（机械电子工程专业论文）基于ansys的随车起重机吊臂结构的优化原理与方法研究.pdf

摘要 随着计算机技术与工业经济的迅速发展，现代设计方法的运用越来越广泛。 今天的很多企业和设计部门已普遍采用有限元方法，对产品进行生产过程的数 值模拟、优化设计等研究。对产品进行有限元分析，可以缩短产品的研发周期， 减少产品的成本费用，提高企业的生产效率和竞争力，具有重要的社会意义和 经济意义。 本文以某随车起重机的基本臂结构为研究对象，以a n s y s l l 0 为工具，先 对基本臂结构进行了参数化建模，并在网格划分和约束载荷加载的基础上进行 了有限元结构静力分析，验证了结构的安全性和优化设计的必要性。 本文提出了随车起重机优化设计的新思路：可以先在基本臂工况下通过优 化设计来确定基本臂截面的尺寸和壁厚，其余各节臂的截面尺寸可以根据它们 之间的间隙来确定，然后再由全伸臂工况来确定其它节臂的壁厚。在对基本臂 进行优化设计的过程中，选择吊臂的截面尺寸为设计变量，吊臂的许用应力为 状态变量，吊臂的重量为目标函数，运用一阶优化方法对基本臂进行优化设计。 结果表明优化后的结果达到了预期的目标，既保证了基本臂结构的强度和刚度， 质量也有所下降，结构更为合理，整体性能有所提升。 全文共分为六章，第一章阐述了本文的研究背景和研究对象，对有限元软 件a n s y s 进行了介绍；第二章对随车起重机的结构形式进行了概述，确定了吊 臂结构的优化方案；第三章对基本臂进行了有限元结构静力分析；第四章对基 本臂截面尺寸进行了有限元优化设计；第五章介绍了基于a n s y s 的有限元参数 化语言a p d l ，并运用a p d l 参数化语言对基本臂进行了结构静力分析和优化设计， 验证了有限元参数化优化设计的可靠性和高效性；第六章对全文的工作进行了 总结，并对以后的研究进行了展望。 关键词：a n s y s ，吊臂，截面，优化设计，参数化 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n di n d u s t r i a le c o n o m y , t h e m o d e r nd e s i g ni su s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y n o w a d a y s ，m a n ye n t e r p r i s e sa n dd e s i g n d e p a r t m e n th a v eu s e df i n i t ed e m e n tm e t h o dw i d e l yo i lt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s s i m u l a t i o no fp r o d u c t ，o p t i m i z a t i o nd e s i g na n ds oo n f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h e p r o d u c t ，c a l l s h o r t e nt h e d e v e l o p m e n tc y c l e so fp r o d u c t ，r e d u c et h ec o s t s ，i m p r o v e p r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dc o m p e t i t i v e n e s s ，h a si m p o r t a n ts o c i a ls i g n i f i c a n c ea n d e c o n o m i cs i g n i f i c a n c e t h es t u d yo ft h i sp a p e ri sf i r s ta r l ns t r u c t u r eo ft h et r u c kc r a n e t h ea r mo fb a s i c s t r u c t u r ei sm o d e l e db yp a r a m e t r i cw i t ha n s y sa sat 0 0 1 t h es t r u c t u r eo ff i n i t e e l e m e n ts t a t i ca n a l y s i si sb a s e do nm e s hg e n e r a t i o na n dl o a dc o n s t r a i n t s ，w h i c ht o v e r i f yt h es a f e t yo fs t r u c t u r a ld e s i g na n dt h en e c e s s i t yo fo p t i m i z a t i o n i nt h i sp a p e r a ni d e aa b o u to p t i m a ld e s i g no ft r u c kc r a n ei sp r o p o s e d ：w ec a nf i r s t d e t e r m i n et h eb a s i ca r n ls e c t i o na n dw a l lt h i c k n e s sb yo p t i m i z a t i o no nb a s i ca l t n c o n d i t i o n ，s e c o n d l yt h ea r l ns e c t i o ns i z eo f t h er e m a i n i n gs e c t i o n sc a l lb ed e t e r m i n e d b yt h eg a pb e t w e e nt h e m ，a tl a s tw ed e t e r m i n et h et h i c k n e s so fo t h e rs e c t i o n so na l l o u t r i g g e r sc o n d i t i o n i nt h ep r o c e s so ft h eo p t i m i z a t i o no fb a s i ca r n l ，w es e l e c ts e c t i o n s i z eo ft h ec r a n ea st h ed e s i g nv a i l a b l e s ，s e l e c ta l l o w a b l es t r e s sf o rt h eb o o ma st h e s t a t e v a r i a b l e s ，s e l e c tt h ec r a n e sw e i g h ta st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n ，c a r r yo u tt h e o p t i m i z a t i o no nt h eb a s i ca r l nu s i n gt h ef i r s to r d e r t h er e s u l t so fo p t i m i z e ds h o wt h a t t h ed e s i r e do b j e c t i v er e s u l t sh a v eb e e na c h i e v e d ，t h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s so fb a s i c a r ms t r u c t u r eh a sb e e ng u a r a n t e e d ，t h eq u a l i t yh a sb e e nd e c l i n e d ，t h es t r u c t u r ei sm o r e r e a s o n a b l e ，a n dt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eh a sb e e ni m p r o v e d 1 i t h i sp a p e ri sd i v i d e di n t os i xc h a p t e r e s ，t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e sb a c k g r o u n d o ft h er e s e a r c h ，a n dd i s e r i b e st h ef i n i t ed e m e n ts o f t w a r ea n s y s ；t h es e c o n dc h a p t e r d e s c r i b e st h es t n j d 眦eo ft h ec r a r l ea n dd e t e r m i n et h eo p t i m a la n dd e s i g no ft h ec r a n e ； t h et l l i r dc h a p t e rm a k e st h ef i n i t ee l e m e n ts t a t i cs t m c t u r a la n a l y s i so fb a s i c - a r m ；t h e f o u r t hc h a p t e rm a k e st h ef i n i t ed e m e n to p t i m a ld e s i g no ft h eb a s i ca r m ；t h ef i f t h c h a p t e ri n t r o d u c e st h ep a r a m e t e rd e s i g nl a n g u a g ea p d lb a s e d o na n s y si n p a r t i c u l a r , a n dm a k e st h es t a t i ca n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nd e s i g no f t h ec r a n ew i t l l a p d l ，w h i c hp r o v e st h er e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo fo p t i m i z a t i o no ff i n i t ee l e m e n t p a r a m e t r i cd e s i g n ；t h es i x t hc h a p t e rm a k e ss u m m a r yo ft h ew o r ko nt h i sp a p e ra n d m a k e sp r o s p e c to ft h ef u t u r e k e y w o r d s ：a n s y s ，c r a n e ，s e c t i o n ，o p t i m i z a t i o n , p a r a m e t r i c i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 ( 研究生) 签名：_ 二z e 与l 一日期：2 堕! 坐 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授 权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文， 并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生c 芋名，：珥导师签名：l 缉日期： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题的研究背景与意义 随车起重机是将起重作业部分加装在载重汽车上的一种起重机。由于随车 起重机具有既能起重又能载货、机动灵活等许多优点，被广泛应用于交通运输、 土木建筑、野外作业、石材业、码头等行业，加装专用装置后，还可用于高空 架线、桥梁维修、线路检测等作业【1 1 。随着我国经济基础建设规模的不断扩大， 随车起重机也将发挥越来越大的作用。 随车起重机的主要优点在于： ( 1 ) 装卸效率高。由于起重机定位能力好，减少了货物装卸位置的来回调整， 从而提高了工作效率。 ( 2 ) 操作简便快捷。操作前准备工作步骤简单，准备工作时间短，吊装货物 更加简便快捷。 ( 3 ) 节省作业成本。对体积较大货物的吊装特别合适，节省了人力和物力成 本。 本文所研究的对象是某专用汽车制造厂生产的s q 5 s a 2 ( 5 吨三节直臂) 随 车起重机，如图1 - 1 所示。主要由吊臂，转台，液压变幅缸等构件组成，具有结 构简单，体积轻巧，起重量大等优点，并具有较高的可靠性。 图1 - 1 随车起重机结构示意简图 随车起重机的关键部位在于吊臂，吊臂作为主要承载构件是随车起重机的 武汉理工大学硕士学位论文 重要组成部分，吊臂的重量一般都占整个随车起重机重量的1 3 2 0 t 2 1 。起重 机可以通过吊臂直接吊卸载荷，从而实现较大的作业高度与幅度，用途广泛。 由于吊臂承受着起重机的各种外载荷，且耗钢量大，所以吊臂结构设计的优劣， 将直接影响到随车起重机的整机性能和生产成本，如整机结构强度、整机稳定 性和整机重量等，因此对随车起重机吊臂进行合理的结构设计与力学分析是非 常必要的，在保证吊臂安全工作的前提下尽量减轻吊臂的重量，具有重要的现 实意义。 目前吊臂的形式主要由其截面形状决定，常见的吊臂大都采用以高强度钢 板为主的箱形截面，国内起重机吊臂的截面形式主要有四边形，五边形，六边 形，八变形等，而中小吨位的随车起重机吊臂截面形式以五边形居多。国外的 随机起重机发展时间较长，吊臂的截面形式主要是优化设计过的圆角化多边形， 椭圆形，u 形等，如德国和意大利的起重机吊臂截面主要以椭圆形居多，而国内 只有徐工的大型全路面起重机才使用这样的截面形式【3 】。国内的随车起重机的吊 臂结构基本上都是两块钢板折弯后对焊，整体结构粗糙且不够合理。因此对随 车起重机吊臂结构进行合理的力学分析和优化设计，可以在保证吊臂结构强度 和刚度前提下，较好地选择吊臂截面形状与尺寸，从而减轻吊臂的自重，进而 可以提高吊臂的整体起重性能。 对于吊臂结构的研究，如果采用传统的力学方法来设计和分析起重机吊臂， 不但计算量巨大，而且精度较低，因此设计师为了保证吊臂结构的安全性和可靠 性，往往采取加大安全系数的方法来设计，这样制造出来的起重机就显得粗糙和 笨重。随着计算机技术和现代设计方法的日趋成熟，设计师迫切需要一种对所 做的设计进行精确评价和分析的工具，鉴于这种目的，人们将工程领域里广泛 应用的有限元法与c a d 技术相结合，来共同实现“设计一评价一再设计 任务 的分析自动化，所以利用有限元软件a n s y s 对吊臂进行参数化建模，然后对吊 臂模型进行有限元分析和优化设计，大大缩短了对其结构进行研究设计和分析 的循环周期，提高了产品可靠性，降低了材料的消耗和生产成本，因此具有良 好的社会效益和经济效益。 1 2 课题国内外的发展现状 目前，国际上随车起重机技术比较发达的国家有瑞典、意大利、奥地利、 2 武汉理工大学硕士学位论文 德国、美国、日本和加拿大等，其中主要以欧洲国家为主。欧洲从2 0 世纪四五 十年代开始生产随车起重机，型号众多并且性能优异，主要生产厂商有德国的 t i r r e ，意大利的f a s s i 、f e r r a r i ，瑞典的h i a b ，奥地利的p a l f i n g e r ，等； 亚洲随车起重机的主要生产厂商有日本的加藤、尤尼克等；美洲随车起重机的 生产厂商主要有g r o v e 等。这些都是世界著名的随车起重机的生产公司，其中 最大起重量已超过6 0 t ，吊臂长度已超过3 0 m ，最大起重力矩已超过1 0 0 0 k n 1 1 1 。 各公司都已经形成了品种系列化、功能多元化、机电液控制一体化等先进的产 品体系，目前，世界各国随车起重机已经从最初的小型单一产品，已发展成全 系列、多功能、大力矩、安全可靠、外型美观、操作简便，甚至可以进行有线 或无线遥控的先进产品【4 】。 我国随车起重机的生产起步较晚，全国8 0 年代生产的随车起重机产品品种 比较单一，生产规模较小，到9 0 年代末，随车起重机产品的种类和产量均呈增 长趋势，近几年来，国内市场的随车起重机的产销总量增长势头良好，从行业 统计的结果我们可以看出，1 9 9 9 年随车起重机的市场总量为1 0 0 0 台左右，2 0 0 0 年随车起重机的市场总量约为1 3 0 0 台，目前的随车起重机的市场总量约为2 5 0 0 台，但是全国研制和生产随车起重机的厂家仅仅有1 0 多家，无论在技术上还是 在规模上都跟国外先进的产品有很大的差蹭1 8 】。主要表现在一下几个方面： ( 1 ) 产量较低，产品品种较单一： ( 2 ) 质量稳定性较差，故障发生率较高； ( 3 ) 产品自动化，智能化方面与国外差距较大，舒适性和安全性有待提高； ( 4 ) 材料方面，国内主要是起重用钢为1 6 m n ，q 2 3 5 等，而国外已广泛采用低 合金高强度钢或其他轻型材料，造成了国内起重机比较笨重，整体性能不高； ( 5 ) 国产起重机外形不美观，表面涂漆防腐等方面也有待提高。 从随车起重机的市场情况来看，需求量将会越来越大。虽然我国随车起重 机的生产起步较晚，但随着科学技术的进步和国内市场需求的不断增加，我国 随车起重机的生产技术和水平都将会有日新月异的发展，产品的系列将不断增 加，产品的国际竞争力也会不断增强。目前，汽车起重机的生产企业已从大中 型吨位以下市场逐步撤离，我们可以预言，随着我国公路建设的不断完善和随 车起重机技术水平的不断提高，中小吨位的汽车起重机必将逐渐被功能齐全、 性能先进的随车起重机所取代，随车起重机行业将迎来新的发展时期【5 1 。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 结构优化设计的发展概况 工程结构设计是从传统的设计方法逐渐发展成为今天的优化设计的。所谓 传统设计方法是指设计工程师根据自己的理论知识和工程实践经验，针对用户 的需要首先进行结构的概念性设计，在综合考虑各方面的设计要求的基础上， 提出初始的设计方案，定出结构的形式和类型，选择合理的工程材料，然后进 行结构设计分析，再根据分析结果进行结构强度、刚度、稳定性等各方面的校 核。如果校核结果不符合设计要求，则修改初始设计模型，重新进行结构分析 和校核，直到满足要求为止【6 】。传统设计的这种重分析、重校核过程反复次数较 多，工作量太大，对于一般设计者来说尝尝难以接受。这种传统设计方法的主 要缺点是难以得到最合理的结构形式，材料的分布不够理想，既不经济也不安 全。 优化设计是根据既定的结构形式和类型以及所规定的各种约束条件，建立 结构相应的优化设计模型，然后根据优化设计的基本理论选择合理的方法进行 模型优化。优化设计能克服传统设计的缺点，使材料的分布更加合理，从而使 结构设计达到既经济又安全的要求。因此优化设计是对于传统设计来讲是一场 全新的变革，具有重要的实践意义与广阔的应用前景。 结构优化设计问题实质是在给定的外载荷及环境条件下，在结构形状、几 何关系等因素的约束范围内，选取合适的设计参数，通过选择合适的优化设计 方法，使目标函数取得最优值，其中某些参数是预先设定的，而某些参数则是 可改变的。所以，在优化设计过程中，把结构的可变参数称为设计变量；我们 把事先给定的一些许用范围称为约束函数；目标函数一般为结构总重量等。结 构优化设计是在约束函数的限制下，通过适当的寻优算法获取设计变量的最佳 组合，以寻求目标函数的最小化或最大化。 在工程结构优化设计过程中，可以根据变量设计的难易程度及所取得的效 益划分为从低到高的四个层次，即尺寸变量、形状变量、拓扑变量、类型变量。 对这些变量进行的结构优化设计也相应地分别被称为：尺寸优化、形状优化、 拓扑优化和类型优化【7 】。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 有限元软件a n s y s 及其优化功能介绍 随着计算机技术的飞速发展，计算机辅助工程c a e 在产品的研发、设计和 仿真等方面的应用越来越广泛，目前国际上最流行的有限元软件主要有a n s y s ， a d i n a ，c o s m o s 等，其中以美国a n s y s 公司开发的有限元软件a n s y s 系列 应用最为常见，它不仅可以进行结构分析，流体分析，电磁分析，热等分析外， 还能够对结构的形状或尺寸进行合理的优化分析，它的应用大大提高了产品的 设计和研发周期，提升了产品的可靠性。a n s y s 软件具有如此强大的分析处理 功能与其具有众多的应用模块是分不开的，如图1 2 所示。 模块结构 p r e p 7 前处理器 s o l u r i o n 求解器 p o s t1 通用后处理器 p o s t 2 6 时间历程后处理器 o p t 优化设计模块 r u n st a t 估算分析模块 o t h e r 其它功能 图1 - 2a n s y s 软件的应用模块 a n s y s 软件提供了灵活性很高的建模功能和强大的网格划分功能，用户可 以根据自己的需要方便的创建需要的有限元模型，此外软件还提供了1 0 0 多种 不同的单元类型，可以对不同结构或材料的进行有限元模拟分析【8 】。处理的结果 可以在p o s t l 通用后处理模块中轻易得到，有限元分析结果的输出可以是图形 显示，也可以是列表和数据。 优化设计是a n s y s 软件的基本功能之一，与同类软件相比具有算法简单， 优化效率高等特点，目的是为了探求最佳的结构优化设计方案。a n s y s 优化设 计的优化变量主要有设计变量，状态变量与目标函数，设计变量是在结构设计 武汉理工大学硕士学位论文 中允许改变的变量，状态变量是结构优化设计的约束条件，目标函数是结构尽 量减小的数值，例如结构的重量最小，变形最小等 6 1 。a n s y s 优化设计的主要 方式有批处理和通过图形交互界面进行，图1 3 是a n s y s 软件的优化数据流向 图。 图卜3a n s y s 优化数据流向图 a n s y s 软件的优化模块中提供的优化方法主要有零阶方法，一阶方法，最 优梯度法，单步运行法等，其中零阶方法和一阶方法都是比较通用的优化处理 方法，基本上可以满足绝大多数工程结构优化问题的需到9 1 。零阶方法是通过曲 线拟合建立设计变量与目标函数之间的关系来计算目标函数的，而一阶方法主 要是通过变量的偏导数来将结构有限元结果的最小化。相比较而言，零阶方法 的计算量较小，但是计算结果没有一阶方法的精度高。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 论文的主要研究内容 本文以经典有限元软件a n s y s l l 0 为工具，以5 吨随车起重机s q 5 s a 2 的 吊臂结构为研究对象，选择了合理的优化设计方案，在基本臂工况下对基本臂 进行了参数化建模，对模型进行了网格划分和载荷加载，并在其基础上对吊臂 结构进行了有限元静力分析，然后采用一阶方法对吊臂模型的截面尺寸形式进 行了合理的优化设计，最后探讨了运用a p d l 语言对吊臂模型优化设计的参数 化实现。 本文的研究主要内容如下： ( 1 ) 本文以随车起重机的基本臂工况为例，对基本臂结构进行了参数化建模， 并对模型进行了网格划分和载荷加载，对其结构进行了有限元静力分析。 ( 2 ) 本文运用a n s y s 软件在对基本臂结构静力分析的基础上，以基本臂的质 量最小为目标函数，在满足吊臂结构刚度和强度的前提下，对吊臂结构的截面 尺寸进行优化设计，从而得出吊臂的最优截面尺寸。 ( 3 ) 本文运用了参数化语言a p d l 实现了建立模型和优化分析的参数化，使 得有限元分析过程中对模型的修改以及再次计算更加方便、直接，而且不容易 出错。 7 武汉理工大学硕士学忸论文 第2 章随车起重机吊臂的结构与优化方案的确定 2 1 随车起重机的结构简介 随车起重运输车是集起重、运输为一体的新型高效起重运输装备。由于具 备了灵活、机动、装卸方便等特点，被广泛应用于交通运输、野外起重抢险、电 信电力、市政建设等领域。 随车起重机的结构主要由吊臂、变幅液压缸，转台、吊钩钢丝绳等部件 组成，如图2 - ! 所示。 卜吊臂；2 变幅液压缸：3 一转台：4 一吊钩；5 钢丝绳 图2 - 1 髓车起重机结构简图 起重机的伸缩吊臂通常都被制造成箱型结构，每段吊臂内部都安装有滚子 或滑轮支座，起到加载时吊臂伸缩的导向作用【”】。起重机的升降主要靠吊臂下 方的伸缩液压缸来完成，因此吊臂被认为是受弯为主的双向压弯构件。由于随 车起重机的伸缩式吊臂长度可以变化，具有良好的通用性，适用范围较广，在 国内中小吨位起重机市场中占有主要地位。 蟠 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 吊臂的工作原理 伸缩式吊臂采用操作液压缸来实现变幅，作用在吊臂上的载荷主要有起升 载荷、自重、回转惯性力以及风载荷等。吊臂的伸缩方式主要有三种：顺序伸缩、 独立伸缩和同步伸缩【1 0 1 。吊臂的结构形式如图2 - 2 所示。 卜伸缩液压缸：2 一支撑滑块；3 一变幅液压缸； 4 一基本臂；5 一第2 节臂；6 一第3 节臂 图2 2 吊臂的结构形式 顺序伸缩：是指各节伸缩臂按一定的先后次序来完成伸缩动作。伸臂顺序为 先外后里，来确保使各节臂伸出后的起重能力与起重机的起重特性相适应。 独立伸缩：是指各节臂进行无关联地独立伸缩动作。 同步伸缩：是指各节臂以相同的行程比率进行同时伸缩。 吊臂自重和吊臂重心对随车起重机的起重性能具有重要的影响，不同的吊 臂伸缩方式使吊臂的重心位置改变方式不同，对吊臂性能的影响也大不相同。 当起重特性相同时，由于后者伸缩臂的危险截面，位置变化多，不易做成变截 面结构，顺序伸缩机构的吊臂可以比同步伸缩机构的吊臂设计的更轻一些。吊 臂在全伸和全缩状态时，重心的位置不变。但是在相同臂长作业时，同步伸缩 的吊臂重心距回转中心的距离越近，吊臂的起重性能就越高，如图2 3 所示。 9 武汉理工丈学硕士学位论文 卜同步伸缩；2 一顺序伸缩 图2 - 3 不同伸缩方式对起重量的影响曲线图 2 3 吊臂的截面形式分类 在科学研究和工程实践中，随着钢材性能的不断提高，工程师可以采取优 化吊臂截面结构来减轻吊臂的重量，为此对吊臂的截面形式作了许多探讨，归 纳起来主要有四边形截面、五边形截面、六边形截面、八边形截面以及椭圆形 截面等不同的截面形式。因此研究采用何种截面形式能使吊臂的自重较小，结 构性能提高，材料利用更充分，是伸缩式吊臂优化设计的主要方向之一。常见 的吊臂截面形式如图2 - 4 所示。 匈一一回一 ( 曲四边形 ( b ) 五边形如) 六边形 图2 4 吊臂截面形式筒图 四边形截面一般由上下盖板和腹板焊接而成，制造工艺简单，具有良好的 抗弯和抗扭刚度等优点，目前随车起重机吊臂普遍采用这种截面形式。但是这 种截面不能充分发挥更高强度材料的承载能力，而且使各吊臂间需要设附加支 承来很好地传递扭矩和横向力，局部稳定性较差，通常在腹板上间隔一定距离 武汉理工大学硕士学位论文 设置纵向筋，或在腹板的外侧设置斜向筋，来增强吊臂的抗屈曲能力。 五边形与六边形截面的腹板和下盖板的实际宽度较小，有利于提高吊臂局 部的抗失稳能力。前后滑块均支承在四角处，且能较好地传递结构的扭矩与横 向力，伸缩臂各板之间不产生局部弯曲，因此这两种截面的伸缩吊臂能较好地 发挥材料机械性能。在国内，随车起重机的吊臂截面形式以五边形居多。 2 - 4 吊臂数学模型的建立 图2 5 中，起重机吊臂轴线到起升绳导向滑轮中心的距离为e 1 ；吊轴线到 吊钩定滑轮中心的距离为e z ；吊臂的仰角为a ；钢丝绳与臂架轴线的夹角为a 2 ； 截面a 到吊臂顶部铰接点的距离为l a ；吊重载荷为q ；钢丝绳所承受的拉力为s 。 图2 - 5 变幅平面吊臂受力简图 伸缩式吊臂通过操作液压缸实现变幅，作用在吊臂上的载荷主要有起升载 荷、自重、回转力以及风载荷等。吊臂自重可视为沿吊臂长方向均匀分布。载 荷分析应按最小幅度吊取最大起重量的工况进行分析计算，然后用在最大幅度 起吊最小起重量的工况下来验算整机性能的稳定性。图3 5 表示在变幅平面内吊 臂受力状态。 2 4 1 吊臂在变幅平面承受的载荷 ( 1 ) 垂直载荷q 0 q o = 缈2 q + 妒l g b ( 2 1 ) ) 式中，矽- 起升冲击系数； 够z 动载荷系数；。 g 6 吊臂重力。 武汉理工大学硕士学位论文 根据力平衡方程计算出a a 截面所受的轴向力 n = s x c o s a 2 + q o s i n a l a a 截面所受的横向力尼 足= q o c o s a l - s s i n a 2 + 9 3 p r o 式中，缈，风载荷到臂端的转化系数； m 背向风载荷。 a a 截面在变幅平面内所受的弯矩膨 m y = c p 2 x q o x s i n a i x e l - s x c o s a 2 x e 2 + 三m 肠 2 4 2 吊臂在旋转平面承受的载荷 吊臂在旋转平面的0 1 j j 向载荷f y 乃= q o t g a 3 + 9 3 a 忱 式中，p w 2 侧向风载荷 a a 截面在回转平面所受的弯矩勉 勉= 鹚3 q 。( 肠c o s 翻+ 晚x s i i l 口i ) + 1 3 p 耽肠 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 由以上的受力分析可知，起重机伸缩吊臂是以受弯为主的双向压弯构件。 2 5 吊臂优化设计方案的确定 随车起重机是将起重作业部分安装在载重汽车上的一种起重机。伸缩式吊 臂是随车起重机起重作业部分的重要部件，其重量一般占整机的1 3 - 2 0 。因 此通过优化吊臂截面结构，选择合理的截面形状可以降低吊臂的重量，是提高 吊臂的强度、刚度和整体性能等的主要途径。 通过运用有限元对结构实现优化设计是比较成熟的技术。湖北武汉理工大 学物流工程学院徐新辉利用a n s y s 软件对龙门起重机的箱形主梁进行了有限 元优化设计，结果表明主梁的重量减轻了6 8 t 】，主梁的翼缘板也减轻了2 0 。 江苏徐州师范大学工学院的蒋红旗以a n s y s 软件为工具，对轮式汽车起重机的 吊臂结构进行了优化设计，结果显示基本臂和伸缩臂的重量分别降低了2 0 和 2 5 3 【1 2 】。湖北华中科技大学的冯浩利用a n s y s 对某车载骨架的结构进行了有 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 限元优化设计，在保证车载骨架结构强度和刚度的基础上质量减少了1 6 6 蝌1 3 】。 在a n s y s 环境下进行结构的优化设计，必须确定结构的优化变量，主要有 设计变量、状态变量及目标函数。由于伸缩吊臂的长度是由起重机作业范围确 定的，不能改变，因而吊臂的优化设计归结为其截面的参数优化设计问题，优 化设计变量应是截面参数，即截面形状和壁厚等。状态变量是设计变量的函数， 制约着设计变量的取值。目标函数定为吊臂的重量，最终目的是使重量最轻。 对于5 吨s q 5 s a 2 型随车起重机伸缩吊臂结构的优化设计，我们主要考虑两 种比较重要的工况：基本臂工况( 额定起重量为2 3 5 吨) 和全伸臂工况( 额定起 重量为0 9 吨) 。可以先在基本臂工况下通过有限元优化设计确定基本臂的截面 尺寸与壁厚，第2 ，3 节吊臂的截面尺寸形式可以根据它们之间的间隙大小来确 定，然后在全伸臂工况下对第2 ，3 节吊臂的壁厚与尺寸进行确定【2 】。本文主要 是以基本臂工况下对吊臂的基本臂结构进行有限元分析和优化设计为例，来阐 述吊臂结构有限元优化设计的基本方法。 2 6 本章小结 本章对随车起重机的结构进行了概述，简单介绍了起重机伸缩吊臂的工作 原理与不同的截面形式，就其对吊臂起重机的性能影响进行了简要的论述，并 在此基础上建立了随车起重机伸缩吊臂的数学模型，为吊臂的结构静力分析提 供了参考。最终在阅读和分析众多相关文献的基础上，对随车起重机吊臂的优 化方法进行了探讨，决定以基本臂工况下对吊臂的基本臂进行优化分析为例来 阐述其优化设计过程。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章随车起重机基本臂结构的有限元静力分析 3 1 结构静力分析概述 有限元软件a n s y s 最广泛的应用就是结构分析，其中最常用的分析就是静 力分析。“结构 是个广义的概念，它不仅包括像桥梁等建筑工程结构，还包括 像活塞、工具等机械零部件结构，比如航空器、大型机器的底座等。结构静力 分析是a n s y s 产品家族中的7 中结构分析之一，有限元结构静力分析过程主要 分以下三个步骤，如图3 1 所示。 s o l u ti o ng e n e r a lp o s t p r o e p r e p r o c e s s o r 斗+ 前处理、建模 加载并求解后处理、检查结果 图3 1a n s y s 结构静力分析步骤 静力分析是计算在固定不变载荷作用下的结构响应，它不考虑惯性和阻尼 的影响。静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响，以及那些 可以近似为等价静力作用的随时间变化载荷的作用。静力分析主要用于计算那 些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用与结构或部件上引起的应力、应变等，可 以假定载荷和结构响应随时间的变化非常缓慢【3 l 】。 3 2 随车起重机基本臂结构的有限元分析 s q 5 s a 2 型随车起重机的主要技术参数。 最大起升重量：5 0 0 0 k g 最大起重力矩：1 0 5 t m 最大额定起重量( 起重量力臂) ：基本臂工况2 3 5 0 k g 4 2 3 m ；半伸臂工况 1 3 0 0 k g 6 8 3 m ；全伸臂工况9 0 0 k g 9 2 m 推荐功率：2 0 k w 液压系统推荐流量：4 0 l r n i n 油箱容积：1 0 0 l 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 回转角度：3 6 0 度 起重机自重：2 0 0 0 k g 钢丝绳：由1 4 x 1 1 0 吊臂类型：五边形截面三节主臂 吊臂材料：q 3 4 5 b ( 密度- 7 8 0 0 k g m 3 ，弹性模量- 2 0 6 e l1 p a ) 3 2 1 基本臂结构有限元模型的建立 ( 1 ) 基本臂结构模型的构建 随车起重机基本臂的实体模型如图3 2 ，图3 3 所示。 图3 - 2 基本臂实体模型的前视图 图3 3 基本臂实体模型的等轴侧视图 a n s y s 软件具有十分强大的建模功能，如布尔加减，拉伸，粘结等。有限 元模型的构建是结构进行有限元分析的基础，模型创建的好坏与计算结果的精 度有着重要的影响。随车起重机的基本臂结构如果按照梁单元来创建模型，则 吊臂局部的危险应力无法准确显示，吊臂的截面结构也无法分析，而实体单元 就正好解决了上述的问题。 构建模型的时候，基本臂表面焊缝较多，该部分刚性比较大可视为实体， 武汉理工大学硕士学位论文 加强板和吊臂下方与液压油缸的铰接点等地方刚度设计也较大，为了建模方便， 可同样处理。考虑到对吊臂进行有限元静力分析，为了载荷的加载方便，起重 机基本臂的前端也简化成了便于加载的实体模块。建成后的模型如图3 4 所示。 幽34 吊臂结构的简化模型 ( 2 ) 有限元静力分析模块的设定 设定有限元静力分析模块可以将软件中其他不需要的分析模块过滤掉，这 样软件界面比较简洁更易操作。 在网3 - 5 中选择s t n m t u m l 并单击o k 关闭对话框 图3 - 5 静力分析模块的设定 ( 3 ) 设定模型的单元类型 a n s y s 软件提供1 0 0 多种有限元单元类型，不同的单元类型具有不同的特 武汉理工大学硕士学位论文 性与功能。体单元是a n s y s 最重要的单元形式之一，考虑到吊臂结构的受力特 点，我们选择s o l i d9 2 单元，该单元是具有中间节点的二次1 0 节点四面体实体 单元，可用于仿真多种实体结构模型。 g u l ：m a i n m e n u p r e l m ) c e s s o r e l e m e n t t y p e a d d e d i t d e l e t e 单击a d d ，在图3 - 6 对话框中选择实体单元s o l i d 9 2 。 图3 7 设定模型的材料属性 武援理工大学硬士学位论文 图3 - 9 网格划分后的基本臂模型 ( 6 1 模型的合并 g u l ：m a i n m e n u p r e p r o c e s s o r n u m b e r h l g c t r l s m e r g e i t e m s 如图3 - 1 0 所示对相应的参数进行设定，单击o k 关闭对话框。模型的合并 使网格划分后的模型变成一个整体，便于受力分析。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 1 0 合并模型设定对话框 3 2 2 对模型施加约束与载荷并求解 3 2 2 1 边界条件与载荷的确定 随车起重机基本臂工况下受力情况如图3 - 1 1 所示。 图3 1 1 随车起重机在基本臂工况下受力示意图 载荷参数：g 一吊臂自身的重力 o 垂直方向的载荷 卜钢丝绳的静拉力 基本尺寸：l l - = 4 2 3 0 m m ，l 2 = 2 2 0 0 m m , l 3 = 1 7 0 r a m ，b c 两点水平距离为 4 6 0 m m 。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 吊臂自身的重力g = r n g 式中：m 一起重机的吊臂结构的总质量；旷重力加速度。考虑基本臂工况 下三节吊臂全部缩回，可以根据三节吊臂的基本尺寸进行三维建模，然后定义 材料的密度，对整个吊臂的质量进行计算。g = 4 5 0 8 n 。 ( 2 ) 垂直方向的载荷胪( q l + q 2 ) d o h 式中：q 1 一提升载荷，该工况下最大负载2 3 5 0 k g ，q l = 2 3 0 3 0 n 。 q 2 一吊钩重力，取吊钩质量取2 0 k g ，q 2 - 1 9 6 n 。 d _ 作业系数，按照作业的频繁程度而定，选1 0 5 。 l r 一起升系数，起重机起升载荷时，由于加速度和冲击的影响，增 加了吊臂起重的动载力，起升系数计算公式：o h = i + c v ，c 为起重机的刚 度系数，吊臂起重机为0 3 ；v 为起升速度，取0 2 m s ，计算得( p h - - 1 0 6 。 综合计算可得垂直方向载荷q ：2 5 8 51 n 。 ( 3 ) 钢丝绳的静拉力f = ( q i + q 2 ) mnzqd 式中：q 1 ，q 2 一分别是提升载荷和吊钩重力。 m 一滑轮组倍率，由于最大载重为5 t ，m = 2 。 n z 一滑轮组效率，根据m = 2 查表可知，r l z = 0 9 7 5 。 1 1d _ 导向滑轮效率，取qd = 0 9 5 。 综合计算可得钢丝绳静拉力f = 1 2 5 3 8 n 。 ( 4 ) 由于起重机是在露天环境下作业，还会经常受到风载荷的影响，但是风 载荷随时变化比较复杂，对其进行精确的计算比较困难，另外在风里和惯性力 的作用下，悬挂在钢丝绳上的货物会产生一定的偏摆，从而产生对吊臂结构的 偏摆载荷，由于风载荷和偏摆载荷对我们的研究影响较小，在此忽略不计。 ( 5 ) 约束条件：吊臂结构是通过三铰点与转台相连的，三铰点是指臂架与转 台相接的铰点( c 点) 、臂架与变幅液压缸相接的铰点( b 点) 、变幅液压缸与 转台相连接的铰点( a 点) 根据基本臂实际工作状况，我们对有限元模型实行： 约束基本臂尾部与转台铰接点处c 点，约束3 个方向平移自由度( u x ，u y , u z ) 和两个方向的转动自由度( r x ，r y ) ，释放转动自由度( u z ) ，变幅液压缸铰接点 b 也做同样处理。 武汉理t 大学硕士学位论文 3 2 2 2 施加约柬与载荷并求解 ( 1 ) 施加吊臂重力载荷 g u i ：m a i n m e n u s o l u t i o n d e f m e l o a d s a p p l y s t r u c t u r a l i n e r t i a g r a v i t y 在图3 - 1 2 对话框中选择y 方向，大小为98 k g m 2 。 f 2 、施加面载荷 由于研究的对象为吊臂的基本臂，吊臂头部的简化模型为载荷施加对象， 其载荷大小均在前面计算过，加载时只要准确地施加到作用面上即可。 g u i ：l 池a t a h s o l u t i o n d e f i n el o a d s a p p l y s t m c t n 础 p r e 甜t t r e o n a r e a s ( 3 ) 施加约束条件 g u i ：m a i n m e n u s o l u t i o n d e f i n e l o a d s a p p l y s t r u c t u r a l ) d i s p l a c e m e n t 按照上述分析的结果对模型施加相应的t j 由度约束，如图3 一1 3 所示。 图3 1 3 模型载荷与约束施加后效果图 ( 2 ) 求解 g u l ：m a i n m e f l u