技术干货丨 SimSolid 在起重机副臂托架设计中的应用

*本文投稿自汽车行业用户范会超

1、工程背景

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。

2、副臂托架介绍

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。

图 1 副臂托架装配图

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。

3、主要内容

3.1 托架结构设计

本文针对主臂头部的托架开展分析，该托架为焊接的箱式 L 型结构，如下图 2 所示。主臂底座板焊接到汽车起重机主臂上，托架通过四个 M20 的螺栓固定到主臂底座板。托架上端两个螺栓用于调整其垂向高度，限位销轴用于约束副臂的横向运动。

图 2 托架结构图

3.1 托架性能分析

下面通过 SimSolid 开展托架的刚度、强度和疲劳分析。

► 3.2.1 模型设置

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

4.约束条件：选择底座板与主臂焊接平面，定义固定约束，如图 5 红色区域。

5.载荷定义：选择托架上端两个副臂滚轮接触区域，如图 5 所示的两个绿色区域。首先建立两个 SPOT 点，点位置为副臂滚轮与托架的接触区域中心，再定义垂向载荷 20kN，用于刚度及强度工况计算。

图 5 边界条件及载荷定义

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。

图 6 疲劳载荷

图 7 疲劳工况设置

► 3.2.2 求解设置

本案例的结构具有一定的薄板特性，因此求解采用全局+局部自适应设置，具体如下图 8 所示：

图 8 求解及结构设置

► 3.2.3 分析结果

1.刚度结果：位移结果如下图 9 所示，在施加 40KN 载荷的作用下，托架支撑面的最大位移 0.77mm，＜设计要求 1mm，满足刚度要求。

图 9 变形结果

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。

图 10 托架应力云图

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。

4、应用总结及体会

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。

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