鉸接體吊具有限元分析

郭世均+羅朋+石能芳

摘 要：鉸接體作為鉸接式自卸車前后車架連接的紐帶，其安裝難道很大。為了方便鉸接體的安裝必須借助其他有效的輔助工具，因此設計了鉸接體吊具。在設計過程中利用UG設計吊具三維模型，再通過ansys workbench進行有限元分析，強度校核。再根據分析結果對吊具進行結構優化，設計出輕量化、可靠、高性能的吊具。

關鍵詞：吊具；有限元；ansys workbench；強度

鉸接式自卸車屬于非公路鉸接式自卸汽車，是針對我國的實際情況，專門開發的適合于礦山、水利工地等使用車型。前后車架通過鉸接體連接，可使整車具有機動性強、靈敏度高、適應性強等特點。而笨重的鉸接體要實現前后車架的相連無疑成為整車組裝的一大難點。

鉸接體為不規則形狀，上下鉸接點都為軸承安裝孔，左右兩側為轉向缸安裝孔，后部為大軸承安裝軸。鉸接體安裝難點就是軸承安裝軸需要水平裝入后車架的鉸接體支撐內，這需要保證鉸接體在起吊過程中不晃動，并可前后做近似水平移動，且起吊工具不妨礙鉸接體插入后車架鉸接體支撐安裝孔內。根據鉸接體幾何形狀特點及安裝要求，對吊具進行如下設計：吊具通過銷軸與鉸接體轉向缸安裝孔連接，同時保證鉸接體與吊具中心處于四個吊耳中心，使吊具與鉸接體保持平衡，天車可通過吊繩連接四個吊耳，把鉸接體移動到安裝位置進行安裝。

1 建立幾何模型

通過UG軟件建立吊具的三維模型，吊具主要組成：左右縱梁、前后橫梁、四個吊耳、左右支撐梁、鉸接體連接座、鉸接體連接銷。縱梁、橫梁、都采用箱型梁結構，通過U型的折彎板與相應蓋板焊接而成。左右縱梁折彎板、蓋板厚度均為8mm，箱型梁內部采用8個厚度為5mm的加強筋板；前后橫梁與左右縱梁結構相類型；支撐梁主要由前后蓋板及左右側板焊接而成，頂端與左右橫梁連接，底端與鉸接體安裝座焊接在一起，支撐梁是整個吊具最主要受力部位，除了受鉸接體重力外，還受到由于鉸接重力產生的力矩。為了更好的傳力，支撐梁頂部開設方形孔，左右縱梁分別穿過方形孔后再進行焊接。這樣可以減輕焊縫負擔，加長吊具壽命。考慮到吊具的受力情況，左右支撐梁前蓋板采用20mm厚的板，后蓋板及左右側板才有8mm厚鋼板焊接而成。并在左右支撐梁鉸接體連接座位置在上加強筋板，保證受力部位的強度。

鉸接體連接座由上座耳和下座耳焊接在支撐梁上構成，連接銷可通過鉸接體連接座上的連接孔實現鉸接體與吊具的安裝。考慮到鉸接體的重量主要通過連接銷與鉸接體連接座孔壁的接觸傳力，故上座耳與下座耳采用30mm厚的板。

2 建立有限元模型

把吊具幾何模型導入有限元軟件ansys workbench中，對其進行有限元模型建立。

定義材料及屬性：模型使用材料為Q235A，彈性模量E=2.12×1011，泊松比u=0.288，屈服強度σs=235MPa，密度為7860kg/m3。

定義好材料后對網格進行劃分。根據吊具的受力情況分析支撐梁與左右縱梁位置可能出現應力集中，為提高精度，在連接部位進行局部網格細化。網格劃分完畢查看網格劃分情況，網格單元數496208，網格單元數995516。

3 吊具有限元分析

吊具吊耳主要受吊繩拉力，可在吊具上施加約束，吊具鉸接體安裝座受鉸接體向下的垂下力，還受到由重力引起的力矩，可通過ansys workbench在相應鉸接體連接位置施加遠端載荷，為提高計算精度，考慮吊具所受重力，在系統中添加重力加速度g。

4 結果分析

查看求解結果，最大應力出現在支撐梁與左右縱梁連接位置，最大應力點8.42×107，安全系數2.79，最大變形量為0.17mm。吊具重量為254.4kg，作為鉸接體組裝的一個吊具，能夠滿足強度要求外還必須達到輕量化，才能夠最大極限發揮它的作用，而不應吊具過重造成其他負擔。同時，輕量化可以減少鋼材的使用量，節約成本，降低造價。為了達到低成本、輕量化的目標，在保證強度要求的前提下可對吊具進行結構優化。

5 吊具結構優化

要想改善支撐梁與左右縱梁連接部位的應力集中，可以再連接處增添加強筋。而其他部位應力值遠低于材料的屈服應力，可以對降低鋼板厚度，從而降低吊具的增體強度。左右縱梁折彎板與蓋板板厚由8mm改為5mm，所用加強筋由5mm改為3mm，前后橫梁做相似調整。左右支撐梁應力富余更大，前蓋板板厚由20mm調整為10mm，左右側板厚度均降低到5mm，加強筋板厚度均改為3mm；鉸接體連接座上下耳板應力雖然很底，但考慮到銷軸連接孔需要一定的壁厚與銷軸配合，板厚降低到20mm即可。

對改進后的吊具導入ansys workbench進行有限元分析，分析結果顯示最大應力還是出現在左右縱梁與左右支撐梁連接位置區域，最大應力為1.004×108Pa，通過ansys workbench可得出吊具的安全因子云圖，結果顯示最小安全因子為2.34，滿足強度要求；最大形變位于支撐梁下端，形變量為1.1mm，滿足吊具的剛度要求。改進后的吊具質量為169kg，鋼材用量減少85.4kg，重量大大較低，組裝人員操作更方便，實用性更強。同時也減少了大量的鋼材費，大大降低了吊具的成本。

6 結束語

通過有限元分析可知道吊具工作時的應力分布情況。可根據應力云圖對吊具進行結構優化。應力過于集中處可進行局部加強，應力富余區域進行強度削弱。這樣可以設計出可靠、經濟的吊具。

在產品設計過程中要適當利用有限元軟件求解分析復雜工程和產品的力學性能，從而對產品進行結構優化，以最小成本滿足產品性能要求。以經驗主義加強產品強度，會造成產品成本過高，資源浪費；盲目降低產品強度則留下安全隱患。在設計前期通過仿真分析，發現問題解決問題，可以大大減少試驗期的工作量、周期和經費。

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