姜海軍 史新民

(1.常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇常州 213164;2.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇常州 213164)

0 引言

支腿是起重機(jī)的主要金屬結(jié)構(gòu)件之一，傳統(tǒng)的支腿多采用鑄造結(jié)構(gòu)，由于鑄造的厚度較大，容易產(chǎn)生氣孔和疏松，內(nèi)部質(zhì)量難以控制，并且零件容易失效，使用壽命短。為此，借助于有限元分析軟件，建立支腿三維力學(xué)模型，并進(jìn)行有限元分析，找出應(yīng)力集中部位和具體數(shù)據(jù)，可以為支腿的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 鑄造結(jié)構(gòu)支腿的Nastran有限元分析

1.1 支腿受力分析

大噸位鐵路救援用起重機(jī)的底架上一般采用四個(gè)支腿承受整車和重物的重量，支腿的結(jié)構(gòu)如圖1所示。鑄造結(jié)構(gòu)支腿采用整體鑄造形式，將軸座板、支持梁、油缸座做成一個(gè)整體，上下軸座板與底架通過銷軸連接，另一端與支腿油缸通過螺栓剛性地固接在一起。作業(yè)時(shí)，四個(gè)支腿的油缸同時(shí)支撐在堅(jiān)實(shí)的地面上，油缸產(chǎn)生向上的推力，通過支腿將整車支起。當(dāng)?shù)醣凵斐鲞^長(zhǎng)時(shí)，起吊重物會(huì)產(chǎn)生側(cè)傾，重量可能由其中的一個(gè)支腿承受。上下軸座板與底架采用叉型結(jié)構(gòu)形式，理論上，上、下軸座板同時(shí)承受垂直方向載荷，但由于該結(jié)構(gòu)組裝受工藝性限制，實(shí)際工作中是一個(gè)軸座板先承受垂直方向載荷，出現(xiàn)彈性變形后，另一個(gè)軸座板再承載。因此，在進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)要考慮最惡劣的工況。為便于研究采用反向加載，對(duì)支腿與底架連接部位進(jìn)行約束，在支腿上施加垂直向上的載荷。因此，支腿的力學(xué)模型可以簡(jiǎn)化成如圖2所示。

圖1 鑄造支腿結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 支腿力學(xué)模型

1.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

現(xiàn)以125噸鐵路起重機(jī)支腿(支腿設(shè)計(jì)長(zhǎng)為2 350 mm、寬為360 mm、高為1 105 mm、重量為1 355 kg。)為例進(jìn)行分析。應(yīng)用有限元分析軟件NX Nastran按照?qǐng)D3所示的流程對(duì)支腿進(jìn)行有限元分析。為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性與精度，采用3D四面體網(wǎng)格CTETRA(10)節(jié)點(diǎn)單元對(duì)支腿模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在孔的周圍和容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位進(jìn)行局部的網(wǎng)格細(xì)化［1］，如圖4所示。此外，支腿失效的因素很多，雖然銷與座孔之間同軸度有嚴(yán)格要求，但銷軸和銷孔之間存在間隙，產(chǎn)生約束集中于某部分網(wǎng)格上，形成不同工況，若用非線性求解器則會(huì)造成計(jì)算的復(fù)雜性，選擇結(jié)構(gòu)靜態(tài)線性求解器進(jìn)行求解，抓住主要因素，可以快速找到問題所在［2］。圖5為鑄造結(jié)構(gòu)支腿應(yīng)力分析結(jié)果。

2 新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與有限元分析

圖3 NX Nastran有限元分析流程

圖4 網(wǎng)格劃分

圖5 鑄造支腿應(yīng)力分析結(jié)果

圖6 焊接結(jié)構(gòu)支腿模型

通過對(duì)起重機(jī)支腿結(jié)構(gòu)和承載方式的分析，綜合鑄造結(jié)構(gòu)的缺陷提出了一種新型支腿結(jié)構(gòu)方案——焊接式結(jié)構(gòu)。主要由油缸座、上下蓋板、腹板、立板加強(qiáng)板等部分組成，如圖6所示。由鑄造結(jié)構(gòu)支腿的分析結(jié)果可知，應(yīng)力主要集中在中間腹板孔和軸座板等部位。根據(jù)材料力學(xué)理論，σmax=M/Wz，在載荷施加狀態(tài)不變的情況下，增大抗彎截面模量Wz可以降低應(yīng)力［3］。因此，采用雙腹板，可增大抗彎截面模量;上下軸座板部位分別采用墊板和加強(qiáng)板予以加強(qiáng)，可以減小應(yīng)力。同時(shí)，為了提高材料的利用率，根據(jù)各部位所受的應(yīng)力不同，采用不同截面和不同材質(zhì)的板材拼接組焊成型［4］，如墊板、加強(qiáng)板與腹板等零件厚度各不同，油缸座、下加強(qiáng)板由于較厚，仍然采用ZG235材料鑄造而成，其余零件采用16Mn板材材料。這樣既保證了強(qiáng)度又節(jié)省了材料。具體結(jié)構(gòu)尺寸的確定可通過軟件分析比較后得到較為優(yōu)化的方案。最終確定的優(yōu)化模型尺寸為:支腿長(zhǎng)2 360 mm、寬325 mm、高1 180 mm、重量為1 237 kg，其有限元分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 焊接結(jié)構(gòu)支腿應(yīng)力分析結(jié)果

3 產(chǎn)品對(duì)比

焊接結(jié)構(gòu)支腿制造簡(jiǎn)單方便，由于大量采用板材，產(chǎn)品表面平整度高、外觀質(zhì)量較好，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化采用不同截面和不同材質(zhì)的板材拼接節(jié)省了材料，減輕了重量，同時(shí)消除了局部大應(yīng)力集中存在的現(xiàn)狀。焊接結(jié)構(gòu)克服了鑄件會(huì)產(chǎn)生氣孔、疏松等缺陷，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有了較大的增強(qiáng)，最大應(yīng)力由298.48 MPa降低到220.75 MPa。說明焊接結(jié)構(gòu)支腿的承載能力明顯增強(qiáng)，零件的可靠性有了較大提高，可以承受現(xiàn)有工作條件下的載荷。具體比較結(jié)果如表1所示。

表1 125噸焊接結(jié)構(gòu)與鑄造結(jié)構(gòu)支腿比較

4 結(jié)束語

本文運(yùn)用NX Nastran軟件對(duì)支腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并優(yōu)化，從而快速對(duì)設(shè)計(jì)變更作出反應(yīng)，提高了零件結(jié)構(gòu)的可靠性，縮短了產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，降低了研發(fā)成本，給出了運(yùn)用有限元軟件輔助解決工程實(shí)際問題的思路與方法，對(duì)解決工程應(yīng)用的類似問題具有一定的參考價(jià)值。

［1］ 高素荷.網(wǎng)格劃分密度與有限元求解精度研究［J］.重工科技，2006(1):12-15.

［2］ 郭永娜，周綱.NX－Nastran在零件結(jié)構(gòu)改進(jìn)中的工程應(yīng)用［J］.CAD/CAM 與制造業(yè)信息化，2010(6):54-56.

［3］ 劉鴻文.材料力學(xué)(上冊(cè))［M］.第二版.北京:高等教育出版社，1988:177.

［4］ 于躍.鐵路起重機(jī)新型支腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究［J］.齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，25(3):90-93.