臂 筒 折 弯角度 等。 说明： 以基本臂为例， 如图 3 所示。提取副起重臂结构尺寸特征参数方法与主起重臂方法相同， 如副起重臂的总长 L、 桁架高度 h、 节间长度 a等， 这里不再详述。通过对主要结构尺寸参数的定义， 在结构建模时，只要输入不同的参数值就可以得到起重臂不同的结构尺寸， 这为结构实现优化设计提供了可能。2 参数化有限元建模和分析（1） 参数化有限元建模。 汽车起重机起重臂参 数 化有限元建模系统， 参数化设计界面如图 4 所示。（2） 有限元分析。 由于起重机吊臂 在 实 际 工 作 中工况较多， 举选取其中一种工况说明。 最长主臂工况： 四节主臂全伸， 额定起重量为 5400kg， 工作仰角为 60，工作幅度为 8.0m。 该工况下的有限元分析结果， 如图 5所示， 其中图 5（b）（e）为图 5（a）的分解图。由图 5 可见， 在四节主臂全伸工况下， 起重臂模型表面的应力分布比较均匀， 最大应力位 于 变 幅 油 缸 的 支 座处， 其值为 329.72Mpa。3 试验验证依据 GB/T 6068-2008 汽车起重机和轮胎起重机试验规范， 由国家工程机械质量监督检验中心进行现场试验， 并提供试验结果数据。 结构应力试验工况和结构应力试验测点布置图分别见表 1 和图 6 所示。仿真结果与结构应力试验结果对比情况， 见表 2。 由表 2 可见， 仿真计算和结构应力试验所得应力值均小于许用应力， 其中最大应力都发生在变幅油缸支座处， 因此， 结构强度满足设计要求， 说明了汽车起重机起重臂参数化有限元分析模型的正确性。（a） 几何结构参数 （b） 截面参数图 3 基本臂结构参数定义Fig.3 Basic jib structure parametric defined图 4 起重臂参数化设计界面Fig.4 Crane boom parametric design interface（a） 参数化设计主界面 （b） 基本参数设置界面（c） 几何尺寸参数界面 （d） 截面尺寸参数界面126制造业信息化3 创建过程的关键技术以 Virtools 为平台创建虚拟实验室需解决以下关键技术。首先是模块化编程语言。 Virtools 采用模块化编程语言， 降低了开发虚拟实验室的难度。 过去的虚拟实验的开发多依赖于复杂的编程语言， 需要专业的编程人员，而 Virtools 则采用了模块化的编程语言， 每个 BB 模块实现一个功能。 开发者只需掌握基本的编程知识， 利用连线的方式将各个 BB 功能模块连接起来， 就能开发虚拟实验项目。 大大降低了开发虚拟实验的难度。 并且模块化的编程语言有利于错误的检查， 易于实现多人分工合作。其次是实验现象的仿真。 在实际的实验当中， 往往会有仪表、 仪器的指针变化、 发光发热、 液体的流动等现象， 实验者可以通过听觉、 视觉、 嗅觉等来直观的感受。 而在虚拟实验中， 为了增加实验者的真实感， 可以用贴图的纹理变化来表现仪表、 仪器的指针变化； 通过粒子系统来模拟发光发热； 通过动态贴图或者播放动画的方式来模拟液体的流动。最后是解决虚拟实验中不能双手协作的问题。 可以通过鼠标的拖动来实现实验仪器的摆放、 连接等操作。4 结论由于 Virtools 在虚拟现实领域有着广泛的应用前景，本文提出了基于 Virtools 的虚拟实验室的构建方法。 在构建过程中， 采用 3DS MAX 建立三维模型， 利用 Vir-tools 平台添加各种互动效果， 使用户和虚拟实验室之间建立良好的互动关系， 最后简单介绍了虚拟实验室的发布方式。 同时， 本文也提出了在构建过程中遇到的一些关键问题及其解决方法。参考文献：1 Zhao Qinping. A Survey on Virtual RealityJ. Science in China Se-ries F: Information Sciences，2009, 3.2 王栋，宋晓莅. Virtools虚拟实验开发的新利器J.电脑知识与技术，2008，7.3 胡 珊 ，于 光 ，周 明 秀 ，等. 基 于 3D 和 VIRTOOLS 技术的 物 理 虚 拟试验室构架设计J.计算机工程与设计，2008，1.4 宋 象 军. 虚 拟 实验 室 在高 校 实验 教 学 中 的 应 用前 景J.实验 技术与管理，2005,1.5 刘筱兰，等. 虚拟实验室的类型及发展趋势J.计算机应用研究，2004,11.6 付志勇，高鸣. 三维游戏设计M.北京：清华大学出版社，2008.7 李昌国，等. 基于 3D 和 Virtools 技术的虚拟实验开发方法研究J.计算机工程与应用.2006,31.4 结论（1） 依据起重机设计规范， 并结合汽车起重机起重臂的结构特点， 提取了基本臂工作长度 l0、 外伸臂的可伸缩长度 lk 和外 伸 臂 的外 伸 长 度 lk等起重臂结构参数化建模所需的特征参数， 并确定了汽车起重机起重臂的特征参数及其分析工况， 并设计了汽车起重臂参数化建模界面。（2） 通过参数化设计界面建立起重臂模型， 并在最长主臂工况下进行有限元分析， 而所得的应力结果都小于设计许用应力 420Mpa， 符合设计要求， 最后， 通过与汽车起重机现场试验数据的比较分析， 仿真所得结果符合实际情况， 进一步验证了汽车起重机起重臂参数化有限元分析模型的正确性；（3） 通过将参数化设计方法与有限元分析方法的结合， 获得了汽车起重机起重臂结构的参数化模型， 及起重臂结构的参数化建模程序， 可以为同系列但不同尺寸汽车起重机机型的结构及性能优化提供便捷方法， 为起重臂结构及性能的优化设计提供了理论依据。参考文献：1 GB/T 3811-2008 起重机设计规范.2 哈 尔 滨 建 筑 工 程 学 院工 程 起 重机M北京 ：中 国 建 筑 工 业出 版社，1981.3 GB/T 6974.6-1986起重机械名词术语.流动式起重机S.4 国家标准局起重机械标准汇编S.国家标准局，1986，19