基于APDL强夯机臂架有限元分析及疲劳寿命计算

吕明，丁蒲刚

（中联重科股份有限公司渭南分公司，陕西渭南714000）

基于APDL强夯机臂架有限元分析及疲劳寿命计算

吕明，丁蒲刚

（中联重科股份有限公司渭南分公司，陕西渭南714000）

针对强夯机臂架容易发生疲劳破坏的问题，在详细分析某公司CGE400型强夯机臂架设计图纸和强夯机工作过程的基础上，采用ANSYS软件中参数化程序设计语言（APDL）和节点法建立臂架的有限元模型，应用Matlab语言编写程序计算强夯过程中臂架的工作载荷。应用ANSYS软件对臂架进行有限元分析，得到应力和位移分布云图，找到最大应力值和最大变形量；基于应力分析的结果，应用ANSYS后处理FATIGUE模块完成臂架的疲劳寿命分析计算。研究结果表明：CGE400型强夯机臂架设计合理，达到了设计者的目的。同时，也给设计者提供一种疲劳寿命分析计算的方法，为结构设计和制造提供参考。

APDL；臂架；有限元分析；疲劳寿命

强夯机是一种突然卸载和频繁作业的专用强夯施工机械设备，工作原理是反复将夯锤通过臂架装置提升到设定的高度，然后自由释放夯锤，势能转化成巨大的冲击能量作用在地基上，提高地基强度的目的。因而，现在广泛应用于各种施工现场。

在强夯机施工过程中，夯锤的频繁升降和冲击将会导致臂架弯折、后翻和疲劳断裂等损坏。臂架是主要的承载结构件，经常满载工作，承受频繁的交变载荷，疲劳破坏是主要引起强夯机臂架失效的原因，同时，臂架的结构强度也是影响整机性能的关键因素。因此，开展这方面的研究有非常重要的意义［1-3］。

本文通过应用有限单元法和疲劳寿命的基本原理，根据设计图纸，以CGE400型强夯机臂架为研究对象，采用APDL参数化语言和节点法建立臂架有限元模型，通过Matlab语言编写程序计算工作载荷，在施加载荷和确定约束后，应用ANSYS软件完成臂架的有限元分析和疲劳寿命计算。通过研究，表明臂架设计合理，为生产商提供试验依据［4-6］。

1　臂架有限元分析

1.1材料参数

根据设计图纸要求，臂架材料设置为Q345B，材料的弹性模量E=2.06×105 MPa，泊松比为0.28，密度为7 850 kg/m3.

1.2建立臂架有限元模型

ANSYS软件中建立有限元模型的方法有两种：一种是建立实体模型，进行网格划分，生成有限元模型；另一种是采用节点法，直接建立有限元模型。实体模型划分网格建立的有限元模型，在划分网格过程中，合并重合节点和单元后，不容易载荷施加和约束［7］。

本文所研究CGE400型强夯机臂架是由四根主弦杆和多根腹杆组成的四弦杆格构式结构。臂架是用圆形钢管结构焊接而成，主弦杆、腹杆之间互相形成复杂的连接曲面，若在ANSYS中建立臂架曲面实体模型，这部分曲面之间进行布尔运算时经常会容差。

因而，由于臂架结构本身复杂，磁盘和计算机运行内存的限制，采用节点法和APDL参数化命令流建模方法，直接建立臂架有限元模型。直接建立有限元模型的优点是：（1）在缩减分析中不会产生问题，可以直接施加载荷在主节点上；（2）不必担心约束扩展，选择所需适当的节点，并指定约束。这将能够正确地施加载荷和约束，提高分析结果的准确性。

在识别图纸的基础上，根据强夯机臂架的结构特点和模型简化的原则，对臂架模型采用较简化的方案。

首先定义臂架的单元类型，根据CGE400型强夯机臂架结构特点，设置四根主弦杆和腹杆分别是2node 188，BEAM188梁单元。设置板结构单元是3D 4node 181，SHELL181壳单元。按照设计图纸，定义臂架结构的主、腹杆梁单元截面尺寸和板结构壳单元厚度。然后，采用节点法和APDL参数化命令流建模方法，建立臂架结构有限元模型，如图1所示。

图1　CGE400型强夯机臂架有限元模型

1.3臂架结构受力分析

目前，由于强夯机的设计计算尚无国家规范，且大多工况受载情况与履带式起重机相似，因此，在计算受力时，参照GB/T3811—2008《起重机设计规范》［8-9］。同时假设：（1）臂架结构为弹性结构，且材料特性为常数；（2）腹杆对臂架抗轴向拉压和弯曲变形不起作用，仅对臂架的抗剪能力起作用。由于强夯机在作业过程中所受外载荷的种类和变化都很多，需要考虑结构受力最不利的工况。

在本次计算中，模型简化，只考虑工作载荷。选择基本臂的最小幅度工况为计算工况，以夯锤和吊钩为基本计算载荷，以满足主要工作应力为原则，在此工况下，臂架模型为静定结构，臂架与水平面的夹角θ为78°，后绳索与臂架的夹角θg为5°，为了研究臂架结构的强度和刚度，夯锤采用允许的最大夯锤，其重量Q为50 t，臂架结构的受力图如图2所示。

图2　臂架受力图

图中：θ为臂架仰角；θg为变幅绳与臂架轴线夹角；θsh为起升绳与臂架轴线夹角；Fg为变幅绳力；Fsh为起升绳力；Q为最大夯锤吊重。

起吊后静止状态时，夯锤重量为Q，起升钢丝绳拉力为Fsh，变幅钢丝绳拉力为Fg，假定力Q，Fsh和Fg汇交于臂架上端点，它们的合力Fn沿着臂架轴线方向作用于臂架。参考相关资料，应用Matlab语言编写程序计算强夯机强夯过程中的相应载荷大小，在ANSYS软件中，重力作为均布荷载可以直接加载，由于采用节点法建立有限元模型，因而，臂架受力简图中计算的载荷，在ANSYS软件中施加载荷时，对应于臂架有限元模型里的相对应的节点来施加载荷。

1.4臂架有限元分析

根据强夯机实际作业情况，强夯机臂架模型的下铰点相当于固定铰支座，应该约束其3个方向上的平动和2个方向上的转动。臂架中部与钢丝绳铰点处相当于可动铰支座，在这里约束剩余方向上的转动，这样就得到一个具体工况下的静定臂架模型。在臂架端部的铰点处以节点载荷方式施加臂架所承受的载荷，臂架自重施加在杆件上。

因而，采用节点法建立臂架有限元模型，将载荷直接施加在主节点上，也可以不必担心约束扩展；选择所需节点，并指定适当的约束。施加载荷和约束后，进行臂架有限元求解计算，结果如图3和图4所示。

图3　CGE400型强夯机臂架位移云图

图4　CGE400型强夯机臂架节点应力云图

由图3臂架位移云图可以看出，臂架的最大位移出现在臂架顶部，最大变形量为44.0 mm，所以该CGE400型强夯机臂架的刚度也满足要求。由图4臂架节点应力云图可以看出，最大拉应力出现在臂架与车架相连接处，数值为204 MPa，未超过许用应力，从臂架整体来看，弦杆主要承受压应力，数值不大，腹杆主要承受拉应力，数值较小，一般不超过71.7 MPa，所以该CGE400型强夯机臂架的强度满足要求。

出现上述结果，有以下两点的原因：

（1）最大拉应力出现在臂架与车架相连接处，一是由于板到杆的边缘过渡引起的应力集中；二是因为此处所受的弯矩最大，所以其承受的拉应力也较大。

（2）臂架的最大位移出现在臂架的顶部，从顶部到根部，位移值逐渐减小，这是符合规律的。

2　臂架疲劳寿命分析计算

2.1基于ANSYS的疲劳分析法［11-14］

ANSYS软件自带基于有限元分析结果的疲劳分析Fatigue模块，可以根据材料或零构件S-N曲线进行全寿命分析，对产品结构设计进行构件的虚拟疲劳仿真。通过疲劳寿命分析计算，在开发产品之初就能快速发现初始方案中出现的问题，提高方案设计的效率，节省实验的成本。在Fatigue分析模块中，基于材料或零件的应力，应用全寿命（S-N）分析方法，结合线性累积损伤理论，进行构件的疲劳寿命分析。全寿命分析可以得到局部区域裂纹的产生和扩展情况，能够预测到结构在较大的损伤出现或疲劳破坏之前的总寿命。

2.2臂架疲劳寿命分析计算

在臂架有限元分析计算的基础上，应用Fatigue分析模块来进行CGE400型强夯机臂架的疲劳寿命分析计算。按照Fatigue模块计算步骤，设定疲劳评定的位置数、事件数和载荷数分别为1，1，2；根据臂架材料Q345B的疲劳特性参数［10］，在Fatigue S-N Table界面输入循环次数和对应应力值，如图5所示。

图5　S-N曲线数值

输入以下命令，将最大应力节点号赋予Nmax_EQV.

设置应力位置编号为Reference no.for location =l，Node no.corresp to NLOC=Nmax_EQV，将最应力值和应力位置对应。在有限元分析计算结果中读最小应力，并且从排序的应力值Nmax_EQV中提取最小应力值，再存储最小应力：设置存储最小应力载荷号为1；并在计算结果中读最大应力，并且从排序的应力值Nmax_EQV中提取最大应力值，存储最大应力载荷号为2，每个事件中有两个载荷，即最大载荷和最小载荷，这些操作在Fatigue模块对话框中设置完成。设定事件数为l，重复次数为10 000，应力比例系数为l.18，时间名称为eve1.设置疲劳计算参数，得到疲劳分析计算结果，累计损伤系数为0.21 906＜1，符合要求。许用循环次数为45 650，如图6所示。

图6　CGE400型强夯机臂架疲劳分析计算结果

从寿命分析计算结果中可以看出，构件的最低疲劳寿命一般位于最高应力处，臂架的最低寿命为45 650次，由此可以看出，该CGE400型强夯机臂架的疲劳强度满足施工要求，该强夯机臂架设计合理。

3　结束语

（1）根据臂架的结构特点，采用节点法和APDL参数化语言建立臂架有限元模型，实现有限元计算的准确性与经济性的统一。

（2）对臂架进行有限元分析计算，获得臂架的应力云图和位移云图，结果表明，该臂架具有足够的强度，并且满足刚度要求。

（3）通过用Fatigue模块对CGE400型强夯机臂架进行疲劳寿命分析，得到臂架的最低寿命为45650次。结果表明，该CGE400型强夯机臂架的疲劳强度满足要求。

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Finite Element Analysis and Fatigue Life Calculation of the Dynamic Compactor Boom based on APDL Language in ANSYS

LV Ming，DING Pu-gang
（Weinan Branch'Zoomlion Heavy Industry Science and Technology Co.，Ltd.，Weinan Shaanxi 714000，China）

Focused on solving the problem of the fatigue damage of the dynamic compactor boom，based on the detailed analysis of the design drawings of the CGE400 dynamic compactor boom and the working process of the dynamic compactor，the overall three-dimensional parametric finite element model of the boom has been set up based on the ANSYS Parametric Design Language（APDL）from the ANSYS software and the node method.The work load of the boom during the dynamic compaction process will be calculated by compiling the Matlab language program.The finite element analysis of the boom has been achieved by using the ANSYS software，and the stress contour and the displacement contour will be obtained and the maximum stress value and the maximum displacement value will be found.At the base of the result of the stress analysis，the fatigue life analysis calculation of the boom has been completed by applying the post processing FATIGUE module of the ANSYS software.The research results show that the boom design of the CGE400 dynamic compactor is reasonable and the designer's purpose will be achieved.At the same time，a new method of the fatigue life analysis calculation has been introduced to the designer and some

will be provided for the structure design and the manufacturing.

parametric design language（APDL）；boom；finite element analysis；fatigue life

TU662；TH218

A

1672-545X（2016）08-0061-04

2016-05-02

吕明（1986-），男，陕西兴平人，本科，助理工程师，研究方向：机电一体化。