汽车起重机三维造型设计及运动仿真论文

兰州交通大学毕业设计（论文） I 摘 要 随着经济建设的迅速发展，我国的基础建设力度正逐渐加大，道路交通，机场，港口，水利水电，市政建设等基础设施的建设规模也越来越大，市场汽车起重机的需求也随之增加。 本次设计的 25T 起重机，在对汽车起重机的结构设计前通过查阅、整理资料确定汽车起重机底盘类型及主要尺寸 ,确定吊臂连接尺寸以及吊臂类型和起重机工作原理。通过所学知识运用 Solid Works 软件的各项功能创建汽车起重机模型，进入装配把汽车起重机各部分建立汽车起重机三维实体模型，利用 Solid Works 软件对汽车起重机进行运动仿真及受力分析。 分析汽车起重机的发展现状及趋势、以及实体结构简介，包括起升机构、运行机构、变幅机构和回转机构，再加上金属机构，动力装置，操纵控制及必要的辅助装置，以及起重机一些必要的注意问题。同时完成汽车起重机的底盘、吊臂、箱体等零件的工程图以及装配图，并完成起重机的运动仿真。 关键词：汽车起重机； Solid Works；实体结构；运动仿真； 汽车起重机三维造型设计及运动仿真 II Abstract With the rapid development of economic construction, Chinas infrastructure is gradually increase the intensity, road traffic, airports, ports, water conservancy and hydropower, municipal construction of infrastructure such as the scale of construction is also growing, crane truck crane market demand with the increase。 The design of the 25 t crane, in front of the structural design of crane truck crane chassis type determined by access, sorting data and main size, determine the connection size and crane jib type crane boom and working principle of the crane. Through knowledge in using Solid Works software functions to create truck crane model, into the assembly all parts of the crane truck crane 3 d entity model is set up, using Solid Works software motion simulation and stress analysis was carried out on the truck crane. Analysis of crane development status and trends, as well as the physical structure of introduction, including the lifting mechanism, operation mechanism, luffing mechanism, slewing mechanism, coupled with the metal body, power unit, control and necessary auxiliary equipment, cranes, and some need to pay attention to the problem. Complete truck crane chassis, suspension arm at the same time, body and other parts of engineering drawing and assembly drawing, and completes the movement which the crane simulation. Key words: Truck crane ； Solid Works； Entity structure ； Motion simulation 兰州交通大学毕业设计（论文） 1 目 录 摘 要 . I Abstract .II 1 绪论 . 2 1.1 液压起重机的应用 . 2 1.2 主要优点 . 3 1.3 液压起重机的发展现状 . 3 1.4 液压起重机的发展趋势 . 4 1.5 汽车起重机检验项目 . 5 1.6 液压起重机的工作特点 . 6 1.7 汽车起重机的 安全与限速 . 7 1.8 液压起重机在使用中注意的问题 . 9 2 液压起重机的实体结构简介 . 10 2.1 汽车起重机的种类 . 10 2.2 液压起重机的结构构造与工作过程 . 10 2.3 汽车起重机底 盘类型 . 13 3 起重机的实体结构设计 . 14 3.1 钢丝绳的计算 . 14 3.2 卷筒的设计 . 14 3.3 绳端固定装置 计算 . 16 4 汽车起重机运动仿真 . 17 4.1 运动仿真的意义 . 17 4.2 Solid works 软件特点 . 17 4.3 实体结构设计 . 20 4.4 关于 simulation 的简介 . 26 4.5 吊臂静态应力分析 . 27 4.6 关于 solidworks motion 的简介 . 30 4.7 关于吊臂吊钩的有限元分析 . 34 总 结 . 37 致 谢 . 38 参考文献 . 39 汽车起重机三维造型设计及运动仿真 2 1 绪论 1.1 液压起重机的应 用 工程起重机和工程机械一样，是具有中国特色的名称与概念。我国的工程起重机主要包括塔式起重机、汽车起重机、履带式起重机、施工升降机、桥式起重机、门式起重机、门座起重机、轮胎起重机、桅杆式起重机和缆索式起重机等。 我国工程机械工业在国内已经发展成了机械工业 10 大行业之一，我国也进入了机械生产大国之列。工程机械用途广泛，市场遍布国民经济各个部门，其中主要有交通运输、能源、原材料、农林水利、城乡发展以及现代化国防六大领域。工程机械是保证工程建设实现高速度、高质量和低成本的重要手段。 随着我国深化改革、扩大开放和发 展社会主义市场经济等一系列重大政策的贯彻实施，工程机械行业在技术水平、科研条件、品种数量、产品质量、专业化生产程度、生产规模、出口创汇、用户服务、企业组织结构优化、高等教育以及人才培养诸方面，均获得了很大进步，在国民经济各领域和国防现代化建设中正发挥着举足轻重的作用。我国早已成为世界贸易成员国，这为工程机械的更大发展提供了新的机遇。 起重机械是用来对物料进行起重、运输、装卸和安装作业的机械：它可以完成靠人力无法完成的物料搬运工作，减轻人们的体力劳动，提高劳动生产率，在工厂、矿山，车站、港口、建筑工地、仓库、 水电站等多个领域和部门中得到了广泛的应用：随着生产规模日益扩大，特别是现代化、专业化生产的要求，各种专门用途的起重机相继产生，在许多重要的部门中，它不仅是生产过程中的辅助机械，而且已成为生产流水作业线上不可缺少的重要机械设备，它的发展对国民经济建设起着积极的促进作用。 起重机械是一种循环的、间歇动作的，短程搬运物料的机械。一个工作循环一般包括上料、运送、卸料及回到原位的过程，即取物装置从取物地点由起升机构把物料提起，由运行、回转或变幅机构把物料移位，然后物料在指定地点下放，接着进行相反动作，使取物装置回到原 位，以便进行下一次的工作循环。在两个工作循环之间一般有短暂的停歇。起重机工作时，各机构经常是处于起动、制动以及正向、反向等相互交替的运动状态之中。 在高层建筑、冶金、化工及电站等的建设施工中。需要吊装和搬运的工程量日益增多，其中不少组合件的吊装和搬运重量达几百吨：因此，必须选用一些大型起重机进行诸如锅炉及厂房设备的吊装下作：通常采用的大型起重机有龙门起重机，门座式起重机、塔式起重机、履带起重机、轮式起重机以及厂房内装置的桥式起重机等。 兰州交通大学毕业设计（论文） 3 1.2 主要优点 汽车起重机就是将起重作业部分安装在通用或专用汽车底盘 上的起重机，并具有载重汽车的行驶性能。为了满足在恶劣条件下的行驶要求，派生了具有越野性能的汽车起重机。 汽车起重机具有如下优点： （ 1）行动自由，在它的起重能力及外形尺寸容许条件下，能够在整个工厂内或货场内承担绝大部分的起重工作。 （ 2）它除了作为一台起重机使用之外，可以在臂架上配装各种拉铲抓斗、挖沟器和铲子进行其它工作。 （ 3）不需要架空轨道等固定结构，因此可使基建投资、生产成本或维修费用降低。 （ 4）本身具有独立的动力装置，不需要装设馈电电缆或接触导电装置。 （ 5）它可以把载荷放在地面上、地面下或比汽车 起重机更高的地方。由于上述优点，汽车起重机广泛地应用于运输、建筑、矿山及筑路工程中，用来装卸大型零件、包装件、散件货物和建筑构件等。特别是当货物分散、收发货物量少或安装工作量少，不宜使用专用起重设备时，则广泛使用汽车起重机。可以在很小的地面和空间内完成较大的起重运输任务。它具有机动、灵活、幅度长、起重量大、行驶速度快的优点。汽车起重机已实施出口产品质量许可制度，未取得和质量许可证的产品不准出口。 1.3 液压起重机的发展现状 中国的汽车式液压起重机诞生于上世纪的 10 年代，经过了近 30 年的发展，期间有过 3 次 主要的技术改进，分别为 70 年代引进苏联的技术， 80 年代引进日本的技术， 90年代引进德国的技术。但是总体来说，中国的汽车液压式起重机产业始终走着自主创新的道路，有着自己清晰的发展脉络，尤其是近几年具有较大的发展，但和国外相比，还是有很大差距，具体表现在： （ 1）品种少、产量低 ,我国起重机现处于初级发展阶段，品种较少。中小吨位重复较多，至今尚未形成大、中、小完整的系列，年产量只相当于国外一个厂家的生产能力。 （ 2）起重力矩小，技术水平低 ,我国起重机以直臂卷扬为主，受国内汽车底盘的限制，起重力矩小，其他性能指标也 一般低于国外先进产品。目前国内汽业对起重机的研究开发投入很少，液压系统、控制系统的技术水平也有一定的差距。 （ 3）安全装置不齐全，操作不方便 ,我国起重机仅装有起升高度限位及平衡阀、溢流阀等一般安全装置，全部为手动操作。而国外早已将电子技术广泛运用到汽车起重机上，如带有微电脑的力矩限制器及方倾翻保护器等，平且已实现的有线和无线遥控。 汽车起重机三维造型设计及运动仿真 4 （ 4）功能单一 ,我国起重机以起重作业及运输功能为主，而国外起重机均有多种附具，主要加装在吊臂头部，如工作斗、抓斗、高空作业平台、各种抓具、夹具、吊篮、螺旋钻、板叉、装备轮胎机械手 、拔桩器等，另外，国外一些厂家进一步开发了铁路专用起重机等专用产品。 （ 5）外形不美观 ,我国起重机设计单调，忽视了和汽车外形的协调，而国外对汽车起重机的着色非常严格，不仅在外形和着色上实现和汽车的一体化，还要求和城市的景观相协调。但是这个差距正在逐渐的缩小。而且中国目前在中小吨位的汽车式起重机的性能已经完好，能够满足现实生产的要求。在不久的将来，中国的汽车式液压起重机行业一定会发展成为一个发展稳定，市场化程度高的成熟产业。 / 1.4 液压起重机的发展趋势 近年来，随着建设工程规模不断扩大，起重安装工程量越 来越大，尤其是现代化大型石油、化工、冶炼、电站以及高层建筑的安装工作逐年增加。因此，对于起重机，特别是大功率起重机的需求日益增加。随着现代科学技术的发展，各种新技术，新材料、新结构、新工艺在起重机上得到广泛应用。所有这些因素都有力的促进了起重机的发展。根据国内外现有起重机产品和技术资料的分析，近年来起重机的发展趋势体现在以下几个方面： （ 1）广泛采用液压技术 ,由于液压传动具有体积小、质量轻、结构紧凑、能无级调速、操纵轻便、运转平稳和工作可靠等优点，近年来国内外各种类型的起重机广泛采用了液压传动。我国的主要工 程起重机厂，近年来的产品多是液压起重机，特别是汽车起重机出现了全液压形式。随着液压技术和液压元件的发展，液压起重机将会获得进一步发展。 （ 2）通用性起重机以中小型为主，专业起重机向大型大功率发展 ,为了提高建设工程的装卸和安装作业的机械化程度，工程起重机的发展仍是以灵活轻便的中小型起重机为主。目前国外普遍采用 1040 吨级的工程起重机。从数量上看，中小吨位级的占大多数，因此国外很重视改进、提高中型液压起重机的性能。但为了满足大型石油、化工、冶炼设备和高层建筑大型板材、构件的安装，国内已生产了 1001000 吨 级的大型、特大型起重机。目前超过 100 吨级的起重机品种逐渐增多。从发展情况看，大型或特大型起重机已发展椼架臂式起重机为主；而伸缩臂式液压起重机，由于受伸缩臂的重量和行驶状态下的长度的限制，它的发展有待技术和材料的进一步研究。 （ 3）重视“三化”，逐步过渡采用国际标准 ,目前各国在发展工程起重机新产品的过程中都很重视“三化” (标准化、系列化、通用化）。一些国家对工程起重机制定了国家兰州交通大学毕业设计（论文） 5 标准，规定了起重量系列。有些国家对起重量虽然没有统一的规定，但各制造厂自成系列，注意采用通用零件，为生产和使用提供有利条件。 一些国 家按起重机的起升机构、回转机构、驱动桥、转向桥以及中心回转接头等，不论用于汽车起重机还是轮胎起重机，一律进行标准化、系列化、通用化，使一部分部件可以用在两种不同的起重机上。此外，还可采用一些措施使一部分部件可以用到起重量大小不同的起重机上，如设计系列化吊臂、小起重量起重机的主臂可作为大起重量起重机的副臂、小起重量起重机的基本臂可作为大起重量起重机的二节臂等。 目前世界上许多国家，不仅重视制定本国的产品标准，而且非常重视采用国际标准。有的国家甚至废除了本国国家标准而直接采用国际标准。我国政府也提出：全面加速采用国际标准和国外先进标准，是我国实行开放政策和提高产品质量的一项重大措施。只有这样，才能尽快缩短我国产品质量水平与世界先进水平的差距，才能改变我国产品质量的落后面貌。 （ 4）发展一机多用产品 ,为了充分发挥工程起重机的作用，扩大其适用范围，有的国家在设计起重机时重视了产品的多用性。例如工作装置方面，除了使用吊钩外，还设计了配备有电磁吸盘、抓斗等装置。 （ 5）采用新技术、新材料、新结构、新工艺 ,为了减轻起重机的自重，提高起重性能，保证起重机高效可靠地工作，各国都非常重视采用新技术、新材料、新结构和新工艺。为了防 止起重机超载以致倾翻，近年来研制了电子式起重力矩限制器。当载荷接近额定起重量时，自动发出报警信号；当超载时，自动切断起重机工作结构。 （ 6）工程机械信息化 工程机械需要具有的信息处理功能 工程机械信息处理技术 （ 7）工程机械智能化 单机集成化操作与智能控制技术 智能监控、检测、预报、远程故障诊断与维护技术 基于网络的机群集成控制与智能化管理技术 1.5 汽车起重机检验项目 （ 1）汽车起重机的强度、刚度、稳定性、结构件在腐蚀性工作环境下的最小尺寸，抗倾覆稳定性应符合 gb3811-83起重机设计规 范的规定。 （ 2）汽车起重机基本参数应符合 jb/t1375-92汽车起重机和轮胎起重机基本参数的规定。 汽车起重机三维造型设计及运动仿真 6 （ 3）汽车起重机的安全性能应符合 gb6067-85起重机械安全规程的规定。 （ 4）汽车起重机的结构、机构、电气等的设计按 gb3811-83起重机设计规范的规定进行。 （ 5）汽车起重机整机稳定性应符合 gb6068.3-85汽车起重机和轮胎起重机试验规范稳定性的确定的规定。 （ 6）额定起重量表，起升高度曲线和性能参数标牌的要求及表示方法应符合jb4031-85汽车起重机和轮胎起重机标牌的 规定。 （ 7）起重机安全装置的设置和调试按 zbj80002-86汽车起重机和轮胎起重机安全规程的规定进行。 （ 8）汽车起重机性能指标应符合 zbj80003-87汽车起重机和轮胎起重机技术要求的规定。 （ 9）汽车起重机检验方法：按 jb/sq1-87汽车起重机和轮胎起重机产品质量分等，jb4030.3-85汽车起重机和轮起重机试验规范， gb6068.1-85汽车起重机和轮胎起重机试验规范一般要求， gb6068.2-85汽车起重机和轮胎起重机试验规范合格试验等标准规定进行。产品定型试验按 jb4030.1-85汽车起重机和轮胎起重机规范作业可靠性试验， jb4030.2-85汽车起重机和轮胎起重机试验规范行驶可靠性试验， gb6068.4-85汽车起重机和轮胎起重机试验规范结构试验等标准规定进行。 1.6 液压起重机的工作特点 起重机械是一种间歇的动作机械 ,它具有重复而短暂的工作特征，起重机在搬运物料时通常经历着上料、运送卸料级回到原处的过程，各工作机构在工作时作往复周期性运动。例如起升机构的工作有物品的升降和空载取物装置的升降所组成，运行机构的工作有负载空载时往复运动所组成。在起重 机械的每一个工作循环，即每搬运一次物品的过程中，其有关的工作机构都要做一次正向和反向的运动，起重机械与连续运输机械的主要区别就在于前者是以周期性的短暂往复工作循环运送物品而后者是长期连续单向的工作运送物品。从安全技术角度分析可概括如下： （ 1）起重机通常结构庞大，机构复杂，能完成起升运动，水平运动，如桥式起重机能完成起升，大车运动和和小车运行 3 个运动，门座起重机能完成起升变幅、回转和大车运行 4 个运动。在作业过程中常常是几个不同方向运动同时操作，技术难度较大。 （ 2）起重机吊运的重物多种多样，载荷是变化的， 有的重物达几百吨甚至上千吨，有的物体长达几十米，形状也不规则，有散粒热融状态，易燃易爆危险物品等，吊运过程中复杂而危险。 兰州交通大学毕业设计（论文） 7 （ 3）起重机有时需要直接运人员在导轨平台或钢丝绳上做升降运动，可直接影响人身安全。 （ 4）起重机械暴露的生活的部件较多，而常与吊运作业人员直接接触（如吊钩、钢丝绳等）潜在许多偶发的危险因素。 （ 5）起重机械作业中常常需要多人配合，共同进行，需要指挥捆扎，驾驶等作业人员配合熟练，动作协调，相互照应，作业人员应具备处理现场紧急情况的能力，多名作业人员之间的密切配合通常存在交大难度。 1.7 汽车起重机的 安全与限速 （ 1） 制动后锁紧 汽车起重机 换向阀 的阀芯与阀体之间多采用间隙密封，在其自身重力及起吊载荷重力的双重作用下，制动时高压油液常会通过换向阀阀芯与阀体之间的微小间隙缓慢泄漏，不能对各机构液压缸或液压马达实现有效地锁紧，因而极易发生吊重下降、吊臂内缩、幅度增大、支腿下沉的事故，轻则使汽车起重机无法正常工作，重则导致车辆倾覆、人员伤亡等恶性事故的发生。消除隐患的安全措施至少有以下 4 条。 在回油路中串联液压锁 ,液控单向阀的反向油路只有当其控制油路输入一定压力油液之后才可能连通。它是一种能对油路实现通断控制的开关元件，通常人们又称之为液压锁。将液压锁反向串接在液压缸（液压马达）的回油路中，并将其控制油路与液压缸（液压马达）的进油路相连，就能使回油路在制动状态下因控制油路无压力油作用而切断，对液压缸（ 液压马达 ）起到应有的锁紧作用。 液压锁的锁紧效果取决于阀芯形状和阀的结构型式。 阀芯如果 采用球阀式或滑阀式，其泄漏仍将是难免的，即油液有可能通过因阀芯冲击而产生的沟槽或阀芯与阀体间的间隙泄漏。因此，用在汽车起重机中的液压锁阀芯应该选用密封性能好的锥芯，即使长久使用也能保证滴油不漏。 根据汽车起重机的工况特点，应选用带有卸荷阀芯的 IY-F 型高压液压锁。 对支腿油路，有支撑锁紧和悬挂锁紧两项锁紧要求。根据不同油路，每个支腿可采用仅为一个液控单向阀、仅能起单向锁紧作用的单向液压锁，或由两个液控单向阀交叉连接而成的双向液压锁。一般采用的是后一种方案。每个支腿锁紧装置都必须独立设置。 在回油路中串联平 衡阀 ,平衡阀实质上是 单向阀 与外控内泄式顺序阀组合而成的组合阀，它在汽车起重机中的安装位置和锁紧原理与液压锁的完全相同，即安装在回油路中，制动后切断回油路。如果对油路无其他特殊要求，还是应尽量采用价格相对低的液压锁。 汽车起重机三维造型设计及运动仿真 8 提高液压元件的密封性 ,在油路中安装液压锁或平衡阀后，并不一定能完全保证机构制动后能锁紧， 液压缸 （液压马达）的密封性也是制约锁制效果的关键因素。 液压元件的漏油分内泄和外泄漏两种。液压缸内泄漏不易察觉，将导致支腿收放、吊臂伸缩及变幅 3 机构无法锁紧而发生下沉现象。因此，提高液压缸的密封效果，关键是解决发生在其内部的内泄漏问题。 一般来说，对汽车起重机液压缸内部的漏油量应严格限制。安全检查时，规定额定压力下活塞的移动距离为 10min 内不应大于 0.5min。超过此值，说明密封性能不好，要及时更换新的 Y 形圈。 吊重升降液压马达外抱制动器 ,欲使液压缸、液压马达长久地不产生内泄漏是很难察现的，其 密封件磨损后泄漏会在不知不觉中产生。这样，若锁紧牢固就只有安装制动器一种方法了，且只能在使吊重升降的液压马达上采用，其他的如对吊臂伸缩、变幅等则无法采用。 对吊重升降机构起作用的制动器实际上是一只小型的单杆 单作用液压缸 ，制动器为常闭式，制动力取决于缸内的弹簧力。为了获得理想的锁紧效果，当然希望弹簧力越大越好，但过大的弹簧力又会使制动器松闸能耗加大，所以外抱制动器是其锁紧方案的辅助手段。 （ 2） 运动中限 速 由于汽车起重机吊重升降、吊臂伸缩、吊臂变幅的行程都较长，机构或载荷下行过程中因重力作用而产生的加速现象也是一个比较突出的问题。汽车起重机限速通常采用以下两种方法。 在回油路中串联平衡阀 ,平衡阀的作用不但能锁紧，还能限速。当机构或载荷下降时，平衡阀内的顺序阀能借助阀芯的平衡作用，使液压缸（液压马达）的回油流量保持稳定状态，从而使液压缸（液压马达）保持均速运动。为了获得均匀的下降速度，设计系统时要注意两点：一是不能为了节省成本，就简单地用一般的单向阀与外控内泄漏式顺序阀并接组合来代替平衡阀。这是因为平衡阀 虽然也是单向阀与外控内泄漏式顺序阀的组合，但其顺序阀已经增加了双层弹簧、阻尼小孔等使阀芯减振的装置；二是平衡阀的控制油路要串联节流阀，以使顺序阀的阀芯动作 “迟滞 ”，不因外部压力的微小变化而使其速度有所改变。在限速方案中，使用平衡阀的效果是最理想的，是首选的方法。 用手动换向阀限速 ,在所有的换向阀中，只有手动换向阀在换向的同时，通过控制阀口开度的大小可以兼有限速和节流调速的作用。因此，当汽车起重机机构或载荷发生下行加速现象时，可通过驾驶员减小手动换向阀手柄的拉动程度来减小阀口开度的办法兰州交通大学毕业设计（论文） 9 加以解决。当然，由于驾 驶员手的抖动会使手动换向阀的限速效果不甚理想，但因为汽车起重机的装卸作业速度往往要根据施工现场的具体情况不断地调整，机构的运动常常为不连续的间歇作业，因此熟练驾驶员操纵手动换向阀还是能够收到一定限速效果的。 总之，对汽车起重机吊重升降、吊臂伸缩、吊臂变幅 3 机构既有锁紧又有限速要求，应当采用能同时满足锁紧和限速两项要求的平衡阀，再加以机械制动。 1.8 液压起重机在使用中注意的问题 液压起重机在使用过程中常碰到一个问题 这就是漏油内泄漏降低起重机的能力 , 外泄漏既降低起重机的工作能力又影响环境。对此除了 我国目前生产的密封元件不过关外 , 还有使用中存在的问题。本文想就此谈谈自己的看法。 （ 1）操作不当。我们一些吊车司机要么扳不动操纵手柄 , 要么用力过猛致使油缸和马达突然停止 ,液体的流向和速度突然改变 , 阀体和运动零件产至的惯性使液体瞬间产生比正常工作时高出数倍的压力 , 形成很高的压力冲击。这种压力冲击有可能超过油管的承压力和密封圈的静压人力 , 使管子破裂或密封圈损坏而漏油。 （ 2）液压油长期不更换。一些用户自购买液压吊以来 , 长期使用从不更换液压油直到漏油为止。由于工作元件的磨损液压油中存有磨屑 , 加速磨损 ,形成恶性循环 , 使密封件和活动部件失效。 （ 3）不分季节 , 不分外界气温高低长期使用同一种型号的液压油 , 造成在暑季因温度升高 , 致使液压油粘度降低。又恰在极限荷载下 , 因而致使密封件漏油。 （ 4）密封件长期不更换。有些用户自买来液压吊后一直不更换密封元件 , 致使密封件长期使用后逐渐老化变质而失去弹性。 （ 5）一些用户不了解液压元件装配工艺的要求 ,发现有漏油现象便全部拆开。以为跟机械式一样怎样拆下来怎样装上去 , 有的出于好奇 , 结果漏油处不仅没找到 , 原先不漏处反倒引起了漏油。 在使用液压吊时 , 操作阀体 一定要平稳 , 避免冲击 , 液压油在初使用一段时间后要更换 , 避免磨屑进人缸体 ； 要根据温升及时地更换液压油 , 要按规定时间更换密封元件( 一般固定件密封为 1000h , 运动件密封为 1500-2000h)。同时应尽量避免液压吊在高温下工作 , 以免橡胶老化 , 弹性减弱引起漏油。对于液压元件的漏油我们一定要弄清原因 ,局部拆开 , 不要处于好奇或盲目的全部拆开 , 要知道 , 液压元件都是较精密的元件。 汽车起重机三维造型设计及运动仿真 10 2 液压起重机的实体结构简介 2.1 汽车起重机的种类 汽车起重机的种类很多，其分类方法也各不相同，主要有 （ 1）按起重量分类 轻型汽车起重机（起重量在 5 吨以下），中型汽车起重机（起重量在 5-15 吨），重型汽车起重机（起重量在 5-50 吨），超重型汽车起重机（起重量在 50 吨以上）。近年来，由于使用要求，其起重量有提高的趋势，如已生产出 50-100 吨的大型汽车起重机。 （ 2）按支腿型式分 蛙式支腿、 x 型支腿、 h 型支腿。蛙式支腿跨距较短仅适用于较小吨位的起重机； x型支腿容易产生滑移，也很少采用； h 型支腿可实现较大跨距，对整机的稳定有明显的优越性，所以中国目前生产的液压汽车起重机多采用 h 型支腿。 （ 3）按传动装置的传动方式分 机械传动、电传动、液压传动三类。 （ 4）按起重装置在水平面可回转范围（即转台的回转范围）分 全回转式汽车起重机（转台可任意旋转 360）和非全回转汽车起重机（转台回转角小于 270）。 （ 5）按吊臂的结构形式分 折迭式吊臂、伸缩式吊臂和桁架式吊臂汽车起重机。 2.2 液压起重机的结构构造与工作过程 起重机主要包括起升机构、运行机构、变幅机构、回转机构和金属结构等。在现代电动起重机中，一台起重机的各个机构都是由独立的电动机分别驱动的。在内燃机为动力装置的起重机中，以往常采用机械集中驱动，即 1 台起重机装置 1 台柴油机，用机械式离合器和换向机构，实现动力和驱动的分配和控制。这种驱动结构复杂、操作不便，目前趋向于分别驱动。有两种方式实现分别驱动：一是由柴油机发电，再由各个电动机分别驱动各个机构。这种方法设备成本较高，但通过柴油机发的是直流电，直流电调速方便，工作平稳，适合于大功率和大型起重机，如大型汽车起重机、履带式起重机和浮式起重机。另一种常用的方式是采用液压传动，由柴油机驱动油泵供应高压油，由高压油再分别带动各机构的液压马达或液压缸。液压传动的起重机机构紧凑、调能性好、操作方，已广泛用于中小型汽车起重机和轮胎起 重机中。 （ 1）起升机构是起重机的基本工作机构，大多是由吊挂系统和绞车组成，也有通兰州交通大学毕业设计（论文） 11 过液压系统升降重物的。起重机中的的起升机构通常是以省力滑轮组作为执行机构的。起升机构的传动形式随机器房的布置要求而定，一般总是由电动机通过联轴器、齿轮减速器驱动卷筒。在高速轴上装有机械制动器，以便将货物安全的停止于悬空状态。 （ 2）运行机构用以纵向水平运移重物或调整起重机的工作位置，一般是由电动机、减速器、制动器和车轮组成。根据起重机工作要求，运行机构可以设计成工作性的运动，也可以设计成调整型的运动。虽然这两种运动在机构传动方 案方面没有显著差别，但工作性运动是带着起升载荷运行的，构成了起重机工作循环时间的一部分，影响起重机生产率，因此运动速度较高，机构功率也较大，机构接电时间率也较高，零部件计算要考虑动载荷，许多零部件还要核算疲劳寿命。调整性运动是调整起重机工作位置的运动，速度低，使用很少。 运行机构包括支撑运行装置及驱动机构两大部分。从运行装置看，它有轨运行、轮胎运行、履带运行及步行等各种方式。轮胎运行装置和驱动机构就是汽车罗类似汽车底盘的一套传动装置；履带运行装置和驱动机构与挖掘机相同；步行装置在起重机中很少应用。 （ 3）变 幅机构是改变臂架式起重机幅度的机构。变幅机构包括臂架系统和变幅传动系统。从变幅的原理看，变幅机构有两种类型：非平衡变幅和平衡变幅。非平衡变幅是依靠臂架绕其铰接点转动的方法改变起重机的幅度，因而当带着货物以大幅度向小幅度变化时伴随着货物的垂直上升，这就是变幅机构消耗较大的能量。由此可知，这种非平衡的方法不宜用于需经常带着货物变幅的场合，而只作非工作性的调整幅度运动。平衡变幅是采用起升滑轮组或专门设计的带关节连杆的臂架系统，变幅时，臂架所吊的货物基本上沿水平线运动。很显然这种变幅系统在变幅过程中所消耗的能量是较 小的，因此这种复杂的变幅系统适用于需要经常带载变幅的起重机中。 非平衡变幅机构通过刚绳滑轮组驱动臂架转动，其计算方法与一般起升机构类似，所不同的是：在变幅过程中钢丝绳的静拉力在较大的范围内变化，因而电动机的功率也因按这种变化的外力找出均方根力矩予以计算。 变幅机构的传动机构有两种形式：绳索滑轮组式及刚性连接杆。滑轮组式变幅机构的执行构件是绳索滑轮组，滑轮组的动滑轮组通过连杆或钢丝绳与臂架前端连接，滑轮组的定滑轮支承在塔架上。通过卷筒收绳或放绳，可是臂架绕下端转动，从而改变幅度。这种变幅机构的传动装置与起升机 构没有什么原则上的差异，只是在变幅过程中滑轮组的静拉力在很大范围内变化。传动机构的零件的静强度按最大静拉力计算，而零件疲劳或寿命计算以及电动机的功率计算应该考虑变幅过程中力的变化，这点与起升机构是不汽车起重机三维造型设计及运动仿真 12 同的。 （ 4）回转机构包括回转支承装置和回转驱动机构；驱动机构的形式与支承装置的形式有一定的关系。回转起重机的回转支承方式有定柱式、转柱式、转盘式等几种。 （ 5）金属结构是指由轧制的型钢或钢板作为基本元件，按照一定的结构组成规则用螺栓、铆接或焊接的方法连接起来，用于承受载荷的结构物。 起重机金属结构的种类繁多，对 它们进行分类，目的是区别各种不同的金属结构类型，找出其共同特点，便于设计和计算。按照金属结构基本元件的特点，起重机金属结构可分为杆系结构和板结构。 杆系结构由许多杆焊接而成，每根杆的特点是长度方向尺寸大，而断面方向尺寸较小。板结构由薄板焊接而成。薄板的特点是长度和宽度方向尺寸较大，而厚度很小，所以板结构又称薄壁结构。杆系结构和板结构是起重机金属结构中最常用的结构形式。 按起重机金属结构的外形不同，分为门架结构、臂架结构、车架结构、转柱结构、塔架结构等。这些结构可以是杆系的，亦可以是板梁结构。门架结构包括门式 起重机的门架、门式起重机的支腿及平衡重式叉车的门架等。 按照金属结构的连接方式不同，起重机金属结构分为铰接结构、钢接结构和混合结构。 铰接结构中，所有节点都是理想铰，实际的起重机金属结构真正用铰连接的是极少见的。通常在杆系结构中，若杆件主要承受轴向力，而弯矩很小时，称之为铰接结构。起重机金属结构中常用的椼架结构，在设计中视为铰接结构。 钢接结构构件间的节点连接比较刚劲，在外载荷的作用下，节点各构件之间的相对家教不会变化。钢接结构点承受较大的弯矩，而不像铰接结构的节点认为不承受弯矩。 混合结构各构件之间的节点 ，既有铰接的，又有钢接的。混合结构又称为椼构结构。 根据金属结构构建的截面形状可分为实腹式组合截面和格构式组合截面。 按照金属结构本身的受力情况可分为轴心受拉和轴心受压构件、受弯构件、拉弯构件和压弯构件、受扭构件、弯扭构件和其他复合受力构件等。 起重机金属结构的设计和计算是与金属结构本身的工作级别紧密相连的。起重机结构的工作级别与结构的使用等级和应力状态有关，它是表明结构工作繁重程度的参数。 金属结构是起重机的骨架部分，为了保证起重机安全、可靠、正常的工作，起重机的金属结构部分必须具有足够的强度、刚度和稳定 性。 起重机金属结构的计算原则是在对起重机各种载荷和三类组合载荷分析的基础上，按照许用应力法对结构构件从强度、刚度和稳定性等方面进行设计和校核。也就是在材兰州交通大学毕业设计（论文） 13 料的弹性范围内，使外载荷在结构及连接接头中产生的应力和变形不超过结构及连接接头的强度、刚度和稳定性所要求的许用应力值和许用变形值。 (6)起重臂里面的下面有一个转动卷筒，上面绕钢丝绳，钢丝绳通过在下一节臂顶端上的滑轮，将上一节起重臂拉出去，依此类推。缩回时，卷筒倒转回收钢丝绳，起重臂在自重作用下回缩。 2.3 汽车起重机底盘类型 汽车底盘从总的性能上课分 为：通用性汽车底盘、专用型汽车底盘、专用轮胎底盘。 （ 1）通用型汽车底盘是指除车架更换外，其余皆采用原汽车底盘。小型的起重机可在原汽车底盘上附加副车架以支撑上车结构，因为原汽车车架的强度和刚度都满足不了起重机在起重时的要求。虽然采用附加副车架的工艺比较简单，但整个起重机的重心较高，重量较大。 （ 2）专用型汽车底盘轴距长，车架刚性好。专用汽车底盘驾驶室有三种布置：一是与通用汽车一样的正置平头式驾驶室，二是偏置的偏头式驾驶室，三是前悬下沉式的驾驶室。这种起重机在行驶时可将吊臂放在驾驶室旁侧，使整车重心降低，但驾 驶室视野不良。因驾驶室悬挂在前桥前，故前桥轴荷较大，同时使车身增长，接近角减小，通过性较差。 （ 3）专用的轮胎底盘短轴距、全轮驱动，甚至全轮转向。 汽车起重机三维造型设计及运动仿真 14 3 起重机的实体结构设计 3.1 钢丝绳的计算 （ 1）钢丝绳的选择 因为在起升过程中，钢丝绳的安全性至关重要，所以要保证钢丝绳的使用寿命，为此，我们可以采用以下措施： 高安全系数，也就是降低钢丝绳的应力 选用较大的滑轮与卷筒直径 滑轮槽的尺寸与材料对于钢丝绳的寿命有很大的关系，其太大会使钢丝绳与滑轮接触面积减小，太小会使钢丝绳与槽壁间的摩擦剧烈，甚 至会卡死。 尽量减少钢丝绳的弯曲次数。 钢丝绳： 6+19w+1，表面工艺自然型，级别为 1570Mpa，钢丝绳的捻绕次数：双绕绳，钢丝绳的捻制方法：交绕绳，钢丝绳的股的形状：圆形股。 （ 2）钢丝绳的破断拉力计算 bibi nFndS 4 2m a x maxS 钢丝绳的破断拉力（ N） id 钢丝绳中每一根钢丝绳的直径（ mm） n 钢丝绳中钢丝的总根数 b 钢丝绳中钢丝的抗拉强度（ Pa） iF 钢丝绳中钢丝的总段面积（ 2mm ） 钢丝绳中钢丝的搓捻不均匀引起的受载 不均匀系数 kNS 4.654 95.01017501140007.014.3 32m a x 则钢丝绳的允许拉力为： kNkNKSp 9.1064.65m ax 选用钢丝绳直径： 9.2mm 3.2 卷筒的设计 （ 1）卷筒的尺寸 卷筒的直径： mmdD 276)3025( 兰州交通大学毕业设计（论文） 15 取 D=300，查表 t=11，槽底半径 r=5mm 卷筒的长度： ih LtZDHiL 4200 H 起重机最大起升高度 hi 滑轮组倍率 0Z 附加安全系数 取 20 Z iL 卷筒不切槽部分长度，取其等于吊钩组动滑轮的间距具体设计只有一个动滑轮、无间距，特此 mmL 6.51816011422.30914.3 25 0 0 02 取 L=600mm （ 2）卷筒壁厚 mmd 1612)106(30002.0)106(02.0 取 d=15mm （ 3）卷筒壁压应力计算 适应灰铸铁 HT200，最小抗拉强度 MPaSb 195 许用压应力 yy max 抗拉强度足够 卷筒的弯矩发生在钢丝绳位于卷筒中间时 mmNLLSM iW 2 3 9 8 0 0 02 160600109002m ax 卷筒端面系数 34444 928530300 2703001.01.0 mmD DDW i D 卷筒外径 D=300mm mmALi 160M P aSby06.66011.0015.0 10900m axm ax M P anrby 1305.1195 汽车起重机三维造型设计及运动仿真 16 iD 卷筒内经 mmdD 2701523002 于是： M P aWM wi 58.29 2 8 5 3 02 3 9 8 0 0 0 合成应力： 6.2006.661305.3558.2m a x yyiii 许用拉应力 M P an bi 5.3535195 所以 ii 卷筒强度计算通过，故此卷筒直径 D=300，长度 L=600mm 卷筒槽型的槽底半径 r=5mm，绳槽尺寸 t=11mm，倍率 hi =2 （ 4）卷筒心轴的计算 由前述可以知道卷筒的名义直径 D=300mm，螺旋节距 t=11，卷筒长度 L=600mm， 壁厚为 d=15mm， 钢丝绳收到的最大拉力为：maxS=10.9kN 轴的设计：确定最小直径，选取设计系数 A=115mm，可得 3503.358.27 786.0115 33m i n npAd P 卷筒心轴功率 p=0.786kW n 卷筒心轴转数 n=27.8r/min 3.3 绳端固定装置计算 绳索卷筒的表面有光面和螺旋槽的两种，光面的多用于多层卷筒钢丝绳的卷筒，其构造比较简单，绳索按螺旋形紧密接触面积增大从而降低单位压力，此外绳索节距大于绳索直径，绳之间有一 定的间隙，工作时不会彼此摩擦，可以延长钢丝绳的使用寿命。 螺旋槽有浅槽（标准槽）和深槽两种。一般情况，多采用标准槽，因此其节距比深槽的短，所以绳槽圈数相同时，标准槽的卷筒工作长度比深槽的短，但是，如果钢丝绳绕入卷筒的偏角较大，或对于在使用过程中钢丝绳有脱槽的危险时，为避免钢丝绳脱槽或乱绕，可以用绳槽卷筒。 根据钢丝绳直径为 9.2mm，选择压板固定装置，并将压板的绳槽改用 b=梯形槽，双头螺柱的直径 M=16。 兰州交通大学毕业设计（论文） 17 4 汽车起重机运动仿真 4.1 运动仿真的意义 随着计算机三维影像技术的不断发展，三维图形技术越 来越被人们所看重。 三维动画因为它比平面图更直观，更能给观赏者以身临其境的感觉，尤其适用于那些尚未实现或准备实施的项目，使观者提前领略实施后的精彩结果。 三维动画的优点在于，只要你想得到，你就可以做得到。 用来做机械演示最大好处，不受任何外界条件的影响，比如场地，电力，不产生其他额外费用，不会出现一些意外的故障，可以多角度直观的为观者介绍工作原理，也可以给局部位置特写等等。 4.2 Solid works 软件特点 Solid works 软件功能强大，组件繁多。 Solid works 功能强大、 易学易用和技术创新是 Solid Works 的三大特点，使得 Solid Works 成为领先的、主流的三维 CAD 解决方案。 Solid Works 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。Solid Works 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。 对于熟悉 微软 的 Windows 系统的用户，基本上就可以用 Solid Works 来搞设计了。Solid Works 独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。 Solid Works资源管理器 是同 Windows 资源管理器一样的 CAD 文件管理器，用它可以方便地管理CAD 文件。使用 Solid Works ，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。 在目前市场上所见到的三维 CAD 解决方案中， Solid Works 是设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司 Daratech 所评论：“在基于 Windows 平台的三维CAD 软件中， Solid Works 是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。” 在强大的设计功能和易学易用的操作（包括 Windows 风格的拖 /放、点 /击、剪切 /粘贴）协同下，使用 Solid Works ，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。 （ 1） 全动感用户界面 只有 Solid Works 才提供了一整套完整的动态界面和鼠标拖动控制。“全动感的”的用户界面减少设计步骤，减少了多余的对话框，从而避免了界面的零乱。 崭新的属性管理员用来高效地管理整个设计过程和步骤。属性管理员包含所有汽车起重机三维造型设计及运动仿真 18 的设计数据和参数，而且操作方便、界面直观。 用 Solid Works 资源管理器 可以方便地管理 CAD 文件。 Solid Works 资源管理器是唯一一个同 Windows 资源器类似的 CAD 文件管理器。 特征模版为标准件和标准特征，提供了良好的环境。用户可以直接从特征模版上调用标准的零件和特征，并与同事共享。 Solid Works 提供的 Auto CAD 模拟器，使得 Auto CAD 用户可以保持原有的作图习惯，顺利地从二维设计转向三维实体设计。 （ 2）配置管理 配置管理是 Solid Works 软件体系结构中非常独特的一部分，它涉及到零件设计、装配设计和工程图。配置管理使得你能够在一个 CAD 文档中，通过对不同参数的变换和组合，派生出不同的零件或装配体。 （ 3） 协同工作 Solid Works 提供了技术先进的工具，使得你通过互联网进行协同工作。 通过 e Drawings 方便地共享 CAD 文件。 E Drawings 是一种极度压缩的、可通过电子邮件 发送的、自行解压和浏览的特殊文件。 通过三维托管网站展示生动的实体模型。三维托管网站是 Solid Works 提供的一种服务，你可以在任何时间、任何地点，快速地查看产品结构。 Solid Works 支持 Web 目录，使得你将设计数据存放在互联网的文件夹中，就像存本地硬盘一样方便。 用 3D Meeting 通过互联网实时地协同工作。 3D Meeting 是基于 微软 Net Meeting的技术而开发的专门为 Solid Works 设计人员提供的协同工作环境。 （ 4） 装配设计 在 Solid Works 中，当生成新零件时，你可以直接参考其他零件并保持这种参考关系。在装配的环境里，可以方便地设计和修改零部件。对于超过一万个零部件的大型装配体， Solid Works 的性能得到极大的提高。 Solid Works 可以动态地查看装配体的所有运动，并且可以对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测。 用智能零件技术 自动完成重复设计。智能零件技术是一种崭新的技术，用来完成诸如将一个标准的螺栓装入螺孔中，而同时按照正确的顺序完成垫片和螺母的装配。 镜像部件是 Solid Works 技术的巨大突破。镜像部件能产生基于已有零部件（包括具有派生关系或与其他零件具有关联关系的零件）的新的零部件。 兰州交通大学毕业设计（论文） 19 Solid Works 用捕捉配合的智能化装配技术，来加快装配体的总体装配。智能化装配技术能够自动地捕捉并定义装配关系。 （ 5） 工程图 Solid Works 提供了生成完整的、车间认可的详细工程图的工具。工程图是全相关的，当 你修改图纸时，三维模型、各个视图、装配体都会自动更新。 从三维模型中自动产生工程图，包括视图、尺寸和标注。 增强了的详图操作和剖视图，包括生成剖中剖视图、部件的 图层 支持、熟悉的二维草图功能、以及详图中的属性管理员。 使用 Rapid Draft 技术，可以将工程图与三维零件和装配体脱离，进行单独操作，以加快工程图的操作，但保持与三维零件和装配体的全相关。 用交替位置显示视图能够方便地显示零部件的不同的位 置，以便了解运动的顺序。交替位置显示视图是专门为具有运动关系的装配体而设计的独特的工程图功能。 Solid works 系统自带的标准件库，其包含螺栓，螺母，螺钉，螺柱，键，销，垫圈，挡圈，密封圈，弹簧，型材， 法兰 等常用零部件，模型数据可被直接调用。 （ 6） 零件建模 Solid Works 提供了无与伦比的、基于特征的实体建模功能。通过拉伸、旋转、薄壁 特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等操作来实现产品的设 计。 通过对特征和草图的动态修改，用拖拽的方式实现实时的设计修改。 三维草图功能为扫描、放样生成三维草图路径，或为管道、电缆、线和管线生成路径。 （ 7） 曲面建模 通过带控制线的扫描、放样、填充以及拖动可控制的相切操作产生复杂的曲面。可以直观地对曲面进行修剪、延伸、倒角和缝合等曲面的操作。 （ 8） 钣金设计 Solid Works 提供了顶尖的、全相关的钣金设计能力。可以直接使用各种类型的 法兰 、薄片等特 征，正交切除、角处理以及边线切口等钣金操作变得非常容易。用户化Solid Works 的 API 为用户提供了自由的、开放的、功能完整的开发工具。 开发工具包括 Microsoft Visual Basic for Applications (VBA)、 Visual C+，以及其他支持 OLE 的开发程序。 （ 9） 帮助文件 Solid Work 配有一套强大的、基于 HTML 的全中文的帮助文件系统。包括超级文汽车起重机三维造型设计及运动仿真 20 本链接、动画示教、在线教程、以及设计向导和术语。 4.3 实体结构设计 （ 1） 汽车底盘的设计 图 4.1 选择专用的汽车底盘，长轴距，刚性好。 驾驶室的放置选择正置平头式驾驶室。 （ 2） 起重机下车的设计 图 4.2 兰州交通大学毕业设计（论文） 21 （ 3） 车头的设计 图 4.3 （ 4） 转向架的设计 图 4.4 汽车起重机三维造型设计及运动仿真 22 （ 5）轮胎的设计 图 4.5 （ 6）液压支腿的设计 图 4.6 H 式支腿如图 6 所示，此支腿外伸距离大，每一支腿都有一液压缸，一个水平的 (或略带倾斜的）、一个垂直的支承液压缸，支腿外伸后呈 H 形。为保证足够的外伸距离，左右支腿相互叉开。 H 式支腿对地面适应性好，易于调平。 兰州交通大学毕业设计（论文） 23 （ 7）吊臂液压缸的设计 图 4.7 （ 8）卷筒的设计 图 4.8 卷筒的形状一般为圆柱形，有特殊要求的卷筒也可制成圆锥形和曲线形的。选择卷筒为多层卷绕的圆柱形卷筒，材料为 HT200 汽车起重机三维造型设计及运动仿真 24 （ 9）吊臂的设计 图 4.9 其根部与回转平台由水平销轴相连接，可以在垂直平面内自由转动。在基本臂的的后半部支承着变幅液压缸。 （ 10）吊钩的设计 图 4.10 按形状分吊钩有单钩和双钩、长钩和短钩。在此选择单钩。 兰州交通大学毕业设计（论文） 25 （ 11）支架的设计 图 4.11 （ 12）总装配体 图 4.12 汽车起重机三维造型设计及运动仿真 26 4.4 关于 simulation 的简介 从 SolidWorks2009 开始，其著名的 FEA 软件 COSMOSWorks 改名为 SolidWorks Simulation。其为了体现设计仿真一体化的解决方案，在无缝集成界面做了创造性的改变，将仿真界面，仿真流程无缝融入到 SolidWorks 的设计过程中。 SolidWorks Simulation 的仿真向导，包含以下顾问向导：算例顾问、性能顾问、约束和载荷顾问、连接顾问、结果顾问。 主要分析功能： （ 1） 系统及部件级分析 以 FEA 为例， 为了实现有价值的分析，设计的几何部件会需要不同的单元类型，实体、壳、梁、杆进行离散。而且需要充分考虑装配体间的连接关系和接触关系。 其中连接关系的处理尤其重要，涉及到螺栓连接、销钉连接、弹簧、点焊、轴承等非常复杂的连接关系。 （ 2） 多领域的全面分析 任何一个产品决计不能仅考虑静强度，必须考虑多领域的问题，比如静强度、动强度、模态、疲劳、 参数优化 等。图 5 展示了在统一界面下产品的多领域分析。 （ 3） 面向设 计者的多场耦合 热 -结构、流体 -结构、多体动力学 -结构等多场分析是目前分析中的一个重要发展方向，他可以解决非常复杂的工程问题。 （ 4） 特殊行业及领域的需求 面对很多行业有很多特殊需求，因此需要特殊的 CAE 模块。例如面对压力容器，需要符合 ASME 标准的压力容器校核工具；面对电子和消费品领域，需要解决跌落分析的能力。 （ 5） 高级分析需求 面对日益复杂的使用环境，必须考虑复合材料、材料非线性、高级机械振动、非线性动力学等高级分析的需求。 SolidWorks Simulatio 是一个与 SolidWorks 完全集成的设计分析系统。 SolidWorks Simulation 提供了单一 屏幕 解决方案来进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析。 SolidWorks Simulation 凭借着快速解算器的强有力支持，使得您能够使用 个人计算机 快速解决大型问题。 SolidWorks Simulation 提供了多种捆绑包，可满足您的分析需要。 SolidWorks Simulation 节省了搜索最佳设计所需的时间和精力，可大大缩短产品上兰州交通大学毕业设计（论文） 27 市时间。 SolidWorks SimulationXpress 为 SolidWorks 用户提供了一个容易使用的初步应力分析工具。 SimulationXpress 通过在计算机上测试您的设计而取代昂贵并费时的实地测试可帮助您降低成本及上市时间。 例如，您可能要检查向水龙头施加的力的效果。 SimulationXpress 仿真设计周期，并提供应力结果。它还会显示水 龙头的临界区域以及各区域的安全级别。根据这些结果，您可以加强不安全区域，并去掉超安全标准设计区域的材料。 SimulationXpress 使用的 仿真技术 与 SolidWorks Simulation 用来进行应力分析的技术相同。 SolidWorks Simulation 的产品系列可 提供更多的 高级 仿真功能。SimulationXpress 的向导界面采用了所有 Simulation 界面的内容，可一步步指导您指定夹具、载荷、材料，进行分析和查看结果。结果的准确度取决于夹具、载荷和材料属性。要使结果有效，指定的材料属性必须准确描述零件材料，夹具与载荷也必须准确描述零件的工作条件。 SimulationXpress 支持对单实体的分析。但它不支持装配体、多实体零件或曲面实体 。 4.5 吊臂静态应力分析 汽车起重机三维造型设计及运动仿真 28 图 4.13 图 4.14 图 4.15 兰州交通大学毕业设计（论文） 29 图 4.16 图 4.17 汽车起重机三维造型设计及运动仿真 30 图 4.18 图 4.19 4.6 关于 solidworks motion 的简介 SolidWorks Motion 在 SolidWorks 环境下轻松模拟液体和气体的流动状况 兰州交通大学毕业设计（论文） 31 SolidWorks Motion 是一款强大的计算流体力学 (CFD) 工具。在那些液流、热传递和流体力间的交互作用决定设计成败的设计中，您可以使用该工具快速轻松地模拟这三种因素。 （ 1） 使用范围广泛的物理模型和功能： 分析零部件内部的流动或零部件外部的流动，或者综合分析内部流动 和外部流动。 结合流体分析和热分析，同时包括自然对流和强制对流、传导和辐射。 让 SolidWorks Motion 确定最佳尺寸或满足力、压差或速度等目标的入口和出口条件。 包含孔隙、气穴和湿度等复杂效果。 解决涉及非牛顿流体（例如，血液和塑料）的流动问题。 使用旋转坐标系模拟叶轮的旋转并研究流体在叶轮中如何流动。 （ 2）充分利用现实操作条件的无限组合： 应用入口速度、压力、质量流速或体积流速和风扇。如果涉及多种流体，还可以应用质量比或体积比。 通过应用平面热源或体积热源、指定自然对流 或强制对流或加入太阳辐射，模拟温度变化。 使用散热器模拟程序研究散热器对电子元件的影响。 跟踪流体中悬浮颗粒的行为。 应用随时间和坐标变化的边界条件和热源。 （ 3） 使用强大而且直观的结果可视化工具，获取有价值的分析信息： 使用剖面图解研究结果数值的分布情况，包括速度、压力、漩涡、温度和质量比。 使用点参数工具测量任何位置的结果。 按照任何 SolidWorks 草图绘制不同的结果。 列出结果并自动将数据导出到 Microsoft Excel。 使用动态显示条纹、 3D 箭头、管道或球 面，以分析模型内部或周围的流动轨迹。 SolidWorks Motion 对零件和装配体进行虚拟测试和分析模拟稳态热传导和具有时变性输入的瞬态热传导。 利用形状优化技术最大限度减少设计中使用的材料或所用材料的重量。 研究物体从不同高度及方向掉落时的应力、速度及加速度。 根据从测试或 SolidWorks Motion 中获得的峰值载荷，估算关键零部件的寿命。 除了 SolidWorks Motion 软件包含的设计模拟功能之外， SolidWorks Motion 还提供了可汽车起重机三维造型设计及运动仿真 32 以完成虚拟测试环境和优化实证设计的工 具。 （ 2）研究并优化各种大小的装配体： 评估接触零件之间的各种力和应力，包括摩擦力。 接合具有间隙或缝隙的零部件，无需进行修改。 应用轴承载荷、力、压力及转矩。 使用接头或虚拟扣件对螺栓、销钉、弹簧和轴承建模。 使用自定义网格诊断工具（包括网格过渡和局部网格控制）对零件和装配体进行网格划分 SolidWorks 根据要求自动细化和 /或粗糙化网格，以生成精确的解决方案。 （ 3）了解温度变化对零件和装配体的影响： 研究传导、对流及辐射热传递。 利用各向同性材料、正交各向异性材料及随温度 变化的材料的属性。 模拟设计中的振动或扭曲： 分析振动的或不稳定的模式如何缩短设备寿命并导致意外故障。 评估外部载荷导致的硬化对频率响应或扭曲响应的影响。 （ 4） 优化关键尺寸和概念设计特征： 自动优化设计以实现最小的质量或体积以及扭曲和频率目标。 研究在静态分析、热分析、频率分析或扭曲分析中所有的 SolidWorks 尺寸。 利用趋势跟踪器和设计洞察力图解在工作时做出最优更改。 （ 5）使用您的零件或装配体模拟掉落测试： 孤立最不利方向，以支持物理测试。 观察撞击后装配体中各个零件间的 交互作用。 研究循环荷载对产品寿命的影响。 观察疲劳对零件或装配体的影响，确定它持续的时间以及对设计进行哪些方面的更改可延长零件或装配体的工作寿命： 检查系统的预期寿命或在指定数量的周期后的累积损坏。 导入从真实物理测试获得的载荷历史数据，从而定义载荷事件。 （ 6）检查压力容器规范是否符合所需标准： 根据应用程序要求，对各种结构载荷和热载荷进行组合。 线性化任何横截面上的应力 SolidWorks Motion 提供了多款强大的工具，扩展了功能，让您可以研究更多的零件和装配体测试和运行环境。模拟 您的设计在现实条件中的反应变得更加容易。使用兰州交通大学毕业设计（论文） 33 SolidWorks Motion 中功能完备的工具套件，面对非线性和动态性占绝对主导地位的现实世界，您可以减少设计中的假设成分。 SolidWorks Motion 面向所有专业设计人员的综合性模拟工具，研究涉及到大变形或对载荷放置和方向的更改的非线性问题、模拟 O-环和密封等弹性体的响应、生成图解，说明指定位置处由时变载荷引起的随时间（动态响应）变化发生的转换、验证复合材料的性能，包括刚度和铺层缺陷结果。 SolidWorks Motion 这些附加功能包括一套强大 的工具，可以模拟非线性和动态响应以及复合材料。利用 SolidWorks Motion 您可以自信地设计用于各种环境中的更好产品。 （ 7）捕获大位移对您的设计的影响： 分析大的变形和更改对载荷与约束的影响。在线性模拟和非线性模拟之间轻松转换。 研究非线性扭曲和翘曲事件。 （ 8）模拟使用非线性材料制造的产品： 利用橡胶、硅树脂及其他弹性体等超弹性材料优化设计。 进行弹塑性分析，以研究屈曲和塑料变形。 分析不同温度下的蠕变效果及材料变化。 （ 9）对零件及装配体进行动态分析： 模拟时间历史记录载荷、稳态谐 波输入和随机振动激励。 使用匀速运行系统和多点运动系统，对具有不均匀支撑激励的结构进行建模。 输入随机振动分析中的力激励曲线。 研究随时间变化的应力、位移、速度及加速度，以及应力、位移、速度及加速度的 RMS 及 PSD 值。 （ 10）模拟复合材料： 通过模拟以充分利用这些为越来越多的产品（从消费品到高级航空结构件）所采用 的高级材料。 研究多层外壳实体，以分析每一层的各向同性或正交各向异性材料属性、厚度和方向。 使用创新的界面，以直接在您的 SolidWorks 模型上动态地控制和 显示铺层角度。 使用夹层和石墨或碳素纤维复合材料（例如蜂窝型材料和多孔泡沫） 汽车起重机三维造型设计及运动仿真 34 4.7 关于吊臂吊钩的有限元分析 吊臂的分析 图 4.20 吊臂的速度随时间变化的曲线 图 4.21 吊臂的线性位移随时间变化的曲线 图 4.22 吊臂的加速度随时间变化的曲线 兰州交通大学毕业设计（论文） 35 伸缩臂的分析 图 4.23 伸缩臂线性位移随时间变化的曲线 图 4.24 伸缩臂的速度随时间变化的曲线 图 4.25 伸缩臂的加速度随时间变化的曲线 汽车起重机三维造型设计及运动仿真 36 吊钩的分析 图 4.26 吊钩的线性位移随时间变化的曲线 图 4.27 吊钩的速度随时间 变化的曲线 图 4.28 吊钩的加速度随时间变化的曲线 兰州交通大学毕业设计（论文） 37 总 结 通过此次毕业设计，我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，使自己在专业知识方面和动手能力方面有了质的飞跃。 毕业设计是我作为一名学生即将完成学业的最后一次作业，他既是对学校所学知识的全面总结和综合应用，又为今后走向社会的实际操作应用铸就了一个良好开端，毕业设计是我对所学知识理论的检验与总结，能够培养和提高设计者独立分析和解决问题的能力；是我在校期间向学校所交的最后一份综和性作业，从老师的 角度来说，指导做毕业设计是老师对学生所做的最后一次执手训练。其次，毕业设计的指导是老师检验其教学效果，改进教学方法，提高教学质量的绝好机会。 毕业的时间一天一天的临近，毕业设计也接近了尾声。在不断的努力下我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的大概总结，但是真的面对毕业设计时发现自己的想法基本是错误的。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识太理论化了，面对单独的课题的是感觉很茫然。自己要学习的东西还 太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提大学本科的学习生活即将结束。在此，我要感谢所有曾经教导过我的老师和关心过我的同学，他们在我成长过程中给予了我很大的帮助。 汽车起重机三维造型设计及运动仿真 38 致 谢 本次毕业设计历时两个多月，从选题、开题报告的撰写到查阅相关资料、零件图建模、装配体的形成、完成说明书，其间每一过程都得到指导教师刘晓琴老师的悉心指导，刘老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从开题报告的撰写到 查阅资料，设