基于UG的鉤臂車鉤臂的靜力學分析

牟江濤1 王斌2

MOU Jiang-tao et al

1. 山東五征集團有限公司 山東日照 262306 2. 漢陽專用汽車研究所 湖北武漢 430056

基于UG的鉤臂車鉤臂的靜力學分析

牟江濤1 王斌2

MOU Jiang-tao et al

1. 山東五征集團有限公司 山東日照 262306 2. 漢陽專用汽車研究所 湖北武漢 430056

為優化鉤臂車鉤臂裝置的性能和質量，采用UG軟件建立鉤臂裝置的數模，并對其進行有限元靜力學分析。通過簡化模擬鉤臂裝置的工作狀況，對其進行受力分析，并根據鉤臂的材料屬性建立有限元分析模型，分析其變形和應力分布情況，對鉤臂的結構優化和安全工作提供了理論支持。

鉤臂裝置 UG軟件 有限元模型 應力 應變

1 前言

車廂可卸式垃圾車又稱為鉤臂式垃圾運輸車，廣泛應用于城市、鄉鎮、街道、農村、學校等生活垃圾的收集、轉運和處理。其中，鉤臂裝置作為垃圾車的關鍵部件，其性能的好壞直接影響著整車的性能，因此，研究鉤臂裝置的性能，并對其進行優化設計具有重要的意義。

在UG NX系統的高級分析模塊中，可以實現相關零部件的靜力學分析。UG的前處理功能比較強大，在高級分析模塊中可以直接轉化成有限元模型并對模型進行簡化；與其他CAE軟件相比，此軟件不需要進行模型的二次轉換，不僅可以提高工作效率，還可增加模型本身的正確率，為后續分析提供更加可靠的支持[1]。

本文以鉤臂車的鉤臂裝置為研究對象，利用UG軟件建立鉤臂裝置的靜力學模型，并對其進行靜力學分析，通過分析應力、應變的分布情況，不僅證明了結構的可行性，也為相關設計工作提供了依據。

2 鉤臂的靜力學模型

鉤臂裝置是鉤臂車的重要組成部分，其中上端部分連接拉鉤，鉤起可移動式垃圾箱，下端部分連接滑臂裝置，借助滑塊裝置實現滑移，從而調節鉤臂的長度實現對垃圾箱的掛接[2]。因此對鉤臂裝置進行靜力學分析，得到在不同工況下的應力、應變云圖，為其機械結構的設計提供了依據。圖1為鉤臂車的鉤臂模型。

圖1 鉤臂模型

3 前處理

在對模型進行有限元分析前，需要對模型進行簡化。經過簡化后的模型有利于網格劃分，提高分析精度，縮短求解時間[3]。對模型簡化時應遵循以下原則，保留原模型的關鍵特征和用戶認為需要分析的特征，對一些外觀性的特征可以適當進行簡化，如小孔、圓角等。

由于鉤臂裝置本身是焊接而成，在進行網格劃分之前需要對焊縫進行處理，在此模型中采用ID連接中節點的連接方式實現焊縫的處理，此過程比較麻煩，耗費時間較長，這樣對焊縫進行處理后，可以保證與原始模型焊接性能的相似性。

3.1 添加材料

在對模型進行分析之前需要設置模型的材料。鉤臂裝置的材料為Q345B，厚度為8 mm，部分加強筋的厚度為6 mm。在高級仿真工具欄中的材料屬性中，指派零部件的材料屬性。材料指標如表1所示。

表1 Q345B材料指標

3.2 網格劃分

網格劃分是有限元分析的關鍵步驟，網格劃分的好壞直接影響有限元分析的精度[4]。UG NX中網格類型包括零維網格、一維網格、二維網格、三維網格和連接網格五種類型。在本模型中大部分采用二維網格，對于關鍵部位采用三維網格進行劃分。劃分完成之后的網格如圖2所示。

圖2 鉤臂網格劃分

3.3 添加約束和載荷

模擬鉤臂的運行工況，設置約束條件。在此文中主要分析鉤臂運行狀態的極限位置。對鉤臂進行整體分析時，在鉤臂下端部分選擇固定約束命令對其自由度進行約束，如圖3所示。根據鉤臂的鉤心高度，鉤臂裝置運行至極限狀態時，此時受到最大的力與力矩，以及力的作用點，對其添加載荷。約束與載荷添加完成之后對其進行求解。

圖3 鉤臂固定約束

4 靜力學求解結果分析

在有限元模型的前處理工作完成后，利用求解器中相應的結算類型，進行后處理工作。在U G N X中利用N X NASTRAN求解器進行相應的求解。在本文中，為了更好地了解鉤臂裝置的受力情況，對其進行十階模態分析，可從各階模態分析中清楚了解鉤臂的應力、應變的趨勢，可以更好地為后續鉤臂裝置的設計優化提供理論依據[5-6]。圖4～7為某階模態下的位移-節點、旋轉-節點、應力-單元、應力-單元-節點的云圖。通過各階模態下的應力、應變情況分析，此工況下的應力、應變均在符合要求的范圍之內。

圖4 位移-節點云圖

圖5 旋轉-節點云圖

圖6 應力-單元云圖

圖7 應力-單元-節點云圖

求解結構完成之后，可利用UG NX自帶的動畫功能顯示模型的變化情況，以便更好地可視化三維模型，并顯示相應特定結算方案。圖8為利用動畫顯示某階模態下的應力變化狀態，可以通過設置幀數調節播放的速度，觀察應力的變化趨勢。

5 結語

通過UG NX軟件對鉤臂裝置進行分析，得出應力、應變云圖。從而可知，鉤臂裝置在達到極限工況時的應力、應變均在允許的范圍內。通過分析可以準確快速得出產品的應力、應變等情況，為產品的優化設計提供理論依據。

圖8 動畫狀態下的應變云圖

[1]石超,楊然兵,尚書旗.基于UG的花生收獲機挖掘裝置有限元靜力學分析[J].農機化研究,2015(01):18-21.

[2]朱冰,李偉,任淑燕,王凱.基于Optistruct的拉臂穩定裝置結構優化[J].專用汽車,2016(03):85-88.

[3]侯惠敏,蔣鵬,孫國強等. 250 mm伺服驅動輥鍛機鍛輥有限元靜力學分析[J].鍛壓技術,2016(05):101-105.

[4]鄭正,雷君相,羅宇舟.基于ANSYS對塑料齒輪的結構靜力學分析[J].制造業自動化,2010(05):163-166.

[5]樊炳輝,焦浩,賈娜.基于Ansys WorkBench的排爆機器人機械手靜力學分析[J].制造業自動化,2014(04):34-36.

[6]姜振廷,鄭忠才,董旭.基于ANSYS WORKBENCH的六自由度機械臂有限元分析及結構優化[J].制造業自動化,2014(01):109-110+123.

Statics Analysis for Hook Arm Device Based on UG

In order to optimize the hook arm device performance and quality, a hook arm device was established by UG software, and also carried on the finite element statics analysis. By simplifying the working condition of hook arm device, having force analysis, and based on the material properties of the hook arm, finite element analysis model was established, and also having analysis of its deformation and stress distribution, which providing the theory support and security work for the structure optimization of hook arm.

hook arm device; UG; finite element; stress; deformation

U469.6+91.03

A

1004-0226(2017)08-0106-03

牟江濤，男，1979年生，工程師，主要從事專用車研發設計工作。

2017-05-30