重型清障车吊臂的有限元应力分析.pdf

1、第2 4 卷第3 期 2 0 0 7 年6 月 吉林化 工 学院学报 J o U R N A Lo FJ I L 矾州S 1 1 叽舵0 FC H E M I C A L1 E C H N o L O G Y V 0 1 2 4N o 3 J u n 2 0 0 7 文章编号：1 0 0 r 7 璐5 3 ( 2 0 0 r 7 ) 0 3 舶6 9 硝 重型清障车吊臂的有限元应力分析 张占国1 ，周金来2 ，李红丽3 ( 1 北华大学机械工程学院，吉林吉林1 3 2 0 2 l ；2 吉林沱牌农产品开发有限公司应用发展部。吉林吉林 1 3 2 l O l ；3 北华大学化学生物学院，吉林吉林

2、1 3 2 0 1 3 ) 摘要：利用有限元分析技术，对重型清障车吊臂的应力进行分析计算，得出各结构部件在不同工况下的 应力分布图分析计算结果，找出结构不合理之处。提出改进意见，进而为产品的优化设计提供理论依 据 关键词：重型清障车；吊臂；有限元分析；应力 中圈分类号：U4 6 9 6 + 9 2文献标识码：A 重型清障车是一种多功能、大吨位、重型的公 路救援清障设备，可完成对公路上发生故障、事故 车辆的救援、清障工作一般都具备托牵行驶能 力、对故障、事故车辆( 翻车) 的扶正能力、起重作 业和曳行能力，还配置了多种救援清障附件，可适 配公路行使的国产、进口重型车辆 1问题提出 如图1 所示，

3、重型清障车由底盘( 下车) 和救 援清障系统( 上车) 两大部分组成救援清障系统 为全液压动力驱动，由二节伸缩式箱形吊臂、左右 绞车、托架、副车架、前后活动支腿和救援附件构 成工作时，可用托架将前桥或后桥托起，使发生 故障或事故的车辆及时脱离现场；吊臂与液压绞 盘配合，可扶正倾翻车辆，使其便于托拖或牵引 本车装备有两台液压绞盘，可对损坏车辆提供拖 曳功能吊臂可上下伸缩，增强了救援的灵活性， 加大了起重能力( 吊臂结构如图2 所示) 托架可 选择使用多种托举工具，用于处理不同的事故车 辆，包括小汽车、面包车、轻、中、重型卡车、集装 箱、牵引车、半挂车等托架采用快速分拆式设计， 以方便维修或更换

4、吊臂在进行清障、救援作业时承受的载荷工 况比较复杂，在传统设计过程中只是根据经验确 定其尺寸( 参数) ，缺乏精确的应力计算方法设 计开发出的产品，在使用过程中会发现一些局部 结构存在着不合理的地方，有的地方强度过强，而 有些地方强度又过于薄弱，在作业时存在着很大 的安全隐患，有时会造成巨大的经济损失因此， 很有必要对清障车的吊臂进行较为精确的应力分 析计算对设计、生产和制造加以指导，对于缩短 产品开发周期，降低产品的开发成本，都具有很大 的使用价值 图1 重型清障车结构图 图2 吊臂结构图 2 吊臂应力分析的力学模型 2 1 吊臂结构分析和坐标系的选择 如图2 所示，吊臂由基本臂和伸缩臂组成

5、，主 要承受轴向压力及弯矩二节臂均采用闭口箱形 收稿日期：2 0 c r 7 0 ：5 0 3 作者简介：张占国( 1 9 7 2 一) ，男，吉林磐石人，北华大学讲师，硕士，主要从事机械设计方面的研究 万方数据 吉林化工学院学报 2 0 0 7 年 结构，矩形截面，其制造工艺简单，具有较好的抗 弯能力与抗扭刚度吊臂内部安装有执行伸缩臂 相对基本臂伸缩任务的液压缸，二节臂间有相对 滑动，靠其中的支撑滑块来支撑并传递力基本臂 根部与转台铰接，可以相对转动，基本臂下部与变 幅液压缸铰接，可改变吊臂仰角，吊臂端部安装有 起升滑轮组 吊臂的性能参数：额定起重量：全缩1 6 0 0 0k g ， 全伸8

6、o k g ；最小仰角：6 。，最大仰角：5 l 。 吊臂材料及特性：基本臂和伸缩臂均用厚为 5m 的1 6M n 高强度钢板折弯焊接而成其它的 板类零、部件及伸缩臂下底面焊接的两块滑块材 料也均为1 6M n 高强度钢板，基本臂与伸缩臂上 的其它滑块材料为尼龙l 叭0 1 6M h 的弹性模量 为2 0 7 1 0 “N m 2 。泊松比为0 3 ，密度为7 8 l 矿k g ，m ，屈服极限3 4 5M P 8 ；尼龙l0 1 0 的弹性 模量为1 0 7 1 0 N m 2 ，泊松比为0 4 ，密度为 1 0 5 1 0 k g o ，抗压强度6 5M P a 本文中，是以基本臂最右端的

7、矩形截面中心 为坐标原点，以基本臂长度的方向为x 轴，以高 度的方向为Y 轴，以宽度的方向为z 轴。且符合 右手螺旋法则 2 2 模型建立夏简化处理 根据各结构部件几何尺寸和工作时的受力特 点，在对吊臂离散化时采用3 种单元，将变幅油 缸、伸缩油缸模拟为I 心髓杆单元，将吊臂安装 固定铰支、变幅油缸安装轴、伸缩油缸安装轴及滑 轮组安装轴模拟为B E A M l 8 8 粱单元，将由材料 为1 6M n 钢板焊接而成的基本臂和伸缩臂及各类 加强板、立板、耳板等板类零件模拟为S H E u 石3 壳单元，将滑块用咖杆单元模拟 2 3 单元网格的选择和划分 在划分网格时，充分考虑到计算的复杂性，在

8、不影响计算精度的前提下，对于不同的结构部位， 特别是结构变化处、不同厚度的连接处及应力集 中处等重要部位，网格划分的小而密；对于吊臂的 前、后、上、下部等整块板则划的稀疏一些根据上 述原则，采用的u N K 8 杆单元、B E A M l 8 8 梁单元、 s H E u 6 3 板壳单元，可以很好地对吊臂的实体模 型进行网格划分吊臂的有限元模型如图3 所示 围3 吊臂有限元模型 3 边界条件 吊臂自由度约束的确定：基本臂与铰支座铰 接的轴( 取为梁单元B E A M l 8 8 ) 上施加约束条件 为u x 、u Y 、u z = O 和嗍、R 0 1 r Y = O ；变幅油缸 与铰支座铰

9、接点处( 变幅油缸取为杆单元 u N K 8 ) 施加约束条件为U x 、U Y 、u z = 0 4 分析工况的确定 吊臂工作角度不同，同工作角度下又处于 不同的伸缩状态，所以选择吊臂工作角度为最小 和最大又分别处于全缩、全伸状态作为分析工况。 见表1 袭1 分析工况 5 吊臂在各种工况下的应力计算 结果 根据建立的力学模型，进行边界条件约束、加 载和计算由计算的结果可知，不同的结构部件在 不同的工况下所受到的应力是不同的现对吊臂 中的铰支座弯板、铰支座立板、变幅油缸支座、基 本臂臂体、伸缩臂臂体等结构部件进行分析各结 构部件不同工况下计算结果如表2 所示 裹2 各结构部件在不同工况下的最大

10、应力( M P a ) 工况 工况l工况2工况3 工况4 结构部件最大应力最大应力最大应力最大应力 由应力分布图可知： ” ( 1 ) 铰支座弯板：吊臂仰角为5 l 。、处于全缩 万方数据 第3 期张占国等：重型清障车吊臂的有限元应力分析 状态时，弯板所受到的应力最大，为3 8 0M P 8 ，最 大应力发生在弯板与固定铰支座的联接处( 图4 ) 此外，在其它工况下受到的应力都比较小，具有较 高的强度储备，均不会受到破坏 图4 弯板在5 1 。全缩时的应力分布图 圈5 立板在5 1 。全缩时的应力分布图 图6 油缸支座在5 1 。全伸时的应力分布圈 ( 2 ) 铰支座立板：吊臂仰角为5 l 。

11、、处于全缩 状态时，立板所受到的应力最大，为1 1 9 0M P a ， 最大应力发生在立板与固定铰支座的联接处( 图 5 ) 此外，在其它工况下受到的应力都比较小，均 不会受到破坏 ( 3 ) 变幅油缸支座：吊臂仰角为5 l 。、处于全 伸状态时，支座所受到的应力最大，为7 0 8M P a 。 最大应力发生在油缸支座与变幅油缸的联接处 ( 图6 ) 此外，在其它工况下受到的应力都比较 小，比较安全 图7 基本臂在5 1 。全伸时的应力分布图 图8 伸缩臂在5 1 。全伸时的应力分布图 圈9 伸缩臂在5 1 。全缩时的应力分布图 ( 4 ) 基本臂臂体：吊臂仰角为5 l 。、处于全伸 状态时

12、，基本臂臂体底面出现高应力区，所受最大 应力为3 0 3 0M P a ，高应力区位于基本臂底面与 变幅油缸支座接触处( 图7 ) ，但最大应力没有超 过材料的屈服极限( 3 4 5M P a ) ，还是安全的 ( 5 ) 伸缩臂臂体：吊臂仰角为5 l 。、处于全缩 及全伸两种状态下，伸缩臂臂体底面均出现高应 力区，高应力区位于伸缩臂底面与基本臂前端底 面滑块的接触处全伸时最大应力达到3 9 2 0M P a ( 图8 ) ；全缩时最大应力高达4 7 1 0M P a ( 图9 ) ， 两种工况下伸缩臂所受应力都超过了材料的屈服 极限 万方数据 吉林化工学院学报 2 0 0 7 年 6 结论

13、( 1 ) 由计算结果可知，吊臂的总体应力水平 不大，在各种工况下，高应力区与低应力区相比， 所占比例较小，可以进行结构优化，减轻重量，改 善性能； ( 2 ) 伸缩臂臂体底面在吊臂仰角为5 l 。、处于 全伸及全缩状态时，在其与基本臂前端底面滑块 的接触处所受的最大应力超过了材料的屈服极 限因此，对该处较薄弱的结构部位应予以加强处 理，可以考虑增加伸缩臂底板厚度( 可通过增加 下加强板的厚度来实现) 或采用大尺寸滑块，以 增大受力面积 参考文献： 1 】龚曙光A N s Y S 基础应用范例解析 M 北京：机械 工业出版社，2 0 0 3 2 9 一1 6 0 2 陈精一，蔡国忠电脑辅助工程

14、分析：A N s Y s 使用指 南 M 北京：中国铁道出版社，2 0 0 1 1 7 7 一1 8 7 3 冯慧华，夏全国用A N s Y s 进行多臂机C 形杆的应 力应变分析 J 东华大学学报( 自然科学报) ， 2 0 0 l ，2 7 ( 1 ) ：2 0 一2 1 4 杨厂保，薛河，刘金依利用A N s Y S 软件对柱销联 轴器进行应力分析 J 煤矿机械，2 0 0 2 ，( 2 ) ： 2 8 2 9 5 缪炳荣，肖守呐A N s Y s 在机车车体结构设计中的 应用 J 内燃机车，2 0 0 3 ，( 6 ) ：4 6 6 】王凤丽，宋继良，谭光宇。等在A N s Y S 中

15、建立复杂 有限元模型 J 哈尔滨理工大学学报，2 3 ，8 ( 3 ) ： 2 2 2 4 n 呛矗n i t ee l e m 明t 锄a I y s i s 佃n 地s t r e s so fn 地 l i f t 硼o f 咖眦k e r z H A N G 丑姗一g u o l ，z H o uJ i n 1 a i 2 ，uH o n 垂l i 3 ( I c o l l e 伊dM h a l I i c a lE I 倒唱，& 幽啵U I I i 咄畸，J i l i nC 畸1 3 2 0 2 l ，C h i 啊；2 D e p a r 嘶朗to fA I I p l i

16、c a l i D e 蒯o p 眦m ，J i l i n1 1 U 0 姆ic I l l _ n l I a lP I o d l 蛐酗屯l o p m 咖c o 眦，J i l i nC i 哆1 3 2 1 0 l ，C h i 姐；3 伽嘴0 fC h e 曲叼蛐dB i 蛔， B e i h I l a 嘶锄畸，皿n 铆1 3 2 0 1 3 ，c h i l l a ) A b s 呐喊：- 1 1 l eF i n i t eE l e m e I l tM e t I l o d ( F E M ) i su 8 e dt o 肌a 1 ) 骺d 地8 t r e 0 f

17、t h el i l t i I l g 锄o f h e 耳v yw r 优k - 既I 协舭m f a l8 嘲c 啪u n d 甜d i m 强e n tl 舳d0 0 n d i i 咖眦f i g 蒯伽t B 鹪e d 锄t l l em l a l y z e dr 髓u l 据，t l l e 珊m 明柏咖l b I ep o i I l 协o fi 协咖c t l l 聆a p o i m e do u t 蚰di m p m v e ds u 璎黟姑帆sa 弛a l p u tf 0 州谢A n dt l l 踟峨虹- c a Ie v i d e I l c ei s 州d

18、 e df 0 ri t so p 6 m a ld e s i g n 1 【e yw o 砌s ：h e a V yw r e c k e r ；l i m n ga 珊；f 懿t ee l e 眦n ta I I a l y 8 i s ；8 自呛鸥 万方数据 重型清障车吊臂的有限元应力分析重型清障车吊臂的有限元应力分析 作者：张占国， 周金来， 李红丽， ZHANG Zhan-guo， ZHOU Jin-lai， LI Hong-li 作者单位：张占国,ZHANG Zhan-guo(北华大学,机械工程学院,吉林,吉林,132021)， 周金来,ZHOU Jin- lai(吉林沱牌农产品

19、开发有限公司,应用发展部,吉林,吉林,132101)， 李红丽,LI Hong- li(北华大学,化学生物学院,吉林,吉林,132013) 刊名： 吉林化工学院学报 英文刊名：JOURNAL OF JILIN INSTITUTE OF CHEMICAL TECHNOLOGY 年，卷(期)：2007，24(3) 被引用次数：0次 参考文献(6条)参考文献(6条) 1.龚曙光 ANSYS基础应用范例解析 2003 2.陈精一.蔡国忠 电脑辅助工程分析:ANSYS使用指南 2001 3.冯慧华.夏全国 用ANSYS进行多臂机C形杆的应力应变分析期刊论文-东华大学学报(自然科学版) 2001(01) 4.杨厂保.薛河.刘金依 利用ANSYS软件对柱销联轴器进行应力分析期刊论文-煤矿机械 2002(02) 5.缪炳