Simcenter Simsolid 在汽车起重机转台设计中的应用

转台结构是汽车起重机三大结构件之一，在起重机工作过程中，起到非常重要的承载作用。作为连接上车作业装置与下车底盘的核心部件，需承受吊重载荷、惯性力、冲击载荷等多重复杂作用力，其强度、刚度及疲劳寿命直接决定整机作业安全与承载能力。在某款中小吨位汽车起重机研发中，面临转台结构复杂（含螺栓、焊缝等百余个细节特征）、多工况性能验证难度大、传统有限元分析周期长等痛点。因此，项目需要引入高效的性能验证与结构优化工具，以缩短设计迭代周期、实现轻量化与可靠性平衡。

Simcenter Simsolid 作为无需网格划分的创新仿真分析软件，以其易用性强、求解高效的特点，在机械结构设计中发挥的作用越来越大，为工程师提供了准确且高效的解决方案。

下面以某款中小型汽车起重机为例，说明 Simcenter Simsolid 在结构设计中开展刚强度分析、结构优化的应用效果。如下图所示，其中图1.1为整车装配效果图，图1.2为转台的结构分析图。

①几何导入：将三维数模导入 Simcenter Simsolid，操作路径：在主菜单栏中依次选择project→import from file →model.stp，其中model.stp为三维数模文件。几何导入后如下图2所示，其中标注了转台与周边件的主要安装区域。导入后无需做几何清理及抽取中面处理，保持几何原始实体状态即可。

图2 三维整体结构及主要安装点

②材料定义：在模型结构树激活Assembly，定义材料为Q460钢，屈服强度为460Mpa，抗拉强度为550Mpa。按起重机设计规范中相关标准，强度安全 系数选取1.34, 所以转台材料的设计许用应力为320Mpa。

①螺栓连接：几何模型导入软件时，自动连接搜索的容差参数gap设置为0.5mm，穿透设置为1mm，螺栓组件被自动识别并定义，如图3.1所示，若特殊情况下存在识别问题，可鼠标右键点击零件，手动设置零件类型。螺栓与相邻零件的接触关系也被自动定义，过程非常高效。如下图3.2所示单个螺栓与周边零件的接触关系。

②焊缝连接：在模型结构树激活connections，在右侧选择create new seam welds，依次定义焊缝尺寸和选择需要焊接的零部件，软件自动识别并创建焊缝，如图4所示，橙色特征为焊缝连接。若选择所有焊接零部件，自动查找并定义焊缝，如果想删除某条软件自动查找的焊缝，只需单击该焊缝，即可删除该焊缝，该设备结构共定义95条焊道。

图4 焊缝总数统计及其焊接总成图（绿色代表焊缝）

刚度与强度是转台设计的核心指标，直接影响设备运行稳定性与安全。下面详细介绍刚度、强度性能要求的工程意义及评价指标。

► 3.3.1 刚度要求

① 转台集成回转机构（马达、减速器、回转支承），可带动吊臂360°旋转作业，是起重机实现大范围吊装覆盖的核心保障。足够的刚度是转台保障回转精度和平稳性的基础，直接影响吊装作业的精准度和操作体验，尤其在精密设备吊装场景中至关重要。由于模态频率及振型控制是整体刚度设计的基础，因此，结构设计要求首阶固有频率需避开起升作业及回转作业的激励频率，一般中小吨位车型要求＞28Hz，避免共振问题发生，同时前三阶振型为一次变形态，而且不能出现明显的局部振型。

② 模态分析：在主菜单栏中依次选择Analysis→Modal，创建模态分析工况，并在结构树中双击setup：number of modes，设置计算前5阶模态。

图6模态分析设置

► 3.3.2 强度要求

①转台是连接上车作业装置（吊臂、变幅油缸）与下车底盘的关键部件，需承受吊重载荷、吊臂自重、惯性力等多重复杂载荷，并将力均匀传递至回转支承和底盘，是整机载荷传递的“中间枢纽”，其强度直接决定起重机的最大起重量和作业安全，根据汽车起重机设计规范，为保证结构的安全设计，要求强度指标的应力安全系数＞1.34。

②强度分析：在主菜单栏中依次选择Analysis→structural→structural linear，创建强度分析工况，并在结构树中双击solutions setting：custom，设置计算参数，为提升计算精度，勾选adapt to feature 和 adapt to thin solid，具体如下图7所示。

图7 强度工况设置

③边界条件，完全约束回转轴承安装螺栓，如图8-1所示。强度的计算工况选取两个典型工况，最大力矩工况。根据力平衡原理，求解变幅液压缸推力、吊臂作用在转台安装支座的载荷，钢丝绳拉力及配重载荷，结果如表1所示。

表1：转台计算工况表 ( 单位： 长度-mm、载荷-吨 )

施加载荷如下图8所示，其中吊臂及液压缸安装点施加轴承载荷，卷扬及配重的安装点施加远程载荷。

上述工况设置完成后，点击结构树中的Design study1，点击右侧出现的求解按钮Run all analyses，软件开始计算所有工况，如下图9所示。

图9 提交求解计算

大约求解15分钟，计算结束后查看每个工况下的结果，分析如下。

① 模态结果：软件输出的模态振型图清晰呈现结构振动特性，如图10所示。首阶模态43Hz，表现为整体扭转振型，振型动画显示尾部相对于前部扭转；二阶模态62Hz，为两侧立板张开式振型，三阶模态89Hz，为两侧立板侧摆式振型。模态均避开了设备工作激励频率区间，基本符合设计预期。

图10主要振型图

②去冗余优化：基于上述模态分析，由振型图中可看出，转台底部连接板基本处于蓝色状态，同时结合应变能密度分布可以初步评估，底板对于模态贡献存在冗余，可以进行减重设计。因此在底板设计三个分散的矩形减重特征，即保证两侧间的连接刚度，又能实现轻量化设计。同时，为避免矩形直角造成应力集中，矩形角设计为大圆弧角过渡，优化方案的验证结果，如下图11所示。结果显示减重后的设计模态及振型仍然满足模态要求，优化后的主要频率依次为42Hz，60Hz，88Hz。

图11 优化后模态振型图

③强度结果：加强设计是转台设计中应对应力集中的核心环节，在保证强度的同时避免结构冗余。该转台结构加强梁呈现连续的环形结构，最大程度的发挥材料的使用价值，局部适当的加强筋设计，大大降低了局部安装点的应力集中，整体应力云图如下图13所示：

由上述云图可直观看出，较大应力主要分布在液压缸及吊臂的安装点区域的加强板上，说明加强结构对增强承载能力起到重要作用。同时，可以看出经结构减重优化的转台，最大应力出现在工况1的液压缸下安装支座的加强板附近，其最大应力301MPa，小于设计要求的许用应力320 MPa，仍然满足产品的强度要求。整个迭代过程仅需十几分钟，而优化效果十分明显。

Simcenter Simsolid 在40分钟内完成了结构设计的模态分析与强度工况分析；额外20分钟内，完成了减重方案的模态性能对比，关注阶次的频率变化≤2Hz，再经强度验证，安全余量为1.42，大于1.34的安全系数要求，结构仍然满足性能要求。最终实现重量减轻6.58kg，降低了开发成本。综上所述，Simcenter Simsolid 在转台结构设计中展现出显著的应用优势，可在1.5小时内，完成结构性能的初始验证、2轮新设计迭代。其无需网格划分的特性、高效的求解能力与简洁的操作流程，结合可视化的应力云图、模态振型呈现，不仅能准确完成模态分析与强度校核等核心工作，更能通过快速迭代分析实现结构优化。

随着市场竞争越来越激烈，企业借助先进的 Simcenter Simsolid 辅助设计工具，以高效的仿真优化技术，节约开发成本，缩短开发周期，实现产品的快速迭代，提升产品竞争力，在严苛的市场环境中脱颖而出。