技术干货丨SimSolid 在起重机副臂托架设计中的应用

近几年，Simsolid 作为一款高效的仿真分析软件，在机械结构设计领域独树一帜，发挥的作用也日益显著。本文章重点和大家分享 Simsolid 在起重机副臂托架设计中的应用。汽车起重机的副臂托架是用于支撑、固定副臂的关键辅助部件，主要在副臂不工作（运输或闲置）时发挥作用，其设计直接影响起重机的行驶安全性、副臂寿命及作业效率。

为了便于大家对后续分析的理解，这里结合托架装配图，如图1所示，简要说明托架的工作原理及作用。副臂作为可拆装 / 折叠的延伸结构，非作业状态下若缺乏约束，会因自身重量、运输振动或外力导致损坏、安全隐患，正是由于托架的作用，保障了副臂的运输安全和正常作业。

基于上述功能介绍，汽车起重机对副臂托架的性能设计要求如下：

1. 刚度要求：展开或回收副臂时，需要保证销孔对齐，方便插拔销轴，因此托架必须提供足够的刚度，否则严重影响工程作业。

2. 强度要求：起重机在过坑或过坎时，托架主要受到副臂的垂向冲击作用，因此托架必须具备足够的强度，保证副臂安全地固定在主臂侧面。

3. 疲劳要求：汽车起重机在公路行驶或工地转移过程中，行驶速度可达60-80km/h，由于路面产生的颠簸载荷或车辆变速、转向等产生的动态载荷都由托架承担，因此托架必须具备足够的抗疲劳性能，保证车辆的长期使用安全。

1. 材料定义：在材料库定义新材料，名称为Q345，机械性能包括，弹性模量210GPa，泊松比0.3，屈服强度345MPa，抗拉强度480MPa；疲劳性能包括，钣金S-N曲线，焊缝的张拉S-N曲线以及弯曲S-N疲劳曲线。

2. 焊缝连接：导入模型后，根据焊缝的设计长度和焊缝尺寸，建立三维焊缝模型，如图3所示。

3. 螺栓连接：导入模型后，软件自动识别螺栓零件，并与周边零件建立装配关系，如图4所示。

图3 焊缝模型

 

图4 螺栓连接

 

6.疲劳定义：为了加速试验阶段的疲劳验证，将托臂的随机动态载荷等损伤转化为横幅载荷，载荷大小范围9000N，平均载荷4500N，如下图6所示，循环次数要求大于1万次。通过软件提供的SN Sequential fatigue分析方法计算托架的疲劳寿命，如图7所示。工况1计算加载9000N的应力，工况2计算卸载后的应力，然后通过软件定义SN Sequential fatigue，计算托架结构在该应力循环下的疲劳寿命。

2.强度结果：钢板材料牌号为Q345，屈服强度345MPa，设计要求应力小于260MPa。强度计算结果的应力云图如图10所示，托架撑板圆弧位置的应力最大，其值为242MPa，小于结构的设计许用应力260 MPa。因此，该结构设计满足静强度要求。

3.疲劳结果：疲劳计算结束后，通过后处理查看钣金寿命最小值8.1万次，位置与图10的最大应力位置一致。再查看单次循环载荷作用下焊缝的损伤为0，即焊缝在当前工况下为无限寿命。

图8 钣金寿命

 

图9 焊缝损伤

 

综合上述分析结果，该结构设计满足刚度、强度和疲劳设计要求。

本文通过副臂托架焊接件的性能分析，展现了Simsolid 在机械结构设计中的应用价值，可以高效地评估钣金本体、螺栓连接、焊接接头的强度水平，为工程师提供了强大的设计支撑。通过与传统有限元法对比可看出，SimSolid 在高效计算的同时，结果的相对精度达到93%以上，完全满足产品结构方案的设计要求。

体会：SimSolid 在机械结构产品开发过程中的应用越来越广泛，应当建立一套适用企业自身需求的仿真评价标准。因为高效的前处理技术最大化地降低了人为误差，但是亟需建立传统设计标准与结果评价的等价关系，并在项目中不断修正和完善，最大化软件的工程价值。