汽车起重机的整机结构分析技术

1、汽车起重重机的整整机结构构分析技技术北京航空空工艺研研究所 岳中第第 林承承祯摘要：本本文简介介了汽车车起重机机的整机机结构分分析的基基本方法法，主要要包括：对整体体结构分分析的回回顾，整整体结构构的剖分分与子结结构分析析，子结结构的变变换与组组装，子子结构分分析在QQY255D起重重机整体体求解中中的应用用。 关关键词：子结构构，整体体结构分分析。 1 对对整体结结构分析析的回顾顾 以有有限元分分析方法法为基础础的计算算力学经经历了由由简单到到复杂、由线性性到非线线性分析析的发展展过程。结构分分析要解解决的实实际工程程问题，早已不不是一个个简单的的零件或或结构件件，而是是多个复复杂结构构件的

2、组组合结构构，或整整个产品品的大型型复杂问问题。 作为结结构的局局部分析析，必须须引进局局部的边边界条件件。但是是，从结结构总体体受力来来看，局局部的边边界条件件往往使使结构的的实际传传力状况况发生扭扭曲，结结构件之之间的弹弹性连接接变为了了刚性连连接，无无法正确确反映结结构件之之间的实实际传力力关系。利用结结构的这这种局部部分析结结果评估估结构整整体受力力后的结结果，往往往导致致较大的的误差。在工程程设计中中，局部部分析不不能替代代整体分分析，整整体分析析由于规规模大、难度高高，往往往成为十十分迫切切与关键键的瓶颈颈问题。但是，大容量量、高速速度计算算机技术术的发展展，对整整个产品品进行结结

3、构分析析，已经经成为十十分现实实的问题题了。飞飞机的整整体求解解，起重重机的整整体求解解，都是是这类大大型复杂杂结构分分析的典典型例子子。实际际上，我我国计算算力学工工作者在在70年年代末采采用多重重子结构构的超元元矩阵方方法11，成成功地解解决了飞飞机结构构的整体体分析问问题。880年代代，国外外解决大大型复杂杂结构分分析的先先进技术术传到我我国，MMSC/NASSTRAAN系统统的超单单元技术术2，ANNSYSS的子模模型技术术3，使许许多大型型复杂的的结构分分析问题题变得简简单容易易了。 2 整整体结构构的剖分分与子结结构分析析 整体体结构的的基本特特点是结结构规模模大、组组合形式式复杂

4、。目前，国际上上解决大大型复杂杂结构的的分析问问题通常常选择子子结构方方法，或或者结构构超单元元方法。由于超超单元实实际上是是子结构构的一种种表达形形式，因因此这里里仅说明明子结构构分析技技术。 对于任任何一个个大型复复杂结构构，总可可以划分分为若干干结构件件（简称称为子结结构），它们靠靠边界节节点与整整体结构构相关连连。如果果将所有有的子结结构的边边界节点点组成一一个集合合，那么么这个集集合便表表征了这这个大型型复杂结结构的连连接骨架架，称之之为边界界结构。只要把把各子结结构对有有关边界界节点的的刚度效效应（或或影响计算出出来，并并施加在在这些边边界节点点上，则则解决大大型复杂杂结构问问题便

5、转转变为求求解规模模小得多多的若干干子结构构及边界界结构问问题。 当然，如果边边界结构构与子结结构的规规模也可可能很大大，还可可以再剖剖分为若若干二级级或三级级的子结结构。当当然，这这种多重重子结构构的使用用，将带带来分析析流程的的复杂化化。因此此，如何何有效地地剖分整整体结构构便成了了问题的的关键所所在。用用K表示示子结构构的总刚刚度矩阵阵，U表表示子结结构的总总位移矩矩阵，PP表示子子结构的的总载荷荷矩阵；Ki、Kb、Kibb表示与与子结构构内部和和边界节节点的相相关的刚刚度矩阵阵；Pii、Pbb表示与与子结构构内部与与边界节节点相关关的外载载荷矩阵阵；Uii、Ubb表示子子结构的的内部与

6、与边界节节点的相相关位移移矩阵。我们将将有平衡衡方程： KUU=P (1) 其中中，。 这里，就就是子结结构的仅仅与边界界节点相相关联的的等效边边界刚度度矩阵与与等效边边界载荷荷矩阵。它们对对整体结结构的贡贡献与子子结构的的贡献相相当，因因而被称称之为超超单元。一旦边边界节点点的位移移已知，结构的的内节点点的位移移便由公公式 (3)对子结构构的分析析，其主主要计算算工作量量是消除除该子结结构的内内部节点点自由度度，得到到它的等等效矩阵阵。从（1）、（2）式可看看出，如如果各子子结构的的边界节节点越少少，则这这些等效效矩阵的的规模也也越小，最终的的边界子子结构的的规模也也越小，其运算算速度也也越

7、快。因此，划分复复杂结构构为多个个子结构构的一个个基本方方法，就就是要尽尽量控制制子结构构的内部部节点规规模适当当，并且且具有边边界节点点的数目目较少。充分利利用结构构的链式式、外伸伸等特点点，合理理划分子子结构，可受到到较好的的效果。 3 子结构构的变换换与组装装 在一般般的整体体结构分分析中，使用了了四种坐坐标系：总体坐坐标系、子结构构坐标系系、元素素坐标系系、节点点坐标系系。节点点坐标系系确定了了节点自自由度的的方向。元素坐坐标系规规定了元元素刚度度（载荷荷）矩阵阵与子结结构之间间的变换换矩阵。子结构构坐标系系将确定定子结构构等效边边界刚度度（载荷荷）矩阵阵向整体体结构的的组装的的变换矩

8、矩阵。整整体坐标标系通常常取世界界系。 对于子子结构分分析来说说，子结结构的几几何建模模与应力力分析是是在子结结构的局局部坐标标系下进进行的。但是，子结构构的等效效刚度（载荷）矩阵却却必须按按总体坐坐标系进进行组装装。因此此，每一一个子结结构在组组装之前前，需要要对等效效边界刚刚度（载载荷）矩矩阵进行行坐标变变换。我我们设BB为子结结构对总总体系的的变换矩矩阵（通通常它由由整体系系的三个个结点确确定：节节点1定定义原点点，节点点1-22方向定定义X向向，节点点1-22连线与与节点11-3定定义连线线构成的的平面法法线确定定Z向，由Z与与X向构构成的平平面法线线定义YY向），则整个个结构的的边界

9、子子结构的的刚度（载荷）矩阵为为 值得说明明，这里里是按总总体结构构的边界界节点编编号位置置，对号号叠加的的。因此此，整体体结构的的边界平平衡方程程为： KzUUz=PPz (7) 给定整整体结构构六个刚刚体自由由度的约约束，求求解（77），我我们将得得到整体体边界结结构的位位移。再再经过整整体边界界位移向向子结构构的坐标标变换，执行（4）式式，将求求得子结结构的内内部节点点自由度度。 44 起重重机整机机分析的的子结构构技术 4.11 模型型简化的的基本准准则 汽汽车起重重机是多多个结构构件的组组合，它它包含吊吊臂、转转台、底底架、支支腿等结结构件，以及回回转、变变幅、伸伸缩、起起升等机机构

10、。在在作业过过程中，吊臂相相对于转转台可以以变幅与与伸缩。而吊臂臂与转台台的组合合结构可可绕回转转中心3360度度转动。因此，对整机机系统的的分析不不仅需要要将所有有的结构构件及机机构加以以考虑，而且需需要将作作业过程程中的不不同载荷荷工况加加以考虑虑。为了了控制整整机分析析的规模模，模型型的建立立既要尽尽量理想想化、简简单化、典型化化，又要要较客观观地反映映出整机机（特别别是结构构件连接接部位）的应力力分布、变形(刚度)及失效效等问题题。汽车车起重机机最危险险的工况况是起重重作业工工况，它它的传力力路线是是：重物物吊吊臂变幅油油缸支撑撑转转台回转支支撑底架支腿腿垂垂直油缸缸地地面。 作业运运

11、动表明明，吊臂臂的变幅幅、伸缩缩及吊臂臂与转台台的组合合结构的的回转，对底架架与四个个支腿的的结构变变形与应应力水平平有较大大影响，有必要要选择多多种典型型的作业业工况加加以计算算。同时时，还要要根据工工程规范范，考虑虑风载、惯性载载、作业业场地的的不平等等多因素素对整机机受力的的影响。整机系系统的复复杂性与与控制分分析规模模的需要要，整机机模型的的简化基基于下述述原则：确保整整机的传传力路线线完整；确保整整机典型型作业工工况的实实用性；关键结结构件的的基本参参数化；将整机机分析与与结构件件分析紧紧密结合合；对结结构的细细节结构构作重要要简化；整机有有限元建建模及分分析流程程自动化化。 44.

12、2 子结构构的划分分 为使使整机分分析与结结构件分分析能够够结合进进行，我我们以结结构件为为基础划划分子结结构，突突出三大大结构件件：吊臂臂、转台台、底架架。三大大结构件件之间的的众多连连接结构构件匀作作重大的的简化。 4.2.11吊臂的的简化 首先，简化各各节吊臂臂之间的的连接结结构及伸伸缩机构构，吊臂臂简化为为薄壁四四边形或或六边形形盒体模模型。为为确保结结构刚度度，应注注意变幅幅油缸支支撑部分分、根部部与顶部部的结构构加强。吊臂的的子结构构坐标系系的原点点取在吊吊臂根部部转轴的的中心，X轴沿沿臂体方方向指向向顶部，Y轴与与地面平平行，ZZ轴指向向上盖板板方向。这样，吊臂与与整体系系之间的

13、的转换矩矩阵仅由由两个角角度确定定：吊臂臂与地面面的夹角角，转转台绕ZZ轴的转转角1800。若转转台角等于零零度，则则吊臂顶顶部指向向车的正正前方。 4.2.22转台的的简化 简化小小回转机机构为力力矩，卷卷扬机构构为横梁梁，钢丝丝纯为二二力杆，配重为为集中力力，变幅幅油缸支支撑的转转轴及吊吊臂的转转轴为横横梁、回回转支撑撑结构的的上垫圈圈为曲梁梁，忽略略纵向的的斜支撑撑板及横横向的某某些连板板，转台台成为典典型的薄薄壁组合合结构。转台的的子结构构坐标系系的原点点取在转转台平台台的回转转中心点点，XYY平面与与该平台台平行。转台与与整体系系之间的的转换矩矩阵仅由由转台的的转角确定。 4.2.3

14、3底架的的简化 整个底底架是一一个薄壁壁组合结结构，将将固定支支腿与活活动支腿腿作为底底架的一一部分进进行延伸伸。考虑虑到最危危险的工工况是起起重作业业，汽车车自重作作为一个个集中力力加在车车架上；回转支支撑的下下垫圈简简化为曲曲梁。作作为方案案设计模模型，沿沿下垫圈圈进行的的结构加加强也被被忽略；为避免免支腿油油缸与地地面的面面接触计计算，支支腿油缸缸被简化化为一个个倒五面面锥体结结构，使使起重机机作业时时能够仅仅四点触触地，便便于判断断地面对对支腿的的接触反反力。底底架的子子结构坐坐标系与与整体系系的完全全相同。 4.2.44连接结结构的简简化 各各结构件件之间的的连接结结构作入入下简化化

15、：吊臂臂与转台台之间的的变幅油油缸支撑撑简化为为抗压、抗扭、抗弯的的梁单元元；吊臂臂根部与与转台支支撑之间间的转轴轴简化为为梁；回回转支撑撑的垫圈圈、滚珠珠与螺栓栓柱用厚厚壳板元元与梁单单元模拟拟。 44.3整整机结构构分析的的自动化化 4.3.11整机模模型的参参数化 整机模模型的参参数化是是以子结结构参数数化为基基础的，子结构构以关键键结构件件为实体体。因此此，结构构件的参参数化与与整机的的参数化化可以有有机地结结合起来来，建立立统一的的结构参参数库文文件。 4.33.2结结构件的的宏程序序库 结结构件的的模型自自动产生生程序是是以APPDL语语言为平平台开发发的，它它将调用用结构参参数库

16、文文件的相相关模块块。只要要一旦实实现结构构件的参参数化，它的几几何模型型自动产产生程序序便以宏宏子程序序方式建建立。这这就构成成了结构构件几何何模型的的宏程序序库。结结构件与与整机模模型均调调用宏程程序库产产生，有有利于整整机分析析与结构构件分析析的协调调；整机机分析的的某些结结果也可可作为结结构件分分析的边边界条件件。 44.3.3整机机模型的的集成 集成结结构件模模型建立立整机模模型，变变成了结结构件模模型的组组装与连连接。结结构件的的组装与与连接都都必须在在总体系系下进行行。第一一步要设设置子结结构坐标标系，定定义原点点与坐标标系方向向，第二二步要调调用相关关结构件件的宏子子程序自自动

17、产生生几何模模型，最最后还要要恢复总总体系。 整机机建模的的难点在在回转支支撑的模模拟上。回转支支撑结构构的上下下垫圈作作为曲梁梁元以分分别包括括在转台台与底架架模型中中，参与与转台与与车架平平台的抗抗弯。因因此，转转台与底底架的连连接主要要成为用用厚壳元元与短梁梁元模拟拟滚珠与与螺栓柱柱的支撑撑连接。 4.3.44整机分分析的基基本步骤骤 结合合上述，可对整整机分析析的基本本步骤作作一定的的规范：建立以以结构件件为基本本模块的的参数库库文件；以APPDL为为平台，开发结结构件的的宏程序序库；调调用宏程程序库，开发整整机模型型的集成成程序； 建立立整机的的分析流流程；建建立后置置处理流流程。

18、4.44 整机机分析在在起重机机QY225D的的工程应应用 QQY255D是一一个六边边形四节节臂的中中吨位汽汽车起重重机。整整机划分分为三个个子结构构，现已已建立两两个用于于整机分分析的程程序： A . 整机机方案设设计的有有限元参参数化模模型产生生程序，其主要要功能是是对全机机方案设设计模型型进行有有限元分分析。整整机模型型具有330677个节点点；shhelll63元元素31149个个，beeam44元素1133，linnk8元元素1个个；有效效自由度度为1775977。 BB. 具具有详细细设计车车架模型型的全机机有限元元参数化化模型产产生程序序，其主主要功是是对具有有车架局局部加强强的整机机设计模模型进行行有限元元分析。整机模模型具有有43667个节节点，sshelll633元素444711个，bbeamm4元素素2177，liink88元素11个；有有效自由