某型側(cè)面起重機(jī)結(jié)構(gòu)件應(yīng)力集中問題分析及改進(jìn)

摘要：根據(jù)某型側(cè)面起重機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試結(jié)果可知，某結(jié)構(gòu)件存在局部應(yīng)力集中問題，結(jié)構(gòu)件局部應(yīng)力值超出結(jié)構(gòu)件材料的需用應(yīng)力，需要進(jìn)行分析及改進(jìn)。提出改進(jìn)措施，并結(jié)合有限元方法對改進(jìn)后的側(cè)面起重機(jī)進(jìn)行了受力分析，經(jīng)過試驗(yàn)測試證明，局部應(yīng)力集中問題得到了解決。

關(guān)鍵詞：側(cè)面起重機(jī);應(yīng)力集中;有限元;測試

0" "前言

側(cè)面起重機(jī)是用于吊裝集裝箱的專用設(shè)備，通常安裝于半掛車或二類底盤上，組成集裝箱起重運(yùn)輸車，由于其具有靈活、高效的特點(diǎn)，得到了越來越多用戶的認(rèn)可。某型側(cè)面起重機(jī)的示意圖如圖1所示。起重機(jī)結(jié)構(gòu)件需要滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求，設(shè)計(jì)中可借助有限元軟件進(jìn)行受力分析，相關(guān)分析結(jié)果為結(jié)構(gòu)件的改進(jìn)和優(yōu)化提供依據(jù)。

本文針對某型側(cè)面起重機(jī)結(jié)構(gòu)件存在的局部應(yīng)力集中問題，提出改進(jìn)措施，并結(jié)合有限元方法對改進(jìn)后的側(cè)面起重機(jī)進(jìn)行了受力分析，經(jīng)過試驗(yàn)測試證明，局部應(yīng)力集中問題得到了解決。

1" "結(jié)構(gòu)件選材及力學(xué)性能分析

側(cè)面起重機(jī)載荷在吊臂的一側(cè)，受力情況比較復(fù)雜，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)件主要選用Q690高強(qiáng)度鋼材。Q690鋼材的力學(xué)性能[1]如表1所示。

2" "原側(cè)面起重機(jī)存在的問題

某型側(cè)面起重機(jī)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)件應(yīng)力試驗(yàn)時(shí)，測得其下臂結(jié)構(gòu)和支腿結(jié)構(gòu)存在局部應(yīng)力過大區(qū)域，下臂結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的位置如圖2所示，支腿應(yīng)力集中的位置如圖3所示。在產(chǎn)品試驗(yàn)中，以上標(biāo)出的各處的局部應(yīng)力最大值均接近了鋼材的屈服極限690MPa，因此需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

3" "問題分析及整改措施

3.1" "問題分析

通常，應(yīng)力集中發(fā)生在受力零件或構(gòu)件形狀或尺寸突然變化的局部部位，其特點(diǎn)是應(yīng)力從鄰近區(qū)域到應(yīng)力集中部位迅速達(dá)到峰值，并常在這些部位引起零部件件的早期損壞。

下臂結(jié)構(gòu)應(yīng)力過大的區(qū)域，在下臂液壓缸與下臂結(jié)構(gòu)鉸接處附近，液壓缸的拉（壓）力通過此處傳遞到下臂結(jié)構(gòu)上。此處受力較大，但過度圓角半徑過小，需要將其加大。支腿結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力過大也是由于結(jié)構(gòu)件外形過渡過大，過度圓角過小，也需要將其加大。這兩處的應(yīng)力過大均屬于應(yīng)力集中。

3.2" "整改措施

消除應(yīng)力集中有很多措施，可從改變零件的形狀入手，使結(jié)構(gòu)件外形變化平緩。可加大過渡部分圓角半徑，以使應(yīng)力分布均勻，峰值應(yīng)力降低。具體結(jié)構(gòu)整改如圖4、圖5所示。

由圖4和圖5可知，二者均采用在原有的圓弧過渡處對接焊上加強(qiáng)板，以增大過渡圓角。為了保證焊接質(zhì)量，在過渡處的外側(cè)焊接貼板，貼板外沿與加強(qiáng)板外沿采用角焊縫焊接在一起。通過加大過渡圓角，同時(shí)增加應(yīng)力集中處的板厚兩種措施，預(yù)期能夠消除結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力集中。

4" "整改措施驗(yàn)證

為了驗(yàn)證整改措施的有效性，先在有限元軟件中進(jìn)行了初步建模計(jì)算，做出初步判斷后，對現(xiàn)有側(cè)面起重機(jī)進(jìn)行整改。整改之后進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試，驗(yàn)證整改措施的有效性及有限元計(jì)算的正確性。

4.1" "有限元分析

為了充分驗(yàn)證，選取側(cè)面起重機(jī)的極限工況進(jìn)行計(jì)算，即側(cè)面起重機(jī)吊點(diǎn)最遠(yuǎn)處起吊1.1倍的額定載荷的工況。下臂有限元分析結(jié)果如圖6，支腿有限元分析結(jié)果圖7所示。

從如圖6、圖7的有限元分析結(jié)果可以看出，下臂與支腿的圓弧過渡處的應(yīng)力最大值均降到360MPa左右，小于超載工況的許用應(yīng)力552MPa，大部分邊緣的應(yīng)力均在200～240MPa之間，且應(yīng)力云圖顯示應(yīng)力變化平緩。上述有限元的分析結(jié)果，初步驗(yàn)證了整改措施的有效性和可行性。

4.2" "應(yīng)力測試

按照此方案對現(xiàn)有側(cè)面起重機(jī)進(jìn)行整改后，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試，重點(diǎn)驗(yàn)證這兩處整改的位置，具體的測試點(diǎn)布點(diǎn)如圖8所示。

同樣以側(cè)面起重機(jī)吊點(diǎn)最遠(yuǎn)處起吊1.1倍額定載荷的工況進(jìn)行測試，上臂水平后停止動(dòng)作時(shí)，對測點(diǎn)進(jìn)行取樣，測量此時(shí)各待測點(diǎn)在靜力的作用下的靜應(yīng)力，測量3次，取平均值。應(yīng)力測試結(jié)果如表2所示。

由測量結(jié)果可以得出，局部集中應(yīng)力已經(jīng)消除，測試結(jié)果可以說明整改措施有效。同時(shí)，將表2的數(shù)據(jù)和應(yīng)力云圖進(jìn)行比對，可以看出有限元的計(jì)算結(jié)果基本與實(shí)測值吻合，能夠驗(yàn)證有限元計(jì)算的正確性。

5" "結(jié)論

在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量避免受力處外形或尺寸變化過大形成應(yīng)力集中。若設(shè)計(jì)前期忽略局部的應(yīng)力集中，可能會(huì)引起局部出現(xiàn)應(yīng)力過大的現(xiàn)象。本文針對某型號(hào)側(cè)面起重機(jī)結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)的應(yīng)力集中問題，提出了整改措施，并結(jié)合有限元軟件對整改措施進(jìn)行初步驗(yàn)證。在初步驗(yàn)證合格后，對現(xiàn)有的側(cè)面起重機(jī)進(jìn)行了整改，并進(jìn)行了靜應(yīng)力測試，實(shí)測結(jié)果基本與有限元計(jì)算結(jié)果吻合，驗(yàn)證了整改措施的有效性和有限元計(jì)算的正確性，可為以后設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)并提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

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