基于MSC.NASTRAN正面吊运车吊臂有限元建模与分析

基于MSC.NASTRAN正面吊运车吊臂有限元建

模与分析*

【摘要】吊臂是由基本臂和伸缩臂组成的正面吊运车的关键部件。本文用Pro/ENGINEERING进行几何建模；采用滑移面MPC多点约束技术建立了吊臂结构的PATRAN 有限元分析模型，考虑4种典型位置和4种载荷共16种组合工况以及吊具和集装箱的动载系数、臂架自身的冲击系数等；用NASTRAN求解器进行了有限元分析，得到了基本臂和伸缩臂的应力和位移变形云图、应力集中处的应力，基本臂回转支座与车架铰接处、俯仰油缸与臂架铰接处的约束反力，俯仰油缸与伸缩油缸的受力。在满足相应国标的情况下获得了最优设计。

关键词：正面吊运车；吊臂；MPC；有限元建模；有限元分析

中图分类号：TH12(机械设计)，TH21(起重机械)

Finite element modeling and analysis of the crane for a reach

stacker based on MSC.NASTRAN

ZHANG Lian-wen, WU Zheng, LIN Xiao-ji, LIN Xu, ZHANG Yu-zhi, WANG Peng-xiao （School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Commerce, Tianjin, China 300134）

【Abstract】Crane is a key device of reach stacker which includes a fixed length and telescopic part. In this paper, the crane for a reach stacker is modeled directly from Pro/ENGINEERING and is accessed by MSC.PATRA N. Then its finite element model is established by sliding surface MPC technique. Considering 16 load cases as well as dynamic load coefficient of container and spreader and impact factor of the boom, the finite element model is solved by MSC.NASTRA N, a optimization design is obtained by satisfying the corresponding National Standard.

Key words: Reach stacker; crane; MPC; finite element modeling; finite element analysis

0 引言

正面吊运车是用于铁路中转站、公路中间站、集装箱码头以及集装箱货场的必要设备。其特点是机动灵活、操作方便，稳定性好，轮压低，堆码层数高。与叉车相比具有前方视野宽、作业幅度大、既可隔排吊箱也可沿一定角度吊箱等优点。与汽车吊相比具有适应狭窄通道作业、场地利用率高等优点，因此能起到叉车与汽车吊的双重作用。目前，国内对集装箱装卸设备的需求量越来越大，而正面吊运车的需求量以每年大于100%的速度递增。为了适应国内市场需求，我们利用现代设计技术手段自行研制并开发了该产品。本文设计的产品为国内企业首次成功开发。最大起重量为450KN，最大起升高度为15.1m，最大作业幅度为6.3m，最大空载/满载起升速度为420/250mm/s。

吊臂是正面吊运车的关键结构件，它由基本臂和伸缩臂组成，其中基本臂和伸缩臂之间用滑块连接。在吊臂结构的有限元建模中，采取什么样的MPC（Multipoint Constraint）描述滑块连接基本臂和伸缩臂非常关键，因为MPC选择不当会导致分析结果存在较大差异。本

*张连文，天津商业大学，高级工程师，博士后，从事工程机械产品CAD/CAE/CAM，zlianwen@8da2f0bc1a37f111f1855bd1，国家“十一五”科技支撑计划项目资助（2007BAD35B0103），天津商业大学SRT项目资助（2010025）

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文在对若干种MPC进行研究和对比分析的基础上，对滑块采用滑移面MPC技术建立了正面吊运车吊臂结构的NASTRAN有限元分析模型，考虑了4种典型位置和4种载荷共16种组合工况，其中载荷工况包括动载与正向风载、动载与侧向风载、静载与正向风载、静载与侧向风载。此外，考虑了吊具和集装箱的动载系数、臂架自身的冲击系数以及集装箱的意外吊偏等情况。得到了基本臂和伸缩臂的应力和位移变形分布云图，基本臂回转支座与车架体、基本臂与两根俯仰油缸铰接处的约束反力，俯仰油缸与伸缩油缸的受力情况等。然后，按照起重机设计规范[1-3]，在满足结构强度和刚度要求的同时对吊臂结构进行了优化设计。该产品目前生产300多台，安全可靠性也通过了有关标准的实验测试和市场的实际检验[4-5]。

1 有限元模型建立

1.1 几何模型

正面吊的吊臂由基本臂和伸缩臂组成，如图1所示，它由PRO/E几何建模、转化为STP 格式文件后导入PA TRAN。其中回转支座按三维实体建模，伸缩油缸和变幅油缸采用杆单元建模，其它结构用面单元建模。在划分有限元网格之前，编辑为181个面（SURFACES）、2个体（SOLIDS）和3根杆（CURVES）。

1.2 材料特性

臂架：弹性模量取E=2.1E+11Pa；泊松比取μ=0.3；材料密度取ρ=7850Kg/m3。

油缸：设为刚性体。

1.3 滑移面MPC的建立

MPC技术是一种重要的有限元建模技术[6，7]，用来模拟通常的有限元建模方法难以描述的物理现象。例如工程实际问题中对刚性连杆、滑块、铰接、销轴、套筒、螺栓、油缸等，不同类型结构（如实体和板壳）之间的连接等，不协调网格之间载荷的传递等的描述。然而在实际工程问题中，如何采用明确的MPC类型以准确描述各种现象的多点约束方程往往又是非常困难的。不同的分析软件（如MSC.NASTRAN、ANSYS、ABAQUS）及分析类型（如Structural Linear Static、Nonlinear）所支持的MPC类型也不尽相同。比如MSC. PA TRAN/NASTRAN结构分析中，目前常用的共有12钟MPC类型[8]，并在9个方面有重要的应用[9]。

基本臂与伸缩臂之间是用滑块连接的，无论在任何一种工况下，滑块与基本臂和伸缩臂均产生接触，并形成了一对平行的接触区域。臂架有限元模型建立的准确性取决于接触区域的如何描述。作者对这一连接关系采用了数种MPC技术进行了实际计算后发现滑移面技术较为准确，并得到了实验验证。滑移面MPC技术的思想是，平行的一对接触区域与其任何一条法线有两个交点，滑移面约束要求这两点的法向平动自由度相等，其他自由度释放。不过接触区域大小如何选取、网格的如何划分均会影响计算结果。

1.4 网格单元特性

面单元用四边形网格划分，体单元用体上的一个面划分四边形网格，再对其进行扫掠而成，油缸定义为一个ROD单元。共35489个单元（ELEMENT）、36074个节点（NODE），如图2所示。

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图1 正面吊吊臂结构几何模型图2 正面吊吊臂结构有限元网格模型Fig. 1 The geometry model of the boom Fig. 2 The finite element model of the boom

1.5 计算工况

吊臂工作时有4种典型位置工况和4种典型载荷工况。

1.5.1位置工况

假设吊运车在集装箱的左侧进行工作，如图3所示。集装箱的起吊工况如图4所示。

图3 吊臂姿态示意图图4 吊臂位置工况示意图Fig. 3 Crane posture diagram Fig. 4 Sketch of the crane work condition

臂架在各位置工况下的姿态如下表1所描述。

表1 正面吊运车吊臂位置工况数据表

Table 1 Crane location condition data of the reach stacker

1.5.2 载荷工况

载荷工况包括动载与正向风载、动载与侧向风载、静载与正向风载、静载与侧向风载四种情况，分别称作载荷1、2、3和4。此外需具体考虑不同的起吊载荷、正向和侧面风载，其中吊具和集装箱的动载系数取1.26，臂架自身的冲击系数取1.1。在所有计算中，考虑起吊载荷最不利的偏移量为800mm。将侧向风载等效的转化为对吊点的侧向力和扭矩，且需考虑集装箱的迎风面积S=34.81m2。因此位置工况与载荷工况的如上组合共有16种。

1.5.3 约束条件

共有四处，其中回转支座与车架体铰接处的约束有2处，变幅油缸与车架体联接处的约束有2处。

2 分析结果

用MSC.NASTRAN求解器，得到四种不同位置分别在相应四种不同载荷组合工况下的计算结果。具体包括臂架应力、变形，基本臂和伸缩臂高应力区及其相应的最高应力值，基本臂回转支座与车架、基本臂与变幅油缸铰接处的约束反力等。本文选择具有代表性的两种位置进行了阐述，图5与图6分别表示位置1与载荷1工况下的应力和位移云图。图7与图8分别表示位置4与载荷1工况下的应力和位移云图。

3 结论

3.1 位置1

1）强度校核：臂架的材料采用HG785，其屈服强度为685MPa。按照起重机设计规范的要求[1]，对于HG785材料，σs/σb=685/785=0.87>0.7，安全系数n=1.33，所以许用应力值

σ=417Mpa < [σ]，故满足设计要求。

[σ]=464MPa。有限元计算的最高应力为

max

2）刚度校核：考虑臂架加载位置在吊重平面内的位移，按照起重机设计规范的要求[1]，许用值为[Y L]=L c2×10-6(mm)，其中L C为伸缩臂与吊具的铰接点到基本臂与车架铰接点的距离L C=13273.1mm，所以[Y L]=176.2mm。在静载（有正向风载但无偏载）下有限元计算的值为132.1mm < [Y L]，可知臂架刚度满足起重机设计规范的要求[1]。

3.2 位置4

σ=430Mpa < [σ]=464MPa，1）强度校核：类似位置1的讨论，有限元计算应力的最高值

max

满足设计规范要求。

2）刚度校核：类似上述讨论，许用挠度值为[Y L]=15699.6^2×10-6=246.5mm，而有限元计算值为240.9mm< [Y L]，满足设计规范要求。

3.3 对如上述及的所有工况也分别进行了的分析与校核。满足设计要求[1]。

3.4 本文述及的方法可以用于带伸缩臂架的起重机等类似产品的建模与分析。

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图5-1 位置1与载荷1工况下吊臂上側的应力云图

图5-2 位置1与载荷1工况下吊臂下侧的应力云图

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图6 位置1与载荷1工况下吊臂的位移变形云图

图7-1 位置4与载荷1工况下吊臂上侧的应力云图

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图7-2 位置4与载荷1工况下吊臂下侧的应力云图

图8 位置4与载荷1工况下的位移变形云图

参考文献

[1]中华人民共和国国家标准局. GB/T 3811-2008 起重机设计规范[S]. 北京：中国标准出版社，2008年

[2]胡宗武，顾迪民. 起重机设计计算[M]. 北京：科学技术出版社，1989年8月.

[3]交通部水运科学研究院. JT/T 232-1995 集装箱正面吊运起重机技术条件[S]. 北京：交通部行业标准，

1995年.（目前已有送审中的国标替代版，2009年3月15日通过审查）

[4]中国机械工业联合会. GB/T 5141-2005 平衡重式叉车稳定性基本试验[S]. translated from ISO

1074-1975，Counter balanced fork-lift trucks-stability basic tests. 北京：中国标准出版社，2005年7月。

[5]中华人民共和国国家标准局. GB/T 17992-2008 集装箱正面吊运起重机安全规程[S]. 北京：中国标准出

版社，2008年.

[6]MSC.P ATRAN Documentation, Finite Element Analysis, (In html_Patran, fea_theory_topics),

MSC.Software Corporation, 2004.

[7]MSC.P ATRAN Documentation, Finite Element Modeling (In html_Patran, nodes_forms), MSC.Software

Corporation, 2004.

[8]MSC.P ATRAN Documentation, MSC.P ATRAN FEA User’s Guide, (In Chapter 2 Buildi ng a Model),

MSC.Software Corporation, 2004.

[9]MSC.P ATRAN MSC.NASTRAN Preference Guide V ol. 1, Structural Analysis, in MSC.PA TRAN

Documentation, MSC.SOFTW ARE Corporation，2004.

论文主要工作和创新点：吊臂是正面吊运起重车的关键结构件，它由基本臂和伸缩臂组成，其中基本臂和伸缩臂之间用滑块连接。MPC（多点约束Multipoint constraints）技术是一种重要的有限元建模技术，用来描述通常的有限元建模方法难以描述的各种结构连接件等物理现象。在吊臂结构的有限元建模中，采取什么样的MPC描述滑块连接基本臂和伸缩臂非常关键，事实上，由于MPC选择不当会导致分析结果存在较大差异。本文在对以往若干种MPC进行研究和对比分析的基础上，针对连接基本臂和伸缩臂的滑块采用新的滑移面MPC 技术建立了正面吊运车吊臂结构的NASTRAN有限元分析模型，考虑了4种典型位置和4种载荷共16种组合工况，其中载荷工况包括动载与正向风载、动载与侧向风载、静载与正向风载、静载与侧向风载。对滑移面区域的选取、区域网格划分等问题进行了有限元试算、模拟和研究，在满足结构强度和刚度要求的同时对吊臂结构进行了优化设计。该产品为国内企业首次自行设计，目前生产300多台，安全可靠性也通过了有关标准的实验测试和市场的实际检验。本文述及的方法可以用于带伸缩臂架的起重机等类似产品的建模与分析。

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