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下載手機APP 汽車起重機是一種應用廣泛的運輸工程機械。盡管中國工程機械行業(yè)起步較晚，但發(fā)展速度很快，目前已形成了獨立的制造體系。但許多企業(yè)偏重于生產，對其設計技術的研究較少，因此，缺乏建立在科學分析基礎上的設計方法。某公司本著引進、消化、吸收和創(chuàng)新的原則，結合我國的國情和實際的工作需要，對其引進的汽車起重機進行了改裝，起吊裝置由以前位于車頭后部改為放置在牽引車尾部附加的尾架上.但在試用階段發(fā)現(xiàn)，改裝后尾架結構在達到起重機額定起吊重量的印%時，出現(xiàn)尾架和液壓支腿嚴重變形，整車側傾較大現(xiàn)象。針對這一問題，本文利用有限元分析軟件MSC/patran和MSC/nastran對其進行分析計算，并提出改進措施，基于起重機的實際工況較多，限于篇幅，本文僅以臂長L=8m，吊重G=6t，角度θ=180°(起重機吊臂在車身正上方)工況，介紹該汽車起重機尾架結構的有限元分析過程。其尾架結構如圖1。
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1有限元基本理論
有限元法是一種離散化的數(shù)值方法。它考慮預測結構的偏移與應力的影響，將結構分割成單元網格，使離散后的網格單元之間只通過節(jié)點相聯(lián)系，每個單元均具有簡單形態(tài)(如正方形或三角形)，單元上的未知量即是節(jié)點的位移。其實現(xiàn)過程是將單個單元的剛度矩陣組合起來以形成總體的剛度矩陣，在給予己知力和邊界條件下，求解總體剛度矩陣，得出節(jié)點位移，從而計算出每個單元的應力.
有限元分析可使有限元計算模型在離散化后歸結為一個線性方程組求解，其線性代數(shù)方程組如下：
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2尾架有限元模型建立
2.1實體建模和有限元網格劃分
起重機工作時，整個結構重量靠4個液壓支腿支撐。為保證有限元分析計算結果的可靠性和精度，建立了包括汽車底盤(含輔梁)、前后支腿、尾架改裝結構和轉臺在內的整車有限元模型，起重機的尾架部分采用16Mn鋼焊接而成。在建立車架的有限元模型時，材料性質全部使用16Mn鋼的性能指標。
劃分網格時，由于整車結構復雜且大量采用鋼板焊接結構，考慮到各板厚度均勻，與板長和寬相比較小得多，根據經典薄殼理論假設，厚度小于中面輪廓尺寸1/5的為薄板，因此，這里采用空間板殼元單元進行分析。主要部件使用收斂性質較好、計算精度較高的四節(jié)點四邊形空間板殼元，而曲線邊界、拐角和焊縫等形狀不規(guī)則部分則使用適用性較好的三節(jié)點空間板殼元進行擬合過渡。整個有限元模型共劃分約16700個空間板殼單元。有限元網格模型如圖2。
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2.2載荷處理
起重機車架在實際工作中，承受載荷比較復雜。模型中起重機自重和吊重簡化成通過回轉中心的一個垂直向下的集中載荷G以及吊重平面內的力矩M。按靜力等效原則，將這兩種載荷分解到尾架上與起重機座圈聯(lián)接的40個螺栓點上，其中G為均勻分布，而M作用到螺栓點上力的大小，視其點到回轉軸距離成正比，為線性分布。每個加載點的合力大小是將這兩種力進行迭加。
2.3約束處理
如圖3，約束4個支腿端部接觸面的Y方向移動、繞x及z軸轉動自由度。為消除結構剛體位移，選擇支腿底面，通過建立固定的多點約束，約束x,z方向的移動自由度，具體計算時，先按4個支腿全部工作時考慮，即對4個支腿全部加約束，倘若出現(xiàn)某一個支腿反力方向垂直向下(即Y沿軸的負方向)，則表明此支腿在實際工作時已離開地面，故必須解除其約束，重新計算，模型加載及約束情況如圖3。
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3計算結果與分析
通過對上述有限元模型進行計算，該工況尾架上應力值較大的區(qū)域主要集中在尾架結構左側下角板拐角過渡處，這與起重機的重心偏向尾架左側有關，其值為531MPa。尾架左側結構上應力分布情況如圖4。
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現(xiàn)場進行實際測試時，采用電阻應變片來進行應變及應力的測量，應變片的布置是根據該尾架在試用過中裂紋實際發(fā)生的部位及有限元初步分析結果確定的。各測點主要分布在尾架左右兩側的角板、側板、上蓋板和下蓋板上，現(xiàn)將實測結果和有限.
從表1可以看出，最大誤差不超過15%，有限元計算值和實際測試值相當吻合。這說明所建立的有限元模型能夠正確反映該起重機的實際力學特性，計算結果可靠，可用來評價該起重機的力學性能。在3,4,7,8,14等測點，有限元計算值和實測值都大致相同，它們均不同程度地超過材料的許用應力。特別在應力較大的3,7,8號測點處，計算值和實測值甚至遠大于材料的屈服極限。因此，原結構的這些區(qū)域不能滿足強度要求，需對其作進一步改進。
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4結構改進
為了減小大應力區(qū)的超應力狀況，將汽車底盤主梁槽鋼結構尾端的下翼削去500mm、內側板向前延伸670mm(水平長度)、兩側下角板均向前延伸85mm、厚度由10mm增加到12mm，同時在兩腹板各對稱部位增加一尺寸相同的外側板，這里給出改進前后的部分結構對比示意圖5。
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改進后結構有限元計算結果如圖6。
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對比云紋圖4和圖6可以看出，修改后的模型無論是最大應力值還是最大應力區(qū)域面積都減少了很多，最大應力由531MPa減小到251MPa，只有原來的約50%。特別是高應力區(qū)域面積幾乎不存在，最大應力盡管超過16Mn鋼材的許用應力，但未超過5%，故改進后的結構可滿足強度要求。
5結語
1)對汽車起重機尾架結構進行了有限元強度分析，得到了該結構的危險部位及應力分布，現(xiàn)場試驗結果與理論分析結果相當吻合，從而證明了計算分析的可靠性。
2)根據應力情況，對結構進行了局部改進，計算結果表明，改進后結果可滿足強度要求。
3)所采用的方法可為同類結構強度的研究和改進設計提供借鑒。(end)
