基于COSMOS/Works的汽车起重机转台有限元分析

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摘要:转台是汽车起重机的主要承载件之一,通过分析转台受力情况,建立力学模型,应用cosmos/works对转台结构进行有限元分析,其分析结果对汽车起重机设计具有重要指导意义。

关键词:汽车起重机;转台;有限元分析;COSMOS/Works

中图分类号:TP202文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)13-3564-01

1 引言

COSMOS/Works是SolidWorks公司推出的一套强大的有限元分析软件。凭借先进的快速有限元技术(FFE)和直观友好的交互界面,COSMOS/Works成为世界上通用和有效的商用有限元分析软件。随着计算机技术的迅猛发展,在汽车起重机设计领域,有限元分析在新型号开发过程中获得了广泛的应用。尤其是对吊臂、转台等大型结构件的有限元分析,已经作为产品设计中结构分析的主要内容。通过COSMOS/Works,可以迅速地实现对大规模复杂设计的分析和验证,获得修正和优化设计所需的必要信息,尽可能避免相关设计缺陷,满足产品设计要求。从而最大限度地缩短设计周期,提高产品质量,降低测试成本,加大利润空间。

本文利用COSMOS/Works对某中型汽车起重机转台进行有限元分析,并依据分析结果对结构设计作出评价。

2 转台实体建模

汽车起重机转台由底板、立板和各种支承钣金件拼焊而成。根据整车布置要求,转台采用倒π形的高铰点布置。利用SolidWorks创建转台三维实体模型,如图1所示。

COSMOS/Works是完全整合在SolidWorks中的,所以COSMOS/Works和SolidWorks使用同一个数据库,这意味着设计与分析数据将没有必要进行繁琐的双向转换操作。在实体模型上,可以直接定义材料、载荷、约束等条件,如同生成几何特征,设计的数据库也会相应地自动更新。因此利用SolidWorks建模,为后面使用COSMOS/Works进行有限元分析创造了便利条件。

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图1 转台三维实体模型 图2 转台有限元网格划分

3 转台网格划分

转台是一个大型、复杂的空间板梁结构件,因此网格划分非常重要。分析的精度在很大程度上依赖于网格划分的质量。为了分析结果的精确性,在尽量保证有限元模型和实际结构一致的同时,有必要对有限元模型进行适当的简化。过于细致的描述一些非关键结构,不但增加有限元建模的难度和单元数目,还会使有限元模型的单元尺寸变化过于激烈而影响计算精度。对于必要的简化要以符合结构主要力学特性为前提。如转台结构中的阀架,线卡等小结构件对于转台整体分析影响不大,可以忽略不计。

转台结构板材选用Q345B,材料参数:弹性模量E=206GPa,泊松比μ=0.28,密度ρ=7900kg/m3,屈服强度σs=345MPa。模型采用四面体单元进行离散,单元尺寸控制在35-55mm。转台网格划分模型如图(2)所示,包含单元总数53067,节点总数102389。

4 转台分析

转台结构传统计算方法通常是将转台视为一个底板固定,铰点受力的简支悬臂梁,取2-3个截面进行计算,计算复杂,误差大,难以真实反映转台受力状况。采用有限元对转台结构的强度和刚度进行分析,既快捷、准确,又可直观地得到结构件在各种工况下的应力、应变、位移等分布情况,为满足产品设计要求提供可靠的依据。

转台要求自重小而承载能力大, 转台的重量一般要求占整机重量的1/10～1/12, 因此除了选用高强度钢外,转台主要依靠合理的结构设计来实现。通常采用局部加强法以改善结构的承载状况。

转台主要承受吊臂传来的载荷,变幅油缸传来的载荷以及安装在转台上的各种装配件的载荷。变幅力作用在转台前铰点轴套孔上,吊臂反力作用在后铰点轴套孔上,卷扬钢丝绳拉力根据是否偏载施加相同或不同的力在两卷扬支座上,配重载荷则作用在其安装孔上。转台底板用螺栓与回转支承连接,回转支承固定在汽车底盘上。通过由吊臂、变幅油缸、转台等组成系统的受力分析计算,选择变幅力和吊臂反力最大时的工况进行有限元分析计算。

设置载荷、约束条件,运行分析后得到有限元分析结果,如右图。

5 结束语

1)从应力图解中可看出,高应力区主要分布在转台底板的前部和后部,两立板与底板连接处附近。立板中部和后部,应力不高,其结构上可考虑去除部分材料。根据分析结果得出转台结构最大应力为335MPa,小于所用板材屈服强度345MPa;安全系数1.03,小于设定安全系数1.5。由于最大应力出现在如图所示前立板的角点上,为结构应力集中造成,此处不会对转台结构产生实质的影响,因此可忽略不计。从提取数据看,除个别应力集中的点外,该模型较大应力值均在225MPa左右,小于所用板材屈服强度345MPa;安全系数1.53,大于设定安全系数1.5。因此转台结构强度满足强度要求。

2)转台后部悬臂端的最大静挠度为2.748mm,在设计许可范围内,满足刚度要求。

参考文献:

[1] 顾迪民.工程起重机[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[2] 张文志.机械结构有限元分析[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2006.

[3] 刘国良,刘洛麒.SolidWorks2006完全学习手册-图解COSMOSWorks[M].北京:电子工业出版社,2006.