正面吊车架有限元分析与结构优化 口郑永锋１，２ 口胡仕成 ， 长沙口王祥军 长沙口何永旺 ４１００８３ ４１０１００ １．中南大学机电工程学院４１００８３ ２．中南大学高性能复杂制造国家重点实验室３．“中南大学一中铁五新集团”联合研究中心 长沙摘 要：车架作为正面吊运机的骨架结构，其动力学特性直接影响着整车的性能。为了提高整机的行使安全性和舒适 性，应用有限元方法对某型正面吊车架进行了模态分析，根据所得模态参数，并结合外界激励频率对车架结构进行了低频 动态特性的优化，优化结果表明，车架结构低阶弹性模态频率及振型都有较大的改善。 关键词：正面吊车架ＡＮＳＹＳ模态分析激励频率优化设计 中图分类号：ＴＨ１２３；ＴＵ６２１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—４９９８（２０１３）０７—００１８－０３ 集装箱正面吊车架作为整机的承载基体，承受着 作用于其上的各种力和力矩。车架采用刚性悬挂方式， 所以行驶中的振动非常明显，因此车架结构设计在整 车设计中占有重要￣／－２＿，ｊ］。为了提高整机的行驶安全 性和舒适性．有必要采用先进的有限元法对车架结构 固有频率进行分析，根据计算结果，可对车架结构做一 些针对性的优化设计，使其避开外界激振源的激励频 率。进而满足车架的使用要求。根据机械振动的相关理 决定，并可依据Ａ 得到相应的特征向量，即振型 Ｉ。 ２车架有限元模型的建立 正面吊车架是由钢板拼焊而成的复杂结构体。鉴 于ＡＮＳＹＳ软件建立复杂模型的功能薄弱性，可先在 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件中建立车架的实体模型，然后另存为 Ｐａｒａｓｏｌｉｄ格式的文件．再导人ＡＮＳＹＳ中，为使实体模 型成功地转化为有限元模型，在建立实体模型时必须 对车架进行适当简化，简化处理如下［４ ３。 论．结构的低阶弹性模态频率是车辆常规振动的关键 评价指标．也是结构进行动力学分析的基础。本文以某 公司生产的４５ ｔ集装箱正面吊运机为例，对其车架进 行了有限元模态分析与结构改进，不仅为设计人员提 供了重要的参考数据，而且大大缩短了产品的研发周 期 。 （１）忽略对整体结构分析影响不大的棱角、筋板 和圆孑Ｌ等一些细小的特征； （２）在焊缝质量达到机械性能要求的条件下，认 为整个车架材料均匀连续分布。 在许可的工程误差下，简化处理能有效地减小计 １模态分析理论 在结构动力学分析中，无阻尼多自由度离散系统 自由振动的通用方程为： 算量．简化后的实体模型如图１所示 １。 ２．１ 定义材料属性 车架材料多数为Ｑ３４５，工作时材料变形可认为是 弹性变形且各向同性，故设置：弹性模量Ｅ＝２１０ ＧＰａ， ＥＭ］｛ ｝＋［Ｋ］｛Ｕ｝＝｛０｝ （１） 通过对｛ ｝进行线性代换｛ ｝＝｛ ｝｛Ｘ｝，可得到齐 次不耦合方程的解，再将齐次不耦合方程两端同时乘 以 ‘．得到系统的特征方程为： １Ｄ—ＡＩＩ＝０ （２） 式中：，为单位矩阵； 为质量矩阵； 为刚度矩阵；Ｕ 为位移矩阵。若Ａ 为特征值，则系统的固有频率由Ａ ＝ 收稿日期：２０１３年１月 学报（自然科学版）２００８，２６（４）：３１５—３１８． 程，２００８，１６（１２）：２５４４－２５４９． ［３］ 成大先．机械设计手册［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００３． ［４］倪森寿．机械基础［Ｍ］．北京：北京高等教育出版社，２００８． ［５］ 吕文华．全自动太阳的研制和应用［Ｊ］．光学精密ｌＴ ［６］ 王炳忠．总日射表自动遮光装置［Ｊ］．太阳能学报，１９８６，１７ （３）：３４５—３４８ 撼 （编辑 功 成） Ｉ囤２０１３／７ 机械制造５１卷第５８７期 表３结构优化前后的模态对比 阶次 优化前模态／Ｈｚ 优化后模态，Ｈｚ 变化率，％ ３６．６２９ ４３．３８５ １８．４ ４０．１５７ ４６．１ｏ９ １４．８ ４７．７６１ ５３．９０１ ｌ２．９ 四 ５２．６０６ ６３．７３５ ２１－２ 五 ７４．４０４ ７９．３０１ ７．９３ ７５．９６７ ８０．７４３ ６．２９ 目地提高结构刚度必然得不偿失，最好的方法是针对原 车架的振型图找出位移较大的薄弱环节进行修改 。 通过上述计算不难看出，车架中部的模态不够理想，具 体表现为扭转及横向摆动位移较大。 对该车架相应部位作强化处理：１）在车架中部两 边梁板问分别增设一块筋板：２）将连接边梁底板的厚 度增加５ ｍｍ；３）将俯仰油缸支承处的槽型结构改为 箱型截面。结构强化前后的模态对比见表３．低阶弹性 模态频率显然避开ｒ路面的激振频率和发动机各ｌＴ况 下的惯性激励频率，证明改进是有效的。 ５ 结论 （１）使用带中间节点的四面体单元来模拟车架结 构，能够较好地适应其复杂结构．是车架结构有限元分 析的有效手段。 （２）正面吊行驶路面引起的激励频率较低，一般 不会与刚性较大的车架发生共振。 （３）优化后的车架结构能够有效地避开发动机在 各］：况下的惯性激励频率，不会导致振动的放大。 根据模态分析的计算结果。对原车架进行了结构 强化，强化后的车架结构固有频率和振型均有明显的 改善，能够满足车架的使用要求。 参考文献 ［１］ 王斌华，吕彭民．五节臂混凝土泵车的有限元建模与模态分 析［Ｊ］．广西大学学报：自然科学版，２０１ｌ，３６（５）：７３６—７３９． ［２］ 张应迁，张洪才．ＡＮＳＹＳ有限元分析［Ｍ］．北京：人民邮电出 版社．２０１０． ［３］严慎波．集装箱正面吊吊臂优化设计研究『Ｄ］．大庆：大庆石 油学院。２００６． ［４］卫良保，曾龙修．叉车车架有限元模态分析与结构改进［Ｊ］． 工程机械．２０１２，４３（３）：４８—５０． 『５］ 谭明敏．高频冲击下挖掘机动臂和斗杆动态特性及疲劳寿 命研究［Ｄ］．长沙：中南大学，２０１１． ［６］刘堂红，江帆．基于ＡＮＳＹＳ的耐冲击性客车车体模态分 析［Ｊ］．铁道机车车辆，２００２（６）：２４—２６． ［７］ Ｃｈｅｎ Ｃｈａｎｇｓｏｎｇ，Ｙａｎ Ｄｏｎｇｈｕａｎｇ．Ｄｙｎａｍｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｍｏｄａｌ Ｔｅｓｔ ｏｆ Ｌｏｎｇ——ｓｐａｎ Ｃａｂｌｅ——ｓｔａｙｅｄ Ｂｒｉｄｇｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａｍｂｉｅｎｔ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｉ圆２０１３／７ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７，１４（１）：１３６一ｌ３９． 『８］ 王宇奇．ＹＫ２０１００磨齿机主要部件的有限元分析及结构优 化设计［Ｄ］．长沙：中南大学，２００９． ［９］谭明敏，杨务滋，周立强，等．挖掘机式冲击器斗杆有限元模 态分析［Ｊ］．中南林业科技大学学报，２０１１，３１（４）：１８８—１９１． ［１０］（美）哈里斯，皮索尔著，刘树林，王金东，李凤明，等（泽）．冲 击与振动手册［Ｍ］．北京：中国石化出版社，２００７． ｌ１］黄明辉，段智勇，湛利华，等．巨型模锻水压机机架的有限元 模态分析［Ｊ］．锻压技术，２００８，３３（５）：１２７—１２８． ［１２］王先安，何将三，谭加才，等．全自动液压压砖机机身结构有 限元模态分析［Ｊ］．湖南工程学院学报，２００７，１７（４）：３５—３７． 『１３］伍利群，吴万荣．Ｐｒｏ／Ｅ在液压挖掘机动态性能分析中的应 用［Ｊ］．机械研究与应用，２００７，２０（６）：８３—８４． ［１４］Ｘｕ Ｌｉｘｉｎ，Ｙａｎｇ Ｙｕｈｕ，Ｃｈａｎｇ Ｚｏｎｇｙｕ．Ｍｏｄａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｘｉａｌｌｙ Ｍｏｖｉｎｇ Ｒｏｌｌｅｒ Ｃｈａｉｎ Ｃｏｕｐｌｅｄ ｗｉｔｈ Ｌｕｍｐｅｄ Ｍａｓｓ『Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｅｎｇｌｉｓｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ），２０１ １，１ ８（１）： １０９－１ １５． ［１５］吴迪清，卢炎麟，陈宛兵．基于有限元的叉车车架模态分析 及优化［Ｊ］．轻＿Ｔ机械，２００８，２８（４）：４８—５０． （编辑 丁 罡） ‘。“… “”“ ““‘。“… “”“ ”” “”“ ” … …。‘… …。‘…－．…。‘… …。．…‘‘…｜．…‘‘“”“ … 法因推出多款新品 ５月１５日，山东法因数控机械股份有限公司举办新品展 ；示会，多款新产品集中亮相。新产品的“新”被公司董事长李胜 军阐释为两个方面：一是在传统的电网、钢结构、汽车等领域 寻找新方向，二是在轨道交通、航空航天等行业拓展新领域。 在去年第七届中国数控机床展览会初次亮相的ＦＶ２００型 落地镗铣加工中心是法因此次展示会的重点之…，该产品突 破了法因长期注重的钢结构行业的“围栏”，延伸到了风电、核 电、制冷、海水淡化等行业中，适用于上述领域大型复杂 机械工件的粗、精／ＪＨ－￣：，具有铣削、镗削、钻削、攻丝、锪孑Ｌ等多 种功能。 一款型号为ＰＵＬ３５Ａ／３型汽车Ｕ型纵梁ｉ面数控冲孔生 ｊ产线已经被北京汽车制造厂黄华公司订购，该产品是法因在； 传统领域进行换代升级的典型代表 其在左右翼板各具有６ 个模位，可在一次装夹后实现最厚ｌ０ ｉｎｔｏ、最长ｌ２ ０００ ｍｍ的 汽车梁的三面冲孔加工。 数控高速钻割复合机吸引了客户最多的眼球。其将钻、割 两种功能集合在一一起的高效率加１二模式 使产品一投放市场 就受到高度认可． ．“生产客户需要的产品、参与到客户的产品和工艺设计过 程中去、由生产型企业向能为客户提供一体化服务的服务型 企业过渡”是法因正在运行的轨迹。中国机械工业联合会执行 副会长蔡惟慈说．法因之所以能够不断有新的惊喜呈现给大 家，就是因为他们总是能够站在客户的角度考虑问题。（秦可） 机械制造５１卷第５８７期
