汽车起重机车架通用参数化建模与分析系统①
刘嵩锋，雷勇军，李道奎
（国防科技大学航天与材料工程学院， 湖南 长沙 410073）
摘要：针对不同主梁截面、主梁与固定支腿连接方式的汽车起重机车架，提出了通用几何模型；基于MSC.Patran 二次开发工具PCL 和Delphi 7.0开发了汽车起重机车架通用参数化建模与分析系统。以QY100汽车起重机车架为基础，实现了三种不同类型车架的参数化有限元分析，并进行了对照。该系统对于系列化车架的设计与分析具有较高的实用价值。
关键词：汽车起重机；车架；PCL；参数化建模；有限元 中图分类号：TH 213.6  O242.21    文献标识码：A
①
作者简介：刘嵩锋（1985－），男，硕士生，研究领域：计算固体力学与CAE 软件二次开发。E-mail: luhunhupan@sina
1 引  言
车架是汽车起重机三大结构件中的一个重要部件，在行驶和作业中，它是整个机器的基础，其足够的强度和刚度对保证整车正常工作具有重要意义[1, 2]。上世纪八九十年代，主要采用传统的解析法对车架进行计算[3, 4]：将回转中心视为刚性，忽略车架内部的诸多隔板，采用两端简支的梁模型来计算车架截面的应力和变形。而实际结构中，车架是由薄板连接而成的大箱型结构，其精确模型应为板壳模型。近年来[5]，大多采用有限元方法对单一车型进行数值仿真，并进一步探讨了参数化建模与优化设计问题[6]。
为了克服传统解析法的弊端和不同车型重复建模带来的问题，本文针对汽车起重机车架的主梁截面和主梁与固定支腿的连接方式等相异因素，基于MSC.Patran 二次开发工具PCL 和Delphi 7.0开发了汽车起重机车架通用参数化建模与分析系统。
美利达公爵600用户只需要在系统界面中输入车架相应的结构和载荷参数，即可高效地完成汽车起重机车架的参数化
建模与结构分析。本系统亦可应用于系列化的新型产品设计，可以避免重复建模、优化产品结构、缩短研发周期。
2 开发平台和PCL
参数化有限元分析[7]
的核心内容是编制可变参数的有限元分析流程文件，其中包括三项内容：1)以变量形式定义特征参数并赋值；2)用特征参数表征的实体建模过程；3)分析过程和结果后处理的参数化定义。
在以大型有限元软件MSC.Patran/Nastran 作为二次开发平台，采用PCL [8]开发车架参数化有限元分析模块时，整个建模过程可能用到上万条PCL 语句，如果都通过手工书写代码的形式，其工作极其繁琐且容易出错。因此，该模块的代码采用Patran 自动生成和手工编写相结合的方式编写，车架通用参数化建模与分析系统的流程如图1所示。
图1 参数化建模与分析系统流程图
Fig. 1 Flow chart of parametric modeling and  analysis
为了便于车架模型参数的输入与修改，基于Delphi 7.0开发了界面执行模块，如图2所示。通过界面程序调用参数化有限元执行函数，实现了车架通用参数化分析系统的集成。
图2 参数化建模与分析系统运行界面
Fig. 2 Interface of parametric modeling and analysis system 3 参数化建模
如图3所示，现代大型汽车起重机常采用前悬下沉式的驾驶室；回转中心加设了多块纵、横向隔板和斜
筋以保证其具有足够的刚度；主梁中间加设横向隔板以增强其抗扭刚度；活动支腿为H型结构，通过支承块和门板与固定支腿相连；固定支腿通过适当的连接方式与主梁连一体。
图3 车架结构简图
1、前段
2、活动支腿
3、主梁
4、回转中心
5、固定支腿
Fig. 3 Structure sketch of truck crane frame
1. Foreside
2. Outrigger
3. Main Girder
4.Rotary Centre
红旗朱雀新款2022款价格5.Fixed Leg
由于车架前段的驾驶室在起升作业时对整体车架的影响较小，故参数化建模时将前段忽略不计。划分单元网格时支承块采用Hex8实体单元，加强筋采用Bar2梁单元，车架其他部位采用Quad4板壳单元进行模拟。
车架承受的载荷简化为一组集中力和力矩，通过RBE3单元按照静力等效的原则分配到回转座圈上，同时考虑车架的自重影响。活动支腿端部创建RBE2单元以实现不同工况下支腿约束的参数化处理。
3.1 主梁的截面形式
纵观国内外主要的汽车起重机产品，车架主梁箱型结构的截面形式主要有6种，如图4所示。小箱型截面A、B多用于早期25吨以下的小型起重机；C、D截面广泛应用于现今25~130吨的汽车起重机主梁；矩形E、F截面则应用于200吨以上的新型起重机。
图4 车架主梁截面的基本形式
Fig. 4 General section of main girder
采用控制关键几何点和虚化内部隔板（即将其弹性模量赋极小值）的方法完成了主梁截面的
参数提取，如图5所示。
图5 车架主梁截面的参数化
Fig. 5 Parametric section of main girder
3.2 主梁与固定支腿的连接方式
根据起重机作业载荷和整体设计空间的要求，主梁与固定支腿的连接方式分为两种：1)搭接，即固定支腿焊在主梁后段下平面上，再通过支撑与主梁连为一体；2)对接，固定支腿嵌入主梁中，其立板与
主梁的前后端面连接，再通过支撑与主梁连为一体。
通过参数化固定支腿立板与主梁的连接位置，实现了搭接与对接结构的参数化转换。如图6所示，令c2=c3即形成搭接结构，c2增大而c1减小即形成对接结构。
图6 主梁与固定支腿连接参数化
1、主梁后段
2、斜撑
3、固定支腿
Fig. 6 Parametric connection of main girder and fixed leg
1. Main Girder
2.Leg Brace
3. Fixed Leg
2
5
4
3
1
3
2
1
4 算例对照分析
为了验证参数化系统的通用性，以QY100汽车起重机车架为基础，通过调整参数完成了车架I、II和III的参数化建模与对照分析。
对照车架的组合方式与相关参数取值如表1所示。选取吊臂位于汽车起重机车架正侧方吊重的危险工况进行计算，集中力为6
1.010N
×，力矩为9
3.010N mm
× 。
表1 对照车架的组合方式与参数取值表 (单位制：mm)
Table 1 Combined mode and parameter table of contrastive frame
(Unit: mm)
车架 组合方式
主梁截面参数
连接方式参数
a1a2 a3 a4a5b1b2t1t2t3t4t5 t6 c1 c2 c3 I 截面D+搭接 640320 200 2906404426788101288 8 650 520520 II 截面D+对接 640320 200 2906404426788101288 8 200 970520 III 截面F+对接 640320 320 4006406786788101288 8 200 970520
(a)
(b)
(c)
(d)
a、车架整体的位移云图
b、主梁的Mises应力云图
c、受压侧后端一阶活动支腿的Mises应力云图
d、受压侧后端二阶活动支腿的Mises应力云图
图7 组合I型车架的有限元结果示意图
a.Displacements of frame
b.Mises stress of main girder宝马m3价格
c.V on mises stress of first-order outrigger
d. V on mises stress of second-order outrigger Fig. 7 Finite element analysis of combined truck frame I
组合I型车架的参数化建模和有限元分析结果如图7所示。为方便显示，挖去了部分应力集中处的单元，II、III型车架的云图趋势与其大致相同，仅是数值差异，故不再赘述。
由I型车架的位移与应力云图分析可知：正侧方作业时，最大位移在回转座圈受压一侧；整体最大应力在受压侧固定支腿端部的门板处；车架受压侧的支承块与门板附近，主梁与固定支腿连接处也有较严重的应力集中现象。
针对I、II、III型的不同车架，对照其主要部位：回转中心、主梁、活动支腿处最大应力和位移值，如表2所示。
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表2 不同车架主要部位最大应力和位移值
Table 2 Maximum stress and displacement of truck frames
车
架
总重
主梁回转中心活动支腿
应力位移应力位移应力位移I 10.5141937.6 851 43.2 124021.4 II12.1440628.3 832 33.4 83614.2 III11.8235526.7 764 31.6 80712.6单位制：总重：吨，应力：Mpa，位移：mm 对照三类车架的有限元参数化分析结果，得出以下几点结论：
(1)主梁承载能力。对照II和III型车架，矩
形截面比倒“凹”字形的整体刚度大，抗弯（扭）能力强，承载能力强。
(2)主梁与固定支腿的连接方式。对照I和II
型车架，对接结构能够大幅降低活动支腿的应力与位移，提高车架整体的抗弯（扭）能力。
(3)车架整体重量。搭接结构构造简单、重量
轻，适用于小吨位单级活动支腿的车架。矩形截面亦有一定的减重效果。
(4)传动轴布置方面。倒“凹”字形截面的
底部空间比矩形截面大，有利于传动轴的布置。
总的来说，对于75吨以下的单级活动支腿
汽车起重机，因受结构尺寸所限，传动轴的布置
和结构减重成为其主要考虑因素，故多采用截面
C的主梁和搭接连接；对于100~150吨的两级活
动支腿汽车起重机，综合考虑各方面因素，大多
采用截面D、E的组合主梁和对接连接；对于150
吨以上的大型汽车起重机，传动轴布置由于结构
尺寸的加大而变得容易，车架的承载能力和整车
制造成本成为主要的考虑因素，故大多采用截面
F的主梁和对接连接。
5结论与展望
本文提出了汽车起重机车架的参数化通用
模型，基于MSC.Patran二次开发工具PCL和Delphi 7.0开发了汽车起重机车架通用参数化建
模与分析系统。
算例表明：矩形截面具有更好的承载能力，而倒“凹”字形截面则便于传动轴布局；搭接结
构构造简单、重量轻；而对接结构能够大幅降低
活动支腿的应力与位移。
该系统具有广泛的应用前景，对于具体的车
架模型，该系统可以高效地完成其参数化建模和
有限元分析；对于系列化的新型产品设计，该系
统可以避免重复建模、优化产品结构、缩短研发
周期。
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Universal parametric modeling and analysis system of truck crane frame
LIU Song-feng, LEI Yong-jun, LI Dao-kui
(College of Aerospace and Material Engineering, National University of Defense Technology,
Changsha 410073, China)
Abstract: Considering Different section of main girder and connection of main girder and fixed leg, the universal geometric model of truck crane frame is founded.Universal parametric modeling and analysis system of truck crane frame is constructed based on PCL (Patran Command Language) and Delphi 7.0.Based on the parameters of QY100, the finite element analysis of three different truck
frames are actualized and contrasted.It has high practical value for the design and analysis of series truck frames.
Keywords: truck crane; truck frame; PCL; parametric modeling; finite element
第一作者简介：
刘嵩锋（1985－），男，河南洛阳人，硕士生，从事计算固体力学和CAE软件二次开发研究；汽车大梁
通讯地址：湖南长沙国防科技大学1号院一院五队2008级硕士
邮编：410073
E-Mail: luhunhupan@sina