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吊运机臂架上为了安装其它附属结构，比如高压油管道保持架、电缆线槽、油缸安装支座等细小结构特征，此外还有一些螺栓以及螺纹等紧固件的安装孔。这些细节结构特征可能对局部结构应力状态产生一定的影响，但对臂架结构的静强度计算影响非常小，基本可以忽略不计。因此，在建模时为了减小网格数量和计算量，对臂架三维模型进行了简化处理，忽略了一些无关紧要的附件和一些小的安装孔与倒角等细节结构特征。网格划分时根据起重臂是采用钢板组件焊接而成，符合板壳单元的结构特点，因此选用板壳单元shell63来对模型进行网格划分[3-4]。
起重臂的负载包括臂架自身的重量、风载荷、吊具重量、伸缩油缸重量以及额定载荷。根据设计规范，吊具及负载重心允许偏移±800mm，因此有限元计算时集装箱负载将作为远程载荷进行处理。伸缩臂以及基本臂自身的重量，采用材料密度、结构的体积以及重力加速度进行表示，并取重力加速度为10000mm/s2；吊具自重作为负载添加，风载荷根据起重机设计规范选取250N/m2。在起重臂与车架相连的铰接处以及基本臂与俯仰油缸的连接处施加支撑约束，对Ux、Uoty、Uy、Uotz以及Uz，并将连接容差设置为1mm；由于伸缩臂同基本臂依靠滑块来进行载荷传递和导向，需考虑滑块同伸缩臂间的接触问题，文章运用节点自由度耦合技术来解决这一问题，释放节向自由度，耦合其他全部自由度[5]。
3起重臂的有限元计算结果分析
在ANSYS有限元分析中通常运用迭代求解器以及直接求解器这两个求解器进行计算。具体的求解器的选择可以是软件自动选择，也可以由设计人员预先设定求解模式。在这两种求解器中，直接求解器主要使用与含薄壁构建或者细长的体积比较小的模型，迭代求解器通常用来计算大型的复杂的模型。起重臂由基本臂与伸缩臂等结构件组成，结构复杂体积大模，因此文章采用迭代求解器进行计算。
根据第四强度理论，当臂架上的外加载荷大于材料极限强度时，结构将发生断裂破坏，一般在进行结构设计时，都需要结构要有一定的安全裕度，保证臂架结构的强度要求，确保臂架结构件在最危险的工作条件下，起重臂的最大工作应力必须小于其许用应力。第四强度理论采用VonMises应力σr来对结构强度进行评价，强度条件σr≤[σ]，σr为等效应力，[σ]为材料需用应力，运用ANASYS有限元计算软件计算得到起重臂在最危险的工况下的应力云图如图1～图2所示。
计算结果图1～图2表明，该吊运机起重臂臂架的总体应力水平还比较低而且分布也比较均匀，绝大部分的应力值都低于250MPa，只有一小部分位置的等效应力超过了250MPa，其中最大等效应力发生在伸缩臂连接处，其值为337.778MPa。然而，该材料的许用应力[σ]=464.1MPa，其值远远大于构件上的最大等效应力337.778MPa，这说明结构的强度不但满足强度要求而且存在着很大的强度富余。强度富余越多，说明结构的安全系数越高，材料的利用率越低，因此建议对该起重臂进行轻量化设计降低设备成本。
4结论
文章建立了吊运机起重臂臂架的有限元模型，计算了臂架的许用应力以及臂架结构的VonMises等效应力。计算结果表明，臂架的最大等效应力远远小于其许用应力，拥有较大的安全裕度，建议对臂架进行优化设计减轻臂架的质量，降低设备的制造成本。
【参考文献】
[1]任光合.某集装箱正面吊大臂举升关键技术研究[D].燕山：燕山大学，2012.
[2]苏国萃，刘晋川，李海波.集装箱正面吊运机现状与发展研究[J].港口装卸，2005，（5）：37-39. 2/2 首页 上一页 1 2 |
