基于APDL強(qiáng)夯機(jī)臂架有限元分析及疲勞壽命計(jì)算

呂明，丁蒲剛

（中聯(lián)重科股份有限公司渭南分公司，陜西渭南714000）

基于APDL強(qiáng)夯機(jī)臂架有限元分析及疲勞壽命計(jì)算

呂明，丁蒲剛

（中聯(lián)重科股份有限公司渭南分公司，陜西渭南714000）

針對強(qiáng)夯機(jī)臂架容易發(fā)生疲勞破壞的問題，在詳細(xì)分析某公司CGE400型強(qiáng)夯機(jī)臂架設(shè)計(jì)圖紙和強(qiáng)夯機(jī)工作過程的基礎(chǔ)上，采用ANSYS軟件中參數(shù)化程序設(shè)計(jì)語言（APDL）和節(jié)點(diǎn)法建立臂架的有限元模型，應(yīng)用Matlab語言編寫程序計(jì)算強(qiáng)夯過程中臂架的工作載荷。應(yīng)用ANSYS軟件對臂架進(jìn)行有限元分析，得到應(yīng)力和位移分布云圖，找到最大應(yīng)力值和最大變形量；基于應(yīng)力分析的結(jié)果，應(yīng)用ANSYS后處理FATIGUE模塊完成臂架的疲勞壽命分析計(jì)算。研究結(jié)果表明：CGE400型強(qiáng)夯機(jī)臂架設(shè)計(jì)合理，達(dá)到了設(shè)計(jì)者的目的。同時(shí)，也給設(shè)計(jì)者提供一種疲勞壽命分析計(jì)算的方法，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造提供參考。

APDL；臂架；有限元分析；疲勞壽命

強(qiáng)夯機(jī)是一種突然卸載和頻繁作業(yè)的專用強(qiáng)夯施工機(jī)械設(shè)備，工作原理是反復(fù)將夯錘通過臂架裝置提升到設(shè)定的高度，然后自由釋放夯錘，勢能轉(zhuǎn)化成巨大的沖擊能量作用在地基上，提高地基強(qiáng)度的目的。因而，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于各種施工現(xiàn)場。

在強(qiáng)夯機(jī)施工過程中，夯錘的頻繁升降和沖擊將會導(dǎo)致臂架彎折、后翻和疲勞斷裂等損壞。臂架是主要的承載結(jié)構(gòu)件，經(jīng)常滿載工作，承受頻繁的交變載荷，疲勞破壞是主要引起強(qiáng)夯機(jī)臂架失效的原因，同時(shí)，臂架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也是影響整機(jī)性能的關(guān)鍵因素。因此，開展這方面的研究有非常重要的意義［1-3］。

本文通過應(yīng)用有限單元法和疲勞壽命的基本原理，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，以CGE400型強(qiáng)夯機(jī)臂架為研究對象，采用APDL參數(shù)化語言和節(jié)點(diǎn)法建立臂架有限元模型，通過Matlab語言編寫程序計(jì)算工作載荷，在施加載荷和確定約束后，應(yīng)用ANSYS軟件完成臂架的有限元分析和疲勞壽命計(jì)算。通過研究，表明臂架設(shè)計(jì)合理，為生產(chǎn)商提供試驗(yàn)依據(jù)［4-6］。

1　臂架有限元分析

1.1材料參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，臂架材料設(shè)置為Q345B，材料的彈性模量E=2.06×105 MPa，泊松比為0.28，密度為7 850 kg/m3.

1.2建立臂架有限元模型

ANSYS軟件中建立有限元模型的方法有兩種：一種是建立實(shí)體模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成有限元模型；另一種是采用節(jié)點(diǎn)法，直接建立有限元模型。實(shí)體模型劃分網(wǎng)格建立的有限元模型，在劃分網(wǎng)格過程中，合并重合節(jié)點(diǎn)和單元后，不容易載荷施加和約束［7］。

本文所研究CGE400型強(qiáng)夯機(jī)臂架是由四根主弦桿和多根腹桿組成的四弦桿格構(gòu)式結(jié)構(gòu)。臂架是用圓形鋼管結(jié)構(gòu)焊接而成，主弦桿、腹桿之間互相形成復(fù)雜的連接曲面，若在ANSYS中建立臂架曲面實(shí)體模型，這部分曲面之間進(jìn)行布爾運(yùn)算時(shí)經(jīng)常會容差。

因而，由于臂架結(jié)構(gòu)本身復(fù)雜，磁盤和計(jì)算機(jī)運(yùn)行內(nèi)存的限制，采用節(jié)點(diǎn)法和APDL參數(shù)化命令流建模方法，直接建立臂架有限元模型。直接建立有限元模型的優(yōu)點(diǎn)是：（1）在縮減分析中不會產(chǎn)生問題，可以直接施加載荷在主節(jié)點(diǎn)上；（2）不必?fù)?dān)心約束擴(kuò)展，選擇所需適當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)，并指定約束。這將能夠正確地施加載荷和約束，提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在識別圖紙的基礎(chǔ)上，根據(jù)強(qiáng)夯機(jī)臂架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和模型簡化的原則，對臂架模型采用較簡化的方案。

首先定義臂架的單元類型，根據(jù)CGE400型強(qiáng)夯機(jī)臂架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)置四根主弦桿和腹桿分別是2node 188，BEAM188梁單元。設(shè)置板結(jié)構(gòu)單元是3D 4node 181，SHELL181殼單元。按照設(shè)計(jì)圖紙，定義臂架結(jié)構(gòu)的主、腹桿梁單元截面尺寸和板結(jié)構(gòu)殼單元厚度。然后，采用節(jié)點(diǎn)法和APDL參數(shù)化命令流建模方法，建立臂架結(jié)構(gòu)有限元模型，如圖1所示。

圖1　CGE400型強(qiáng)夯機(jī)臂架有限元模型

1.3臂架結(jié)構(gòu)受力分析

目前，由于強(qiáng)夯機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算尚無國家規(guī)范，且大多工況受載情況與履帶式起重機(jī)相似，因此，在計(jì)算受力時(shí)，參照GB/T3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》［8-9］。同時(shí)假設(shè)：（1）臂架結(jié)構(gòu)為彈性結(jié)構(gòu)，且材料特性為常數(shù)；（2）腹桿對臂架抗軸向拉壓和彎曲變形不起作用，僅對臂架的抗剪能力起作用。由于強(qiáng)夯機(jī)在作業(yè)過程中所受外載荷的種類和變化都很多，需要考慮結(jié)構(gòu)受力最不利的工況。

在本次計(jì)算中，模型簡化，只考慮工作載荷。選擇基本臂的最小幅度工況為計(jì)算工況，以夯錘和吊鉤為基本計(jì)算載荷，以滿足主要工作應(yīng)力為原則，在此工況下，臂架模型為靜定結(jié)構(gòu)，臂架與水平面的夾角θ為78°，后繩索與臂架的夾角θg為5°，為了研究臂架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，夯錘采用允許的最大夯錘，其重量Q為50 t，臂架結(jié)構(gòu)的受力圖如圖2所示。

圖2　臂架受力圖

圖中：θ為臂架仰角；θg為變幅繩與臂架軸線夾角；θsh為起升繩與臂架軸線夾角；Fg為變幅繩力；Fsh為起升繩力；Q為最大夯錘吊重。

起吊后靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，夯錘重量為Q，起升鋼絲繩拉力為Fsh，變幅鋼絲繩拉力為Fg，假定力Q，F(xiàn)sh和Fg匯交于臂架上端點(diǎn)，它們的合力Fn沿著臂架軸線方向作用于臂架。參考相關(guān)資料，應(yīng)用Matlab語言編寫程序計(jì)算強(qiáng)夯機(jī)強(qiáng)夯過程中的相應(yīng)載荷大小，在ANSYS軟件中，重力作為均布荷載可以直接加載，由于采用節(jié)點(diǎn)法建立有限元模型，因而，臂架受力簡圖中計(jì)算的載荷，在ANSYS軟件中施加載荷時(shí)，對應(yīng)于臂架有限元模型里的相對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)來施加載荷。

1.4臂架有限元分析

根據(jù)強(qiáng)夯機(jī)實(shí)際作業(yè)情況，強(qiáng)夯機(jī)臂架模型的下鉸點(diǎn)相當(dāng)于固定鉸支座，應(yīng)該約束其3個(gè)方向上的平動和2個(gè)方向上的轉(zhuǎn)動。臂架中部與鋼絲繩鉸點(diǎn)處相當(dāng)于可動鉸支座，在這里約束剩余方向上的轉(zhuǎn)動，這樣就得到一個(gè)具體工況下的靜定臂架模型。在臂架端部的鉸點(diǎn)處以節(jié)點(diǎn)載荷方式施加臂架所承受的載荷，臂架自重施加在桿件上。

因而，采用節(jié)點(diǎn)法建立臂架有限元模型，將載荷直接施加在主節(jié)點(diǎn)上，也可以不必?fù)?dān)心約束擴(kuò)展；選擇所需節(jié)點(diǎn)，并指定適當(dāng)?shù)募s束。施加載荷和約束后，進(jìn)行臂架有限元求解計(jì)算，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3　CGE400型強(qiáng)夯機(jī)臂架位移云圖

圖4　CGE400型強(qiáng)夯機(jī)臂架節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖

由圖3臂架位移云圖可以看出，臂架的最大位移出現(xiàn)在臂架頂部，最大變形量為44.0 mm，所以該CGE400型強(qiáng)夯機(jī)臂架的剛度也滿足要求。由圖4臂架節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖可以看出，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在臂架與車架相連接處，數(shù)值為204 MPa，未超過許用應(yīng)力，從臂架整體來看，弦桿主要承受壓應(yīng)力，數(shù)值不大，腹桿主要承受拉應(yīng)力，數(shù)值較小，一般不超過71.7 MPa，所以該CGE400型強(qiáng)夯機(jī)臂架的強(qiáng)度滿足要求。

出現(xiàn)上述結(jié)果，有以下兩點(diǎn)的原因：

（1）最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在臂架與車架相連接處，一是由于板到桿的邊緣過渡引起的應(yīng)力集中；二是因?yàn)榇颂幩艿膹澗刈畲螅云涑惺艿睦瓚?yīng)力也較大。

（2）臂架的最大位移出現(xiàn)在臂架的頂部，從頂部到根部，位移值逐漸減小，這是符合規(guī)律的。

2　臂架疲勞壽命分析計(jì)算

2.1基于ANSYS的疲勞分析法［11-14］

ANSYS軟件自帶基于有限元分析結(jié)果的疲勞分析Fatigue模塊，可以根據(jù)材料或零構(gòu)件S-N曲線進(jìn)行全壽命分析，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行構(gòu)件的虛擬疲勞仿真。通過疲勞壽命分析計(jì)算，在開發(fā)產(chǎn)品之初就能快速發(fā)現(xiàn)初始方案中出現(xiàn)的問題，提高方案設(shè)計(jì)的效率，節(jié)省實(shí)驗(yàn)的成本。在Fatigue分析模塊中，基于材料或零件的應(yīng)力，應(yīng)用全壽命（S-N）分析方法，結(jié)合線性累積損傷理論，進(jìn)行構(gòu)件的疲勞壽命分析。全壽命分析可以得到局部區(qū)域裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展情況，能夠預(yù)測到結(jié)構(gòu)在較大的損傷出現(xiàn)或疲勞破壞之前的總壽命。

2.2臂架疲勞壽命分析計(jì)算

在臂架有限元分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Fatigue分析模塊來進(jìn)行CGE400型強(qiáng)夯機(jī)臂架的疲勞壽命分析計(jì)算。按照Fatigue模塊計(jì)算步驟，設(shè)定疲勞評定的位置數(shù)、事件數(shù)和載荷數(shù)分別為1，1，2；根據(jù)臂架材料Q345B的疲勞特性參數(shù)［10］，在Fatigue S-N Table界面輸入循環(huán)次數(shù)和對應(yīng)應(yīng)力值，如圖5所示。

圖5　S-N曲線數(shù)值

輸入以下命令，將最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)號賦予Nmax_EQV.

設(shè)置應(yīng)力位置編號為Reference no.for location =l，Node no.corresp to NLOC=Nmax_EQV，將最應(yīng)力值和應(yīng)力位置對應(yīng)。在有限元分析計(jì)算結(jié)果中讀最小應(yīng)力，并且從排序的應(yīng)力值Nmax_EQV中提取最小應(yīng)力值，再存儲最小應(yīng)力：設(shè)置存儲最小應(yīng)力載荷號為1；并在計(jì)算結(jié)果中讀最大應(yīng)力，并且從排序的應(yīng)力值Nmax_EQV中提取最大應(yīng)力值，存儲最大應(yīng)力載荷號為2，每個(gè)事件中有兩個(gè)載荷，即最大載荷和最小載荷，這些操作在Fatigue模塊對話框中設(shè)置完成。設(shè)定事件數(shù)為l，重復(fù)次數(shù)為10 000，應(yīng)力比例系數(shù)為l.18，時(shí)間名稱為eve1.設(shè)置疲勞計(jì)算參數(shù)，得到疲勞分析計(jì)算結(jié)果，累計(jì)損傷系數(shù)為0.21 906＜1，符合要求。許用循環(huán)次數(shù)為45 650，如圖6所示。

圖6　CGE400型強(qiáng)夯機(jī)臂架疲勞分析計(jì)算結(jié)果

從壽命分析計(jì)算結(jié)果中可以看出，構(gòu)件的最低疲勞壽命一般位于最高應(yīng)力處，臂架的最低壽命為45 650次，由此可以看出，該CGE400型強(qiáng)夯機(jī)臂架的疲勞強(qiáng)度滿足施工要求，該強(qiáng)夯機(jī)臂架設(shè)計(jì)合理。

3　結(jié)束語

（1）根據(jù)臂架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用節(jié)點(diǎn)法和APDL參數(shù)化語言建立臂架有限元模型，實(shí)現(xiàn)有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。

（2）對臂架進(jìn)行有限元分析計(jì)算，獲得臂架的應(yīng)力云圖和位移云圖，結(jié)果表明，該臂架具有足夠的強(qiáng)度，并且滿足剛度要求。

（3）通過用Fatigue模塊對CGE400型強(qiáng)夯機(jī)臂架進(jìn)行疲勞壽命分析，得到臂架的最低壽命為45650次。結(jié)果表明，該CGE400型強(qiáng)夯機(jī)臂架的疲勞強(qiáng)度滿足要求。

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Finite Element Analysis and Fatigue Life Calculation of the Dynamic Compactor Boom based on APDL Language in ANSYS

LV Ming，DING Pu-gang
（Weinan Branch'Zoomlion Heavy Industry Science and Technology Co.，Ltd.，Weinan Shaanxi 714000，China）

Focused on solving the problem of the fatigue damage of the dynamic compactor boom，based on the detailed analysis of the design drawings of the CGE400 dynamic compactor boom and the working process of the dynamic compactor，the overall three-dimensional parametric finite element model of the boom has been set up based on the ANSYS Parametric Design Language（APDL）from the ANSYS software and the node method.The work load of the boom during the dynamic compaction process will be calculated by compiling the Matlab language program.The finite element analysis of the boom has been achieved by using the ANSYS software，and the stress contour and the displacement contour will be obtained and the maximum stress value and the maximum displacement value will be found.At the base of the result of the stress analysis，the fatigue life analysis calculation of the boom has been completed by applying the post processing FATIGUE module of the ANSYS software.The research results show that the boom design of the CGE400 dynamic compactor is reasonable and the designer's purpose will be achieved.At the same time，a new method of the fatigue life analysis calculation has been introduced to the designer and some

will be provided for the structure design and the manufacturing.

parametric design language（APDL）；boom；finite element analysis；fatigue life

TU662；TH218

A

1672-545X（2016）08-0061-04

2016-05-02

呂明（1986-），男，陜西興平人，本科，助理工程師，研究方向：機(jī)電一體化。