全地面起重機(jī)組合臂架系統(tǒng)非線性分析

楊 微， 劉士明， 王宇諾， 孟麗霞

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110168）

0 引言

全地面起重機(jī)是移動(dòng)施工設(shè)備中最典型的設(shè)備[1]，為滿足不同施工要求，其結(jié)構(gòu)也變得越來越復(fù)雜[2-3]。由于全地面起重機(jī)的臂架結(jié)構(gòu)呈細(xì)長(zhǎng)特點(diǎn)，因此，其抵抗變形的能力是起重機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算的關(guān)鍵問題。 現(xiàn)階段對(duì)組合臂架系統(tǒng)的力學(xué)分析， 主要使用有限元仿真軟件進(jìn)行分析[4]。孟麗霞[5]推導(dǎo)出了格構(gòu)式結(jié)構(gòu)等效為實(shí)腹式結(jié)構(gòu)的等效慣性矩計(jì)算公式。 Xu G.N.[6]得出了伸縮臂的搭接長(zhǎng)度對(duì)起升性能的影響程度。王剛[7]對(duì)履帶式起重機(jī)的臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析，得出了在不同載荷下臂架結(jié)構(gòu)的位移。周奇才[8]采用弧長(zhǎng)法對(duì)環(huán)軌式起重機(jī)的4 種典型工況進(jìn)行非線性分析，得到了危險(xiǎn)點(diǎn)的載荷-位移曲線。 代麗麗[9]研究了不同加載方式下起重機(jī)桁架臂的幾何非線性問題。 但由于利用有限元軟件進(jìn)行組合臂架系統(tǒng)建模過于復(fù)雜，不利于組合臂架系統(tǒng)的初始設(shè)計(jì)計(jì)算。 因此，本文提出全地面起重機(jī)組合臂架系統(tǒng)非線性分析的簡(jiǎn)化方法，以便提高組合臂架結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)的計(jì)算效率。 基于等效慣性矩法將格構(gòu)式副臂等效為實(shí)腹式副臂，并將伸縮主臂、超起裝置、拉索等結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效簡(jiǎn)化，建立簡(jiǎn)化后的組合臂架系統(tǒng)。 利用ANSYS 對(duì)等效前后的組合臂架系統(tǒng)進(jìn)行線性分析和幾何非線性分析。

1 典型全地面起重機(jī)組合臂架系統(tǒng)的參數(shù)描述

以QAY500 全地面起重機(jī)的主臂+超起+變幅副臂組合工況為例，其簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 典型全地面起重機(jī)組合臂架系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

起重機(jī)的伸縮主臂截面形狀見圖2，主臂各截面及油缸參數(shù)見表1。 變幅副臂和連接架的截面數(shù)據(jù)見表2。

表1 主臂和油缸截面參數(shù)

表2 截面屬性參數(shù)

圖2 臂架截面

2 典型全地面起重機(jī)組合臂架系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

對(duì)典型全地面起重機(jī)組合臂架系統(tǒng)進(jìn)行等效， 可以得到其等效結(jié)構(gòu)見圖3。 據(jù)文獻(xiàn)[6]中等效慣性矩法可計(jì)算出將格構(gòu)式副臂等效為實(shí)腹式副臂的等效慣性矩，等效結(jié)構(gòu)的有限元建模參數(shù)見表3。

圖3 典型全地面起重機(jī)組合臂架系統(tǒng)等效結(jié)構(gòu)

表3 典型全地面起重機(jī)組合臂架系統(tǒng)等效結(jié)構(gòu)建模參數(shù)

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時(shí)， 需要對(duì)模型施加一些約束， 起重機(jī)組合臂架系統(tǒng)的具體約束情況和不同構(gòu)件的連接處理見表4 和表5。

表4 組合臂架結(jié)構(gòu)的約束情況

表5 組合臂架不同構(gòu)件間的連接處理

對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)和等效結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)， 在等效結(jié)構(gòu)A點(diǎn)施加豎直向下的力F，在實(shí)際結(jié)構(gòu)的B，C，D，E 四個(gè)點(diǎn)分別施加豎直向下的力F/4，如圖4 所示。

圖4 全地面起重機(jī)臂架系統(tǒng)載荷施加方式

3 仿真結(jié)果

3.1 線性分析

根據(jù)前文中所給數(shù)據(jù)， 對(duì)等效結(jié)構(gòu)與實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性分析。兩種結(jié)構(gòu)的約束關(guān)系與載荷均相同，分別對(duì)當(dāng)F=7.2×104N，7.8×104N，8.3×104N，8.8×104N 時(shí)的兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性分析。當(dāng)載荷為7.2×103N 時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)的變形圖見圖5。 不同載荷下，兩種結(jié)構(gòu)不同部位的位移及位移之間誤差見表6-9。

圖5 全地面起重機(jī)臂架系統(tǒng)變形圖

表6 F=7.2×104N 兩種結(jié)構(gòu)不同部位的位移及位移之間誤差

表7 F=7.8×104N 兩種結(jié)構(gòu)不同部位的位移及位移之間誤差

表8 F=8.3×104N 兩種結(jié)構(gòu)不同部位的位移及位移之間誤差

表9 F=8.8×104N 兩種結(jié)構(gòu)不同部位的位移及位移之間誤差

由圖5 及表6-9 可知，等效實(shí)腹式結(jié)構(gòu)與實(shí)際格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的水平位移誤差不超過8%。比較位移誤差可知，兩者的位移計(jì)算結(jié)果相近，誤差滿足初始設(shè)計(jì)計(jì)算的需求。

3.2 非線性分析

由于大多數(shù)工程實(shí)際變形問題都不是線性問題，非線性分析具有更高的準(zhǔn)確性。因此，對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)和等效結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何非線性分析。 當(dāng)F=7×104N，7.5×104N，8×104N，8.5×104N 時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)D 點(diǎn)的載荷-位移曲線見圖6。

由圖6 可知，載荷相同時(shí)，實(shí)際結(jié)構(gòu)和等效結(jié)構(gòu)的載荷-位移曲線變化走勢(shì)基本相同，本文的等效分析方法可以滿足初始設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)幾何非線性問題的分析。

圖6 全地面起重機(jī)臂架系統(tǒng)等效結(jié)構(gòu)與實(shí)際結(jié)構(gòu)載荷-位移曲線

4 結(jié)論

針對(duì)典型全地面起重機(jī)組合臂架系統(tǒng)進(jìn)行了線性和非線性分析，得出如下結(jié)論：

（1）對(duì)典型全地面起重機(jī)組合臂架系統(tǒng)進(jìn)行等效，建立等效后的組合臂架模型。

（2）對(duì)典型全地面起重機(jī)組合臂架系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)和等效結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性變形分析，實(shí)際結(jié)構(gòu)和等效結(jié)構(gòu)的線性變形誤差在8%以內(nèi)。在線性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)組合臂架系統(tǒng)進(jìn)行非線性變形分析，兩種結(jié)構(gòu)的載荷-位移曲線走勢(shì)基本相同。

（3）分析結(jié)果表明，本文提出的組合臂架系統(tǒng)非線性分析簡(jiǎn)化分析方法是可行的，能滿足組合臂架結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)時(shí)近似計(jì)算的要求，可有效提高組合臂架初始設(shè)計(jì)計(jì)算的效率。