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基于Workbench的汽车起重机平衡梁强度分析

撰文/方晓南1吴程晨2汤正翔3

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摘要：利用 Workbench对一款汽车起重机平衡梁的强度进行了分析，得到平衡梁的受力情况和性能参数。从而确定危险截面所在位置，并且进行强度校核，分析结果为起重机平衡梁的设计提供参考。关键词：汽车起重机；平衡梁；Workbench

中小吨位汽车起重机平衡梁是焊接在机架两大梁之间的结构件，作为行驶中主要的承载部件，它对其上的板簧支座、钢板弹簧、车架及整机重量起着支撑作用［1］-［2］。本文以汽车起重机平衡梁为例，建立平衡梁模型，导入Workbench仿真平台中进行对其静态特性进行静力分析与模态分析，获得平衡梁各部位的最大变形量及最大等效应力，用以验证在该平衡梁结构是否满足强度要求。

Workbench静力结构分析与模态分析

线性静力结构分析用于分析结构在静力载荷作用下的响应。一般情况下人们比较关注的是结构的位移、约束反力、应力以及应变等参数，以获得危险截面所在位置，并对危险截面进行强度校核计算，这些结果对于指导平衡梁的设计研究有着非常重要的作用［3］-［5］。

ANSYS在处理结构力学线性问题时，将有限元模型分成有限个单元，位移和时间有关，以｛u｝表示单元上的节点位移列向量，它是时间的函数，用矩阵表示则动力学方程为［6］：

其中，［M］是质量矩阵，［C］是阻尼矩阵，［K］是刚度矩阵，｛u｝是节点位移矢量，｛F｝是载荷力向量，它的不同特征决定了不同分析类型。

在线性静力结构分析中，忽略与时间相关项，于是从式（1）得到下面的方程式：

在研究一个点的应力的应力状态时，用σ1、σ2、σ3表示该点的3个主应力，并以σ1表示最大主应力，σ3表示最小主应力，即σ1＞σ2＞σ3，且这3个应力遵循材料力学第四强度理论［7］。

在应力分析当中，应当满足以下假设条件：K矩阵必须是连续的；相应的材料需要满足线弹性和小变形理论要求。在静力分析中，力矢量F为静载荷，可以不考虑惯性（如质量、阻尼等）对其影响；Von Mises等效应力σr可以表示为：

零部件材料强度需要具备的条件为：σr≤［σ］。其中，［σ］为材料许用应力极限值；σ1、σ2、σ3为某点的3向主应力。

平衡梁模型建立

采用PRO/E进行几何建模，为了保证求解精度与单元质量、并且节省求解时间，在建模的过程中对平衡梁模型进行适当的简化是必要的，结合平衡梁的结构特征与受力特点，忽略对计算结果影响较小的孔、实体边缘的倒角、圆角和圆孔台阶等几何因素。

单元和网格划分和材料属性

将在PRO/E中生成的平衡梁模型导入到Workbench中进行有限元分析。汽车起重机平衡梁所用材料为ZG310-570，屈服极限为310MPa，材料属性为：密度ρ=7.8e-6kg/mm3、杨氏模量E=2.1e5MPa；泊松比μ=0.3，为了保证计算精度并减少计算量，采用20节点solid186六面体单元划分网格，网格大小为12mm，离散后的有限元模型共64103个节点，单元数目为16588。

施加载荷及约束

由于平衡梁工作时受力相当于简支梁，因此在约束两端圆孔周围节点的径向位移和轴向位移，在中间圆孔下表面施加88000N的载荷。

有限元计算及结果分析

各种云图能清晰直观地反映出平衡梁的应力和变形的分布状况，最大应力出现在加载圆孔的下边和两端圆孔圆弧段和直线段的交界处，位移最大点出现在平横梁的中间位置，这与理论计算结果是一致的。最大应力值为192.18MPa，可见目前该结构是满足强度和刚度要求，并有较大的安全系数。

结论

本文通过运用大型有限元软件ANSYS对汽车起重机平衡梁进行了有限元静力学分析，系统的阐述了有限元分析的整个过程，从几何模型到应力云图的获得，得出了一系列的计算结果。通过对这些结果进行分析，对平衡梁的优化设计有着非常重要的指导作用。

参考：

［1］成凯，黄奎英，推土机平衡梁和车架纵梁的工作应力测定与分析，工程机械 1997.9.

［2］滑翔.SD8 推土机平衡梁强度有限元分析［D］.杭州：吉林大学，2005.

［3］付玲，许纯新.推土机平衡梁高精度有限元分析及试验研究.工程机械1997.9 .

［4］赵少汴等，抗疲劳设计方法与数据 北京：机械工业出版社 1997.1.

［5］郑永强，D6D 推土机平衡梁载荷及应力测定.天津工程机械研究所编优秀论文集 1996.

［6］王晶，神会存.三轮摩托车车架的有限元分析［J］.中原工学院学报，20（5）：29-31.

［7］刘鸿文.材料力学［M］.北京：高等教育出版社，2006.