基于Ａｎｓｙｓ的汽车起重机伸缩臂 参数优化设计 丁振兴 陶元芳 陈艳芬 薛孝磊 １太原科技大学 太原０３００２４ ２长安大学 西安７１００６４ 摘要：针对汽车起重机伸缩臂在设计过程中由于工况复杂、各节臂架尺寸较多无法实现臂架尺寸最优的 缺点，对臂架截面尺寸参数采用基于ＡＰＤＬ语言的Ａｎｓｙｓ进行优化设计计算，在满足应力和变形的情况下实现质 量最轻，从而实现了轻量化设计。 关键词：汽车起重机；伸缩臂；优化设计；ＡＰＤＬ语言；轻量化 中图分类号：ＴＨ２１３．６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—０７８５（２０１３）０１—００２１—０４ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｎｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｉｚｅｓ ｏｆ ｂｏｏｍｓ ｍａｋｅ ｉｔ ｉｍｐｏｓｓｉｂｌｅ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｏｐｔｉｍｕｍ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｏｍ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃ ｂｏｏｍ ｆｏｒ ｔｏｗｅｒ ｃｒａｎｅ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅ— ｓｉｇｎ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｆｏｒ ｂｏｏｍ’Ｓ ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａｎｓｙｓ ｏｆ ＡＰＤＬ ｌａｎｇｕａｇｅ，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｌｉｇｈｔ——ｗｅｉｇｈｔ ｄｅｓｉｇｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｐｒｅｍｉｓｅ ｏｆ ｍｅｅｔｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｒｕｃｋ ｃｒａｎｅ；ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃ ｂｏｏｍ；ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ；ＡＰＤＬ ｌａｎｇｕａｇｅ；ｌｉｇｈｔ—ｗｅｉｇｈｔ ０ 引言 汽车起重机应用于运输、装卸和筑路等场地 以及临时吊装作业，伸缩臂架的设计及结构决 口凸［＝］ 定了其工作性能¨．２ｊ。然而，由于伸缩臂截面类 型及各截面尺寸参数较多，使得在设计臂架时 往往不能在满足吊载工况的情况下使臂架自重 最轻，而臂架的自重对吊载有重大影响。因此， 口口［＝］ 采用Ａｎｓｙｓ软件的ＡＰＤＬ语言对伸缩臂架进行参 数优化设计，使臂架在满足吊载的情况下达到 最轻，从而实现轻量化设计，具有十分重要的 意义。 １伸缩臂架的建模 汽车起重机的伸缩臂架由基本臂、伸缩臂及 附加臂组成，同时在臂架里安装有伸缩液压缸以 及导向元件，使臂架实现伸缩。如图１所示，伸 缩臂典型的截面有四边形、五边形、六边形、八 边形以及ｕ形－１ 等类型。 以大吨位汽车起重机常用的Ｕ形臂架为例， 对伸缩臂架进行参数化建模及优化设计。ｕ形臂 图２ Ｕ形臂架截面参数 架第一节臂的截面参数如图２所示，其余臂架截 面参数类似。 在确定了伸缩臂架的截面类型和参数后，即 《起重运输机械》 ２０１３（１） 一２１— 可建立臂架的有限元模型，采用ＡＰＤＬ语言建立 的参数化有限元模型如图３所示 。图４为２节 伸缩臂架之间滑块耦合的局部放大图。由于汽车 起重机伸缩臂在吊载工作时伸缩臂架之间由滑块 接触来传递各种载荷，故在建立伸缩臂模型时需 解决滑块与臂架之间的接触问题。采用Ａｎｓｙｓ的 接触单元可以很好的实现，但因模型规模大，且 接触问题属于非线性问题，求解时的反复迭代计 算会消耗大量的计算机资源。因此，本论文综合 考虑各种因素后采用节点耦合自由度来处理滑块 与各伸缩臂架之问的接触 ’ 。建立了伸缩臂臂 架的模型以及划分网格以后，即可进行加载 分析 图３伸缩臂建模及网格划分 图４伸缩臂滑块耦合局部放大图 ２伸缩臂架的加载分析 ２．１载荷施加及约束处理 伸缩臂架所受载荷有臂架自重、吊重、风载 荷、惯性载荷、偏摆载荷以及起升钢丝绳拉力等。 按受力分析将伸缩臂架的载荷分为臂架变幅平面 内和旋转平面内载荷¨。 １）臂架变幅平面内载荷的计算 垂直载荷Ｑ： 一２，一 Ｑ＝ ：ＰＱ＋ Ｇ 起升工况钢丝绳拉力为 ： Ｆ ： ｍ叼 由Ｑ、Ｆ 引起的轴向力Ｆ： Ｆ＝Ｑｃｏｓａ＋Ｆｓｃｏｓ／３ 由Ｑ、Ｆ 引起的轴向力Ｆ ： Ｆ ＝Ｑｓｉｎｔ￣＋Ｆｓｓｉｎｔ￣ ２）回转平面内载荷的计算 吊重偏摆侧向力 ： Ｆｈ＝Ｐ０・ｔａｎ０ 式中：０为吊重的偏摆角度０＝３。～６。。 转化到伸缩臂端的风载荷和惯性载荷： Ｆｂ＝０．４（Ｐｗ＋ＰＨ） 式中：Ｐｗ为吊臂侧面迎风面上的风载荷，Ｐ 为伸缩臂的惯性载荷。 Ｐｗ＝ＣＰＡ 式中：Ｃ为风力系数，Ｐ工作状态风压， 为 臂架迎风面积。 ＰＨ＝ ５Ｍａ 式中： 为动载系数，ａ为起动加速度。 侧向力：Ｆ ＝ＦＨ＋Ｆｂ 将上面计算过程采用ＡＰＤＬ语言使其参数化， 其部分实现程序代码如下： ／ＳＯＬＵ ＡＣＥＬ，ｇｘ，ｇＹ！重力 ＫＳＥＬ，Ｓ，，，１９９，２０５ １垂直内力施加 ＦＫ，ＡＬＬ，ＦＸ，一ＳＷＬｘ／７ ＦＫ，ＡＬＬ，ＦＹ，一ＳＷＬｙ／７ ＦＫ，ＡＬＬ，ＦＺ，Ｔｈ／７ ＫＳＥＬ，Ｓ，，，１９９，２０５ １绳拉力施加 ＦＫ，ＡＬＬ，ＦＸ，一Ｆｘ／７ ＦＫ，ＡＬＬ，ＦＹ，Ｆｙ／７ 伸缩臂架的约束主要在基本臂的尾部与转台 铰接处和铰接液压缸处２个位置。在基本臂尾部 《起重运输机械》 ２０１３（１） 与转台铰接处，约束２个方向的转动自由度 （ＲＸ，ＲＹ）和３个方向的平移自由度（ＵＸ，ＵＹ， ＵＺ），释放绕销轴中心旋转的转动自由度（ＲＺ）， 而伸缩臂与变幅液压缸铰接处的约束为所有自由 度约束。 ２．２求解分析 以汽车起重机ＱＺＪ２０工作时臂架处于最大幅 度为２４ ｍ，且臂架全伸长为３０ ｎｌ，变幅液压缸支 撑处至伸缩臂根部垂直距离为５．２ ｍ作为计算工 况，分析臂架的受力。图５为起重机伸缩臂在该 工况下的等效应力图。 Ｙ 图５伸缩臂架等效应力图 ３伸缩臂架的优化 ３．１伸缩臂架的优化要素确定 Ａｎｓｙｓ基于有限元分析的优化设计技术就是在 满足设计要求的前提下搜索最优设计方案。基于 参数化有限元分析过程的设计优化包括设计变量、 约束条件、目标函数以及所采用的优化方法等基 本要素 ’ 。 １）设计变量（ＤＶｓ） 设计过程中需要不断 修改赋值的设计参数。对于伸缩臂而言，伸缩 臂的长度由工作要求决定不可改变，能够作为 设计变量的就是伸缩臂截面参数，对于Ｕ形臂 架，截面的宽Ｂ 和高日 起决定作用，故这里 将各节臂架截面的宽和高作为优化设计的设计 变量： ！声明优化变量 ＯＰＶＡＲ，Ｂ１１，ＤＶ，５７０，６２０ １臂架截面 宽Ｂ１１，Ｂ２１，Ｂ３１，Ｂ４１为设计变量 ＯＰＶＡＲ，Ｂ２１，ＤＶ，５２０，５６９ ＯＰＶＡＲ，Ｂ３１，ＤＶ，４７０，５１９ ＯＰＶＡＲ，Ｂ４１，ＤＶ，４２０，４７０ ＯＰＶＡＲ，Ｈ１１，ＤＶ，７７０，８２０ １臂架截面 高肌１，／４２１，／／３１，／／４１为设计变量 《起重运输机械》 ２０１３（１） ＯＰＶＡＲ，Ｈ２１，ＤＶ，７２０，７６９ ＯＰＶＡＲ，Ｈ３１，ＤＶ，６５０，７１９ ＯＰＶＡＲ，Ｈ４１，ＤＶ，６００，６４９ ２）状态变量（ＳＶｓ） 设计要求满足的约束条 件变量参数是设计的因变量，是设计变量的函数。 汽车起重机伸缩臂的工作条件为在满足应力和变 形的前提下工作’，故将臂架的应力和变形作为状 态变量： ＯＰＶＡＲ，ＤＭＡＸ，ＳＶ，一７０，７０； ！臂架 应力和变形：ＤＭＡＸ和ＳＭＡＸ为状态变量 ＯＰＶＡＲ，ＳＭＡＸ，ＳＶ，０，２０００ ３）目标函数（Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ） 设计中 极小化的变量参数必须是设计变量的函数，即改 变设计变量的数值将改变目标函数的数值。在 Ａｎｓｙｓ优化设计工程中，只能设定一个目标函 数。由于伸缩臂架的优化是在满足工作要求 （应力和变形不超标）的情况下使质量最轻，而 密度一定，故臂架的体积就可作为优化的目标 函数： ＯＰＶＡＲ，ＶＯＬＵＭＥ，ＯＢＪ！臂架体积：ＶＯＬ— ＵＭＥ为目标函数 ４）优化计算方法（优化设计工具） Ａｎｓｙｓ中 提供了２种优化方法：零阶方法（直接法）和一 阶方法（间接方法）。零阶方法是最常用的方法， 使用所有因变量（状态变量和目标函数）的逼近 可以处理绝大多数工程问题。一阶方法基于目标 函数对设计变量的敏感程度，故更加适合于精确 的优化分析，但是占用计算机资源多，计算量 大。对于臂架的优化而言，采用零阶方法已经 足够。 ３．２伸缩臂架优化 在设置好优化参数后，即可对伸缩臂架执行 优化设计。图６为伸缩臂架体积与优化序列号之 间的关系曲线图，从中可以看到，在满足应力和 变形的约束条件下，第１２次优化序列为伸缩臂体 积最小的序列，故为最优序列。图７和图８分别为 伸缩臂截面高度、宽度与优化序列号之间的关系 曲线图。 为了方便对伸缩臂架优化设计前后进行比较 分析，列出了优化前后臂架截面的相关参数如表ｌ 所示。 一２３— （ｇ１０ ） 表１伸缩臂架优化前后相关参数值 、 ＾ 八 优化前 优化后 ５７１．３４ ５２０．２５ ＼ ｜ ～ ＼一 ｌ ｆ ～ ｜ ｜ ８ Ｂ１１ １ ６００ ５５０ ６ ６ ５ ５ ５ ５ ５ ４ ４ ４ ４ ＼ ， Ｖ ６ ６ ５ ５ ５ ５ ５ ５ ５ ５ ５ ｜ ７ ７ ７ ６ ６ ６ ６ ６ 、 如 ∞ 笛∞ ∞ ∞ ∞１ ５０ｏ ４７０．１８ 如∞舳∞们加∞∞∞∞加 Ｏ ㈣㈣ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ 渤 渤 Ｏ Ｏ ０ ０ Ｏ Ｏ ㈣ ＼ Ｗｚ １ ３ ２ ５．４ ７ ６ ９ ８ １２ ２ １ ４ ３ ６ ５ ８ ７ １０ ９ 序弓 号 图６伸缩臂体积与优化序列号之间的关系曲线 ＼ ，一一 、 ＼ ， 、 、＼ ＼． 厂 ＼／ 厂＼ ＼／ ＼． 蝗 ＼ ／ 、 、～ √。 ＼ ～ ／＾ ＾＼ Ｗｅ／ ＼／ 、／， ２ 序列号 图７臂截面高度与优化序列号之间的关系曲线 ／ ＼ ＾ 、 ＼ ＾ 、、 ， ｔ ／＼ ／ 、 Ｖ ＼／ 、． ／ ＼ ／ ＼ ／ ｖ／ 、 、、， — ／－ 、、 √ ＼ Ｗｚ ＼ １ ２】３．２ ４３ ５．４ ．６，５ ７．６ ８ ７ １ｏ ３ 序列号 图８臂截面宽度与优化序列号之间的关系曲线 ４ 总结 通过表１对比分析可知，优化后的伸缩臂截 面宽度和高度尺寸都比优化前的小很多，而最大 应力有所增大，为３７４．１３ ＭＰａ，但汽车起重机伸 缩臂都采用高强钢，强度可达６００—８００ ＭＰａ，故 最大应力在许用范围内。由于伸缩臂截面尺寸的 减小，从而大幅减小了伸缩臂的体积，进而减小 了伸缩臂架的质量，达到了臂架优化设计的目的， 一２４一 １ ４５０ ４２１．７１ ｌ１ ８１Ｏ ７７２．１２ １ ７６１ ７２０．２２ 月３１ ７１０ ６５０．３４ 矾１ ６４５ ６０１．８１ Ｄ ａｘ ５０．９７９ ０．９７８７Ｅ一０３ Ｓ ２７１．０９５ ３７４．１３ 实现了轻量化设计。 因此，采用基于ＡＰＤＬ语言的Ａｎｓｙｓ优化设计 方法，对汽车起重机伸缩臂架的参数化设计是一 种有效实用的优化设计方法。 参考文献 ［１］王金诺，于兰峰．起重运输机金属结构［Ｍ］．北京： 中国铁道出版社，２００１． ［２］张青，张瑞军．工程起重机结构与设计［Ｍ］．北京： 化学工业出版社，２００８． ［３］苗明，高原．起重机伸缩臂的Ａｎｓｙｓ二次开发［Ｊ］．起 重运输机械，２０１１（３）：５３—５５． ［４］曾成奇，卫良保．起重机伸缩臂变量化建模与有限元 分析［Ｊ］．机械工程与自动化，２０１０（８）：６２—６５． ［５］杨晶，李卫民．汽车起重机吊臂的有限元分析［Ｊ］．辽 宁工学院学报，２００７（６）：１９５—１９８． ［６］博弈创作室．ＡＮＳＹＳ９．０经典产品高级分析技术与实例 详解［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００５． ［７］孙靖民，梁迎春．机械优化设计［Ｍ］．北京：机械工 业电出版社，２００７． 作 者：丁振兴 地 址：山西太原市窳流路６６号太原科技大学４７２信箱 邮 编：０３００２４ 收稿日期：２０１２一ｏ２一ｌ７ 《起重运输机械》 ２０１３（１）
