杨 微， 刘士明， 王宇诺， 孟丽霞

（沈阳建筑大学 机械工程学院， 辽宁 沈阳 110168）

0 引言

全地面起重机是移动施工设备中最典型的设备[1]，为满足不同施工要求，其结构也变得越来越复杂[2-3]。由于全地面起重机的臂架结构呈细长特点，因此，其抵抗变形的能力是起重机设计计算的关键问题。 现阶段对组合臂架系统的力学分析， 主要使用有限元仿真软件进行分析[4]。孟丽霞[5]推导出了格构式结构等效为实腹式结构的等效惯性矩计算公式。 Xu G.N.[6]得出了伸缩臂的搭接长度对起升性能的影响程度。王刚[7]对履带式起重机的臂架结构进行非线性分析，得出了在不同载荷下臂架结构的位移。周奇才[8]采用弧长法对环轨式起重机的4 种典型工况进行非线性分析，得到了危险点的载荷-位移曲线。 代丽丽[9]研究了不同加载方式下起重机桁架臂的几何非线性问题。 但由于利用有限元软件进行组合臂架系统建模过于复杂，不利于组合臂架系统的初始设计计算。 因此，本文提出全地面起重机组合臂架系统非线性分析的简化方法，以便提高组合臂架结构初始设计的计算效率。 基于等效惯性矩法将格构式副臂等效为实腹式副臂，并将伸缩主臂、超起装置、拉索等结构进行等效简化，建立简化后的组合臂架系统。 利用ANSYS 对等效前后的组合臂架系统进行线性分析和几何非线性分析。

1 典型全地面起重机组合臂架系统的参数描述

以QAY500 全地面起重机的主臂+超起+变幅副臂组合工况为例，其简图见图1。

图1 典型全地面起重机组合臂架系统简图

起重机的伸缩主臂截面形状见图2，主臂各截面及油缸参数见表1。 变幅副臂和连接架的截面数据见表2。

表1 主臂和油缸截面参数

表2 截面属性参数

图2 臂架截面

2 典型全地面起重机组合臂架系统简化模型

对典型全地面起重机组合臂架系统进行等效， 可以得到其等效结构见图3。 据文献[6]中等效惯性矩法可计算出将格构式副臂等效为实腹式副臂的等效惯性矩，等效结构的有限元建模参数见表3。

图3 典型全地面起重机组合臂架系统等效结构

表3 典型全地面起重机组合臂架系统等效结构建模参数

对结构进行有限元分析时， 需要对模型施加一些约束， 起重机组合臂架系统的具体约束情况和不同构件的连接处理见表4 和表5。

表4 组合臂架结构的约束情况

表5 组合臂架不同构件间的连接处理

对实际结构和等效结构进行分析时， 在等效结构A点施加竖直向下的力F，在实际结构的B，C，D，E 四个点分别施加竖直向下的力F/4，如图4 所示。

图4 全地面起重机臂架系统载荷施加方式

3 仿真结果

3.1 线性分析

根据前文中所给数据， 对等效结构与实际结构进行线性分析。两种结构的约束关系与载荷均相同，分别对当F=7.2×104N，7.8×104N，8.3×104N，8.8×104N 时的两种结构进行线性分析。当载荷为7.2×103N 时，两种结构的变形图见图5。 不同载荷下，两种结构不同部位的位移及位移之间误差见表6-9。

图5 全地面起重机臂架系统变形图

表6 F=7.2×104N 两种结构不同部位的位移及位移之间误差

表7 F=7.8×104N 两种结构不同部位的位移及位移之间误差

表8 F=8.3×104N 两种结构不同部位的位移及位移之间误差

表9 F=8.8×104N 两种结构不同部位的位移及位移之间误差

由图5 及表6-9 可知，等效实腹式结构与实际格构式结构的水平位移误差不超过8%。比较位移误差可知，两者的位移计算结果相近，误差满足初始设计计算的需求。

3.2 非线性分析

由于大多数工程实际变形问题都不是线性问题，非线性分析具有更高的准确性。因此，对实际结构和等效结构进行几何非线性分析。 当F=7×104N，7.5×104N，8×104N，8.5×104N 时，两种结构D 点的载荷-位移曲线见图6。

由图6 可知，载荷相同时，实际结构和等效结构的载荷-位移曲线变化走势基本相同，本文的等效分析方法可以满足初始设计时结构几何非线性问题的分析。

图6 全地面起重机臂架系统等效结构与实际结构载荷-位移曲线

4 结论

针对典型全地面起重机组合臂架系统进行了线性和非线性分析，得出如下结论：

（1）对典型全地面起重机组合臂架系统进行等效，建立等效后的组合臂架模型。

（2）对典型全地面起重机组合臂架系统的实际结构和等效结构进行线性变形分析，实际结构和等效结构的线性变形误差在8%以内。在线性分析的基础上，对组合臂架系统进行非线性变形分析，两种结构的载荷-位移曲线走势基本相同。

（3）分析结果表明，本文提出的组合臂架系统非线性分析简化分析方法是可行的，能满足组合臂架结构初始设计时近似计算的要求，可有效提高组合臂架初始设计计算的效率。