基于Workbench的汽車起重機平衡梁強度分析

撰文/方曉南吳程晨湯正翔

■1.511434 廣州汽車集團乘用車有限公司 廣東 廣州■2.350000 福建省閩建機械有限公司 福建 福州■3.350000 富地紅華動力（武漢）有限責任公司 湖北 武漢

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基于Workbench的汽車起重機平衡梁強度分析

撰文/方曉南1吳程晨2湯正翔3

■1.511434 廣州汽車集團乘用車有限公司 廣東 廣州
■2.350000 福建省閩建機械有限公司 福建 福州
■3.350000 富地紅華動力（武漢）有限責任公司 湖北 武漢

摘要：利用 Workbench對一款汽車起重機平衡梁的強度進行了分析，得到平衡梁的受力情況和性能參數。從而確定危險截面所在位置，并且進行強度校核，分析結果為起重機平衡梁的設計提供參考。關鍵詞：汽車起重機；平衡梁；Workbench

中小噸位汽車起重機平衡梁是焊接在機架兩大梁之間的結構件，作為行駛中主要的承載部件，它對其上的板簧支座、鋼板彈簧、車架及整機重量起著支撐作用［1］-［2］。本文以汽車起重機平衡梁為例，建立平衡梁模型，導入Workbench仿真平臺中進行對其靜態特性進行靜力分析與模態分析，獲得平衡梁各部位的最大變形量及最大等效應力，用以驗證在該平衡梁結構是否滿足強度要求。

Workbench靜力結構分析與模態分析

線性靜力結構分析用于分析結構在靜力載荷作用下的響應。一般情況下人們比較關注的是結構的位移、約束反力、應力以及應變等參數，以獲得危險截面所在位置，并對危險截面進行強度校核計算，這些結果對于指導平衡梁的設計研究有著非常重要的作用［3］-［5］。

ANSYS在處理結構力學線性問題時，將有限元模型分成有限個單元，位移和時間有關，以｛u｝表示單元上的節點位移列向量，它是時間的函數，用矩陣表示則動力學方程為［6］：

其中，［M］是質量矩陣，［C］是阻尼矩陣，［K］是剛度矩陣，｛u｝是節點位移矢量，｛F｝是載荷力向量，它的不同特征決定了不同分析類型。

在線性靜力結構分析中，忽略與時間相關項，于是從式（1）得到下面的方程式：

在研究一個點的應力的應力狀態時，用σ1、σ2、σ3表示該點的3個主應力，并以σ1表示最大主應力，σ3表示最小主應力，即σ1＞σ2＞σ3，且這3個應力遵循材料力學第四強度理論［7］。

在應力分析當中，應當滿足以下假設條件：K矩陣必須是連續的；相應的材料需要滿足線彈性和小變形理論要求。在靜力分析中，力矢量F為靜載荷，可以不考慮慣性（如質量、阻尼等）對其影響；Von Mises等效應力σr可以表示為：

零部件材料強度需要具備的條件為：σr≤［σ］。其中，［σ］為材料許用應力極限值；σ1、σ2、σ3為某點的3向主應力。

平衡梁模型建立

采用PRO/E進行幾何建模，為了保證求解精度與單元質量、并且節省求解時間，在建模的過程中對平衡梁模型進行適當的簡化是必要的，結合平衡梁的結構特征與受力特點，忽略對計算結果影響較小的孔、實體邊緣的倒角、圓角和圓孔臺階等幾何因素。

單元和網格劃分和材料屬性

將在PRO/E中生成的平衡梁模型導入到Workbench中進行有限元分析。汽車起重機平衡梁所用材料為ZG310-570，屈服極限為310MPa，材料屬性為：密度ρ=7.8e-6kg/mm3、楊氏模量E=2.1e5MPa；泊松比μ=0.3，為了保證計算精度并減少計算量，采用20節點solid186六面體單元劃分網格，網格大小為12mm，離散后的有限元模型共64103個節點，單元數目為16588。

施加載荷及約束

由于平衡梁工作時受力相當于簡支梁，因此在約束兩端圓孔周圍節點的徑向位移和軸向位移，在中間圓孔下表面施加88000N的載荷。

有限元計算及結果分析

各種云圖能清晰直觀地反映出平衡梁的應力和變形的分布狀況，最大應力出現在加載圓孔的下邊和兩端圓孔圓弧段和直線段的交界處，位移最大點出現在平橫梁的中間位置，這與理論計算結果是一致的。最大應力值為192.18MPa，可見目前該結構是滿足強度和剛度要求，并有較大的安全系數。

結論

本文通過運用大型有限元軟件ANSYS對汽車起重機平衡梁進行了有限元靜力學分析，系統的闡述了有限元分析的整個過程，從幾何模型到應力云圖的獲得，得出了一系列的計算結果。通過對這些結果進行分析，對平衡梁的優化設計有著非常重要的指導作用。

參考：

［1］成凱，黃奎英，推土機平衡梁和車架縱梁的工作應力測定與分析，工程機械 1997.9.

［2］滑翔.SD8 推土機平衡梁強度有限元分析［D］.杭州：吉林大學，2005.

［3］付玲，許純新.推土機平衡梁高精度有限元分析及試驗研究.工程機械1997.9 .

［4］趙少汴等，抗疲勞設計方法與數據 北京：機械工業出版社 1997.1.

［5］鄭永強，D6D 推土機平衡梁載荷及應力測定.天津工程機械研究所編優秀論文集 1996.

［6］王晶，神會存.三輪摩托車車架的有限元分析［J］.中原工學院學報，20（5）：29-31.

［7］劉鴻文.材料力學［M］.北京：高等教育出版社，2006.