1.前言

　　随着我国基础设施的加强，尤其在高架桥，电站，体育场馆，市政等大型建设项目，以及电力、石油、化工等行业迅速发展的拉动下，履带起重机得到了日益广泛的应用[1]。履带起重机是一种进行物料起重、运输、装卸和安装等作业的流动式起重机，具有起重量大、接地比压小、可带载行走等优点[2]。作为特种设备，履带起重机的安全性一直是人们所关心的核心问题。臂架系统作为起重机的主要承重部件，臂架的强度刚度以及抗失稳能力直接关系到起重机工作的安全性。

　　臂架主弦杆采用高强度无缝钢管焊接而成。是由上节臂、下节臂及3米，6米，9米等不等长度的标准节组成的中间等截面，两端变截面的四杆空间珩架。不同的标准节组合到一起，形成不同长度的主臂及副臂。因此，有限元建模中有很多重复性的工作。根据臂架模型的这个特点，采用ansys提供的参数化编程语言APDL，编写命令流。只要编写出上下节臂和标准节模型的命令流模型，结合CAD领域的装配思想，即可得到各种组合方式的臂架有限元模型。这样可以使有限元建模批量化，大大缩短了前处理的时间，充分体现了有限元计算的优势。

　　结合有限元知识，采用ansys提供的APDL语言，对北京南车时代重工生产的80吨履带起重机进行了有限元建模及分析。

　　2.有限元建模

　　建立正确可靠的有限元分析模型是有限元分析的基础，它直接关系到计算结果的正确与否。在实际施工过程中，起重机的支撑边界形式多样，载荷复杂，因此，在建立有限元模型的过程中，必须做合理的简化[3]。Ansys有丰富的单元库，提供超过150种类型的单元。根据臂架受力特点，结合有限元单元特性，采用杆单元，板单元和梁单元对臂架进行离散。单元之间用节点连接代替焊缝，销轴处的连接用耦合自由度的方法模拟，释放绕销轴的旋转自由度。忽略小的倒角，圆角。标准型主臂共被离散成7，741个单元。

　　所得有限元模型如图2.1所示：

　　3.边界条件

　　参照起重机设计规范，履带起重机设计计算需要考虑的载荷包括基本载荷、附加载荷与特殊载荷三类。基本载荷包括自重载荷、起重载荷、起升冲击系数、起升动载系数、水平载荷和坡度载荷。附加载荷包括风载荷。特殊载荷包括非工作载荷、静态试验载荷、动态试验载荷和动载荷系数等[4]。

　　只考虑基本载荷组合者为组合Ⅰ，考虑基本载荷与附加载荷者为组合Ⅱ，考虑基本载荷与特殊载荷或三类载荷都考虑者为组合Ⅲ。其中强度和弹性稳定安全系数必须同时满足载荷Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三类情况的规定值[5]。各类组合的安全系数见下表。

　　Q:起升载荷（包括吊钩重量）m:臂架自重Fg:：绷绳拉力Fsh:起升绳力θ:臂架仰角

　　θsh：起升绳力与臂架轴线夹角θg：绷绳力与臂架轴线夹角φ1：起升冲击系数

　　φ2起升载荷动载系数L:臂架长度

　　变幅滑轮组用“等效三角形”来模拟[6]，用梁单元和杆单元分别模拟滑轮和钢丝绳。所建立的变幅滑轮组的有限元模型如图1.3所示。φ2取1.2，则吊重80吨时的冲击载荷为：1.2×80＝100吨。100吨的力平均加载在5个滑轮上，由臂头上的两个滑轮轴分别传递到四根主弦杆上。重力以重力加速度的形式，添加到整个动臂上，约束下节臂除了绕销轴转动外的其它五个自由度。

　　根据臂架的不同组合方式，各种回转半径和起升载荷有100多种组合方式，对所有的工况都进行计算，工作量是相当大的，而且也没有这样做。只要对各种工况里面最不利的受力工况进行分析计算，得出的强度满足要求，则其他工况自然也满足要求。

　　根据起重机载荷表，选取标准型中起重量最大工况，主臂最长，载荷最大工况进行计算，计算工况如下表所示：

　　4.结果分析

　　4.1工况1结果分析

　　为了提取臂架上各个杆件的内力大小，需要通过单元命令表命令定义需要处理的单元结果。所得各个单元的内力如下图所示。

　　从中选取受力较大的单元，列出如上图所标7，8，9，10各个单元的内力如下表所示：

　　从以上两图可以看出，臂架上最大等效应力分布在图4.3圆中所示区域，此处为绷绳拉紧动臂处，从色带上可以看出，此处局部最大应力达到370.697MPa，远远超过钢板的屈服应力345MPa,因此此处是危险区域，需要采用加强板加强。

　　在绷绳轴套附近贴12mm厚的加强板之后，计算结果如图4.3所示。和图4.2对比之后，可以发现，轴套附近的应力明显降低，最大应力处于68MPa－102MPa之间，远远小于屈服极限，安全系数可达3.4。此时，整体最大应力出现在图4.3圆中所示主弦杆区域，其中局部最大应力达306MPa。由表1.1主弦杆最大屈服应力为797MPa可知,此处的安全系数为2.4，大于1.5的安全系数要求。

　　为了排除其他区域对应力显示的干扰，只显示了下节臂的应力分布云图，如图4.6所示。最大应力如圆中所示区域，局部最大应力为156.341MPa。从图4.7可以看出，此处的应力及第二根主弦杆的应力分布也比较大，应力值约为150MPa左右，在许可应力范围之内。

　　图4.8为工作前后臂架的变形图，为了观察方便，放大了50倍，起中虚线（黑色）为原始状态，实线（蓝色）为工作后的形状。图4.9所示为臂架的竖直方向的位移，由云图可知，最大位移为7.276mm，发生在臂头，臂架整体位移较小，符合刚度要求。

　　总结：

　　1）从整体来看，整个臂架的应力的分布基本上呈由上到下逐渐减小的趋势。

　　最大应力出现在连接绷绳的轴套附近的钢板上，局部最大应力达到300MPa,超过钢板的许用应力值，需要采用加强板加强；

　　2）臂架的最大应力出现在吊重侧从臂头开始的第二根主弦杆上，局部最大应力值约为306MPa,安全系数为2.3，满足设计要求。

　　3）下节臂转轴处的钢板局部在吊重侧出现应力最大值，最大应力达156MPa,在许应力范围之内，安全系数为2.2，满足设计要求。

　　4.2工况2结果分析

　　计算结果如以下图所示：

　　总结

　　1）与标准型中臂架应力分布相似，最大应力出现在连接绷绳的轴套附近的钢板上，局部最大应力达到230MPa,超过钢板的需用应力值，需要采用加强板加强；

　　2）除去臂头外，臂架的最大应力出现在臂架从下节臂始2/3处，局部最大应力值约为198MPa,安全系数为4.1，满足设计要求。

　　3）与标准型相似，下节臂转轴处的钢板局部出现应力最大值，最大应力达156MPa,在许应力范围之内，安全系数为2.2，满足设计要求。

　　4）沿着臂架方向最大位移为146mm。在重力作用下的位移为560mm