汽车起重机“U”形臂的优化设计及其应用

    随着汽车起重机起吊性能的越来越大，起重臂截面形式从最原始的四边形截面逐步的发展到多边形截面，进而发展到U形截面，截面形式不断优化。
    U形截面臂在有效减轻起重臂自重的同时，能最大限度地发挥材料的力学性能，从而提高大吨位汽车起重机在大幅度、高起升高度情况下的起重性能。与此同时还解决了局部容易失稳的问题，大大的提高了起重机的可靠性和稳定性。

    一、伸缩式臂架截面形式的分析
    目前，汽车起重机的起重臂截面形式主要有四边形、六边形、八边形、十二边形、U形和椭圆形。
四边形截面是由翼缘板和腹板焊接而成的，它制造工艺相对简单，具有良好的抗弯刚度，适用于强度比较低的材料；对于高强度材料不能充分发挥材料的承载能力，不能很好地传递扭矩和横向力，需设附加支承；而且在四个角点处最容易产生应力集中；底板、腹板受较大的压应力作用，常出现局部失稳。一般用于中小吨位的轮式起重机。
为了避免上述不利因素，提高腹板的稳定性，研制出了六边形及其它多边形截面。这些截面的共同点是采用大圆弧过渡，腹板高度减小，受力状况得到改善。而且这些截面实际计算宽度较小，有利于提高局部抗失稳能力。前后滑块均支承在四角处，伸缩臂各板不产生局部弯曲，且能较好地传递扭矩与横向力，这些多边形截面的伸缩臂能较好地发挥材料机械性能，减轻结构自重。因此这些截面形式被普遍的采用。
椭圆形截面是一种受力较理想的吊臂截面形式，其截面上弯板为大圆弧槽形板，下弯板为椭圆形槽形板，且由下向上收缩，其重量优化，抗扭性能显著，具有独特的稳定性和抗屈曲能力。适用于高强度材料，能充分发挥材料的性能，但是该截面需要侧向支承，制造工艺复杂，吊臂在弯型技术上的难度大，需要大型的折弯机等专业化配套设备，而且对焊接质量要求相对较高，目前尚未被普遍采用。
    U形截面是经过优化计算得出的较为合理的截面形式，其截面上弯板为大圆角槽型弯板，下弯板为U形槽型弯板。通过对比分析，U形截面臂有如下优点：
1.U型截面的横向抗弯刚度和抗扭刚度优于其它截面形式；
2.U型侧板的上半部拉应力较大，提高了侧板的稳定系数；
3.U形的下底板有利的提高了抗局部失稳的能力；
4.在起重性能相同的情况下，U形截面的起重臂降低了起重臂的重量，提高了汽车式起重机的起重性能；
5.U型截面伸缩臂在套接处有较小的应力和较好的应力分布；
6.在相同的截面积、相同受力情况下，U型截面起重臂极大提高了其抗变形能力。 

    二、U形伸缩吊臂优化设计方案的设定
    鉴于U形截面臂的诸多优点，北方交通20T以上新一代起重机的臂架普遍采用U型截面。以凯帆牌QY50U汽车起重机的伸缩吊臂为例，首先是QY50U的吊臂优化设计方案的设定。
第一步建立参数化模型，即建立参数化有限元分析模型；
第二步提取截面特性参数和面积参数；
第三步生成优化分析文件；
第四步是定义设计变量、状态变量及目标函数，选择吊臂的截面特性作为状态变量，其截面面积作为目标函数；
第五步是进行优化，并获得优化结果；
第六步对所得截面尺寸的吊臂再用有限元法精确校核吊臂的强度、刚度及局部稳定性；
若这些条件不满足，则需调整设计变量的上、下限，再运行上述优化过程，直至满足要求。采用这样的优化方法就避免了将有限元分析过程作为优化分析文件带来计算量很大、运行时间长的缺点。
具体到每节臂的优化设计问题,考虑两个非常重要的工况：基本臂工况和全伸臂工况。由基本臂工况通过优化设计确定基本臂截面尺寸和壁厚，并由各节臂之间的间隙确定其余各节臂的截面尺寸，然后再由全伸臂工况确定其它节臂的壁厚。

    三、U形伸缩吊臂优化设计过程及分析
    U形伸缩吊臂优化设计过程主要有三个方面的内容，一是基本臂截面的优化设计，二是其余节臂截面尺寸的确定，三是运用有限元法对吊臂的强度、刚度及局部稳定性进行精确校核。
基本臂截面的优化设计过程——作为吊臂来说，总希望在不发生局部失稳的前提下，壁厚设计得薄一点，截面设计大一些。但由于受整机尺寸的限制，吊臂外形尺寸不能增大，因而只能在截面总高和总宽保持不变的条件下进行截面的优化。
    整个过程用ANSYS 自带的优化模块来实现，采用较精确的一阶优化方法求解，对于含有设计变量和状态变量的约束优化问题，ANSYS 先用惩罚函数法将其转化为无约束优化问题，经过多次的迭代，最终确定了吊臂的形状。
最终可通过检测得出，各折板长度逐步的接近，腹板高度进一步减小，下部趋近于圆弧，这样就大大的增强了腹板局部稳定性。
    在基本臂截面尺寸优化确定后，便可根据每节臂之间的间隙大小用作图法定出其余节臂的尺寸。而每节臂的厚度则根据全伸臂时的强度、刚度及局部稳定性要求来确定。调整后每节臂的壁厚都有所减小。
    优化前后吊臂截面面积及吊臂筒体重量都有所变化。吊臂优化前的筒体重量为8755kg，优化后较优化前减轻了8.8% 的重量。采用优化设计可有效的减轻臂体的重量，从而提高整机的起重性能；针对吊臂截面参数进行优化设计，由截面特性作为状态变量约束条件，可大大减少优化迭代时间，使得吊臂优化设计成为可能。QY50U汽车起重机吊臂的优化设计方法同样适用于其它形状的吊臂优化设计。
    在优化设计之后，又对QY50U吊臂的强度、刚度及局部稳定性进行了校核，确保优化结果的可靠性和实用性。通过对主臂的三维建模单元的选取和网格的划分载荷的施加和约束的处理等一系列过程，最终得出各个臂段在不同工况下的位移云图应力云图相应的应力值表。
    通过数据和图样表明：经过优化设计之后的QY50U，吊臂的强度、刚度及局部稳定性均符合要求，并且各技术性能指标都有一定的提高。
    在理论设计之后，又对优化设计之后的QY50U汽车起重机进行了结构应力的测试实验。首先选取结构应力测试工况，然后对结构应力试验测点进行合理的布置，最后通过测试得出结构应力试验结果。
通过将测点处计算应力的理论值与实测值比较可得知，实测值和理论值两者得出的结果相近，说明设计计算出的数值是准确的，各测点应力值均小于许用应力，结构强度满足设计要求。
    经过起重臂的优化设计，QY50U优化后比优化前的起重性能要优越很多，在基本臂工况下比较可见，在5米以上幅度，QY50U的起重性能提升约5.2%左右，在中长臂工况下比较可见，QY50U的起重性能提升约8.5%左右，在全伸臂工况下比较可见，QY50U的起重性能提升约7.5%左右。

    四、U形臂在汽车起重机上的应用与展望
    目前，北方交通已经把“U”形臂技术成功的应用到了6个吨级的产品上，已经形成了新一代的U形臂系列型谱，主要产品包括QY20U、QY25U、QY25U5、QY35U5、QY50U、QY70U，这些产品的技术性能指标都达到国内领先水平，深受国内外客户的认可和好评。
    通过U形臂汽车起重机的研发，北方交通形成了自己的专利技术、专有技术，生产出了一系列具有北方交通特色的汽车起重机。北方交通起重机事业部全体工程技术人员将再接再厉，不断地开拓进取，与时俱进，以市场为核心，以用户需求为导向，为推动中国起重机的发展与进步，作出北方交通人的贡献！ （文/沈阳北方交通重工集团）