*本文投稿自汽車行業(yè)用戶范會(huì)超

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工程背景

近幾年，Simsolid 作為一款高效的仿真分析軟件，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域獨(dú)樹一幟，發(fā)揮的作用也日益顯著。本文章重點(diǎn)和大家分享 Simsolid 在起重機(jī)副臂托架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。汽車起重機(jī)的副臂托架是用于支撐、固定副臂的關(guān)鍵輔助部件，主要在副臂不工作（運(yùn)輸或閑置）時(shí)發(fā)揮作用，其設(shè)計(jì)直接影響起重機(jī)的行駛安全性、副臂壽命及作業(yè)效率。

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副臂托架介紹

為了便于大家對(duì)后續(xù)分析的理解，這里結(jié)合托架裝配圖，如圖1所示，簡(jiǎn)要說(shuō)明托架的工作原理及作用。副臂作為可拆裝 / 折疊的延伸結(jié)構(gòu)，非作業(yè)狀態(tài)下若缺乏約束，會(huì)因自身重量、運(yùn)輸振動(dòng)或外力導(dǎo)致?lián)p壞、安全隱患，正是由于托架的作用，保障了副臂的運(yùn)輸安全和正常作業(yè)。

基于上述功能介紹，汽車起重機(jī)對(duì)副臂托架的性能設(shè)計(jì)要求如下：

1. 剛度要求：展開或回收副臂時(shí)，需要保證銷孔對(duì)齊，方便插拔銷軸，因此托架必須提供足夠的剛度，否則嚴(yán)重影響工程作業(yè)。
2. 強(qiáng)度要求：起重機(jī)在過(guò)坑或過(guò)坎時(shí)，托架主要受到副臂的垂向沖擊作用，因此托架必須具備足夠的強(qiáng)度，保證副臂安全地固定在主臂側(cè)面。
3. 疲勞要求：汽車起重機(jī)在公路行駛或工地轉(zhuǎn)移過(guò)程中，行駛速度可達(dá)60-80km/h，由于路面產(chǎn)生的顛簸載荷或車輛變速、轉(zhuǎn)向等產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載荷都由托架承擔(dān)，因此托架必須具備足夠的抗疲勞性能，保證車輛的長(zhǎng)期使用安全。

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主要內(nèi)容

3.1 托架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文針對(duì)主臂頭部的托架開展分析，該托架為焊接的箱式L型結(jié)構(gòu)，如下圖2所示。主臂底座板焊接到汽車起重機(jī)主臂上，托架通過(guò)四個(gè)M20的螺栓固定到主臂底座板。托架上端兩個(gè)螺栓用于調(diào)整其垂向高度，限位銷軸用于約束副臂的橫向運(yùn)動(dòng)。

3.1 托架性能分析

下面通過(guò) SimSolid 開展托架的剛度、強(qiáng)度和疲勞分析。

? 3.2.1 模型設(shè)置

1. 材料定義：在材料庫(kù)定義新材料，名稱為Q345，機(jī)械性能包括，彈性模量210GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度345MPa，抗拉強(qiáng)度480MPa；疲勞性能包括，鈑金S-N曲線，焊縫的張拉S-N曲線以及彎曲S-N疲勞曲線。
2. 焊縫連接：導(dǎo)入模型后，根據(jù)焊縫的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度和焊縫尺寸，建立三維焊縫模型，如圖3所示。
3. 螺栓連接：導(dǎo)入模型后，軟件自動(dòng)識(shí)別螺栓零件，并與周邊零件建立裝配關(guān)系，如圖4所示。

4.約束條件：選擇底座板與主臂焊接平面，定義固定約束，如圖5紅色區(qū)域。

5.載荷定義：選擇托架上端兩個(gè)副臂滾輪接觸區(qū)域，如圖5所示的兩個(gè)綠色區(qū)域。首先建立兩個(gè)SPOT點(diǎn)，點(diǎn)位置為副臂滾輪與托架的接觸區(qū)域中心，再定義垂向載荷20kN，用于剛度及強(qiáng)度工況計(jì)算。

6.疲勞定義：為了加速試驗(yàn)階段的疲勞驗(yàn)證，將托臂的隨機(jī)動(dòng)態(tài)載荷等損傷轉(zhuǎn)化為橫幅載荷，載荷大小范圍9000N，平均載荷4500N，如下圖6所示，循環(huán)次數(shù)要求大于1萬(wàn)次。通過(guò)軟件提供的SN Sequential fatigue分析方法計(jì)算托架的疲勞壽命，如圖7所示。工況1計(jì)算加載9000N的應(yīng)力，工況2計(jì)算卸載后的應(yīng)力，然后通過(guò)軟件定義SN Sequential fatigue，計(jì)算托架結(jié)構(gòu)在該應(yīng)力循環(huán)下的疲勞壽命。

圖7 疲勞工況設(shè)置

? 3.2.2 求解設(shè)置

本案例的結(jié)構(gòu)具有一定的薄板特性，因此求解采用全局+局部自適應(yīng)設(shè)置，具體如下圖8所示：

圖8 求解及結(jié)構(gòu)設(shè)置

? 3.2.3 分析結(jié)果

1.剛度結(jié)果：位移結(jié)果如下圖9所示，在施加40KN載荷的作用下，托架支撐面的最大位移0.77mm，＜設(shè)計(jì)要求1mm，滿足剛度要求。

2.強(qiáng)度結(jié)果：鋼板材料牌號(hào)為Q345，屈服強(qiáng)度345MPa，設(shè)計(jì)要求應(yīng)力小于260MPa。強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力云圖如圖10所示，托架撐板圓弧位置的應(yīng)力最大，其值為242MPa，小于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力260 MPa。因此，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足靜強(qiáng)度要求。

3.疲勞結(jié)果：疲勞計(jì)算結(jié)束后，通過(guò)后處理查看鈑金壽命最小值8.1萬(wàn)次，位置與圖10的最大應(yīng)力位置一致。再查看單次循環(huán)載荷作用下焊縫的損傷為0，即焊縫在當(dāng)前工況下為無(wú)限壽命。

綜合上述分析結(jié)果，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足剛度、強(qiáng)度和疲勞設(shè)計(jì)要求。

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應(yīng)用總結(jié)及體會(huì)

本文通過(guò)副臂托架焊接件的性能分析，展現(xiàn)了Simsolid 在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值，可以高效地評(píng)估鈑金本體、螺栓連接、焊接接頭的強(qiáng)度水平，為工程師提供了強(qiáng)大的設(shè)計(jì)支撐。通過(guò)與傳統(tǒng)有限元法對(duì)比可看出，SimSolid 在高效計(jì)算的同時(shí)，結(jié)果的相對(duì)精度達(dá)到93%以上，完全滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)要求。

方法	前處理	計(jì)算時(shí)長(zhǎng)	螺栓模擬	焊縫模擬	剛度工況最大位移	強(qiáng)度工況最大應(yīng)力
SimSolid	35分鐘	15分鐘	直接幾何定義	自動(dòng)創(chuàng)建	0.77mm	242MPa
有限元法	5.5小時(shí)	50分鐘	Beam+mpc	手動(dòng)+solid單元	0.72mm	230MPa

體會(huì)：SimSolid 在機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，應(yīng)當(dāng)建立一套適用企業(yè)自身需求的仿真評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)楦咝У那疤幚砑夹g(shù)最大化地降低了人為誤差，但是亟需建立傳統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與結(jié)果評(píng)價(jià)的等價(jià)關(guān)系，并在項(xiàng)目中不斷修正和完善，最大化軟件的工程價(jià)值。

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