（机械工程专业论文）gkz14高空作业车作业臂有限元结构分析.pdf

东南大学硕士学位论文 内容摘要 本文利用有限元分析软件a n s y s 对g k z l 4 高空作业车的作业臂进行结构分析与研 究，并对作业臂进行了有限元优化设计。 论文首先对a n s y s 软件进行了简要的介绍，然后在利用a n s y s 软件与c a d 软件的数 据交换功能，将a u t o c a d 软件中建立的作业臂的三维几何模型导入a n s y s 中。选择 s o l i d 9 2 实体单元，并充分利用a n s y s 强大的网格划分功能，将作业臂划分了7 3 5 6 7 个 单元。在分析作业臂的结构和受载特点的基础上，将上臂、下臂( 基本臂) 、伸缩臂、 油缸、销轴作为一整体，各构件采用耦合的方法，模拟铰链联接，建立了作业臂的有限 元模型。 根据作业车在高空作业和起重作业两种工况施加载荷，对工作臂在不同工况下进行 有限元分析，得出了在各种工况下，工作臂的应力和变形，确定了危险工况和危险点。 通过对作业臂的模态分析，确定了作业臂的固有频率和模态振型。同时，对应力集中处， 提出了结构改进的方法，为同类型作业车工作臂的结构设计和改造提供了科学的理论依 据。 在对作业臂进行有限元分析的基础上，在保证作业臂的强度和刚度的前提下，以总 重量为目标函数，以截面尺寸为优化设计变量，利用a n s y s 软件进行了有限元优化设计。 优化后，作业臂截面尺寸明显减小，总重量降低了2 1 6 。达到减轻工作臂的重量，节 约材料，减少成本的目的。 关键词高空作业车作业臂有限元分析优化设计a n s y s 查堕查兰壁主堂垡堡壅 一 f in i t ee i e m e n ta n a i y s iso fw o r k in gji b f o rg k z l 4a e r i a lw o r k i n gp i a t f o r m a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d i e dt h es t r u c t u r eo ft h ea e r i a lw o r k i n gp l a t f o r mg k z l 4u s i n g t h ef e ! dp r o g r a ma n s y s 。a n dt h er e s p o n d i n gf e mo p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rt h ew o r k i n g j i bh a sb e e nm a d e t h ep a p e rh a sb e g a nw i t ht h ei n t r o d u c t i o no fa n s y ss o f t w a r e ，a n dt h e nt h e 3 dg e o m e t r ym o d e lh a sb e e nm a d ei nt h ep l a t f o r mo fa u t o c a d ，t h em o d e lw a si m p o r t e d i n t ot h ea n s y s m a k i n gu s eo ft h es o l i de l e m e n t s o l i d 9 2a n dp o w e r f u lg r i d d i n g p a r t i t i o na b i l i t yo fa n s y s ，t h ew o r k i n gj i b w a sc o m p a r t m e n t a l i z e di n t o7 3 5 6 7 e l e m e n t u s i n g t h ec o u p l i n gm e t h o d ，t h ea u t h o r m a d et h es i m u l a t i o no fg e m e l s b e t w e e ne v e r yt w op a r t su n d e rt h ec o n d i t i o n 一一一l o o k i n gt h eu p p e ra r m 、l o w e ra r m 、 h y d r a u l i cc y l i n d e r a so n ew h o l ep a r ta n dt h ea n a l y s i so ft h es t r u c t u r ea n dl o a d o ft h ew o r k i n gj i b ，t h ef e mm o d e lo ft h ew o r k i n gj i bh a sb e e nf o u n dw i t ht h e s o f t w a r e t h e p a p e rg o t t h er e s u l to fs t r e s s e s ，t r a n s m u t a t i o n s ，d a n g e r o u s w o r k i n g c o n d i t i o n sa n dd a n g e r o u sp o i n t s o ft h ew o r k i n gj i bo nt h ed i f f e r e n t w o r k i n g c o n d i t i o n sa f t e rt h ef e ma n a l y s i sw h i c hw a s d o n eu n d e r t h et w o c o n d i t i o n z ：a e r i a lw o r k i n ga n dl a d e nw o r k i n g a l lt h a tw a st e s t i f i e dc o r r e s p o n d w i t ht h er e s u l to fm e c h a n i c a la n a l y s i s b a s e d o na b o v ew o r k ，t h em e t h o dt o i m p r o v i n gt h es t r u c t u r e ，w h i c hp r o v i d e ds c i e n t i f i ct h e o r y f o u n d a t i o nf o rt h e s t r u c t u r e d e s i g n a n d i m p r o v i n g o fo t h e rs i m i l a rw o r k i n gp l a t f o r m s ，w a sp u t f o r w a r db yt h ea u t h o r b a s e dt h ef e ma n a l y s i st ot h ew o r k i n gj i b ，t h i sp a p e rm a d eao p t i m i z a t i o n u s i n g a n s y su n d e rt h ec o n d i t i o n ：e n s u r i n ge n o u g h i n t e n s i o na n d r i g i d i t y ，r e g a r d i n gt o t a lw e i g h ta so b j e c tf u n c t i o n ，r e g a r d i n gt h ed i m e n s i o no f t h es e c t i o na sd e s i g nv a r i a b l e t h er e s u l to ft h eo p t i m i z a t i o ni n d i c a t e dt h a t t h es e c t i o nd i m e n s i o no ft h ew o r k i n gj i bw a sl e s s e n e dc l e a r l ya n da sar e s u l t t h et o t a lw e i g h tc u td o w na b o u t2 1 6 a l l t h i ss h o w e dt h a tt h eo p t i m i z a t i o n t t 东南大学硕士学位论文 o b j e c to fs a v i n gm a t e r i a la n dd e b a s i n gc o s t sh a sb e e na r r i v e d 【k e yw o r d s 】a e r i a lw o r k i n gp l a t f o r mw o r k i n gj i b f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s o p t i m iz a ti o na n s y s l i i y 6 9 3 9 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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 或撰写过的砾究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：阻导师签名：等日期： 东南犬学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 工程机械广泛应用于经济建设的各部门，在整个经济发展中占有十分重要的地位。 上世纪8 0 年代以来，工程机械发展迅速，特别是随着高科技的广泛应用，带动了整个 工业的迅猛发展，设计上的优化、仿真，使大型工程机械有了更广阔的发展空间。 高空作业车是在工程起重机械基础上发展起来的高新技术产业系统，只有二、三十 年的历史。1 。目前，专业生产高空作业机械的公司比较少。近年来，由于汽车起熏机销 售量下降，一批汽车起重机制造公司相继发展高空作业机械，但总计年产量仍不能满足 市场需求，f 处于发展时期。 高空作业车作为一种大型的工程机械设备，目前广泛应用在船舶、建筑、市政建设、 消防、港口等行业，有着广阔的发展前景。尽管我国在高空作业车设计制造上取得了一 些成绩，但是国内生产制造的高空作业机械同国外同类型高空作业机械相比有一定的差 距，主要表现为技术含量低、结构笨重、作业时稳定性能差等。 1 2 课题背景 本课题以徐州海伦哲工程机械有限公司研制开发“g k z l 4 型高空作业车”为研究 对象，对该车上的重要结构一一升降臂进行有限元分析和有限元优化设计。g k z 系列车 型采用折叠式工作臂结构，工作装置为液压驱动，3 6 0 。全回转。除高空作业外，还设 有起重装置，一机多用。采用轻型汽车底盘，配套底盘包括跃进、江铃、五十铃等多种 车型。其上体升降臂由机电研究所设计制造，车体选择外购。升降臂设计采用传统的力 学计算方法，根据高空作业和起重作业的需要，在满足升降高度的前提下，进行强度、 刚度、稳定性的校核，确定截面尺寸。这种方法计算复杂，需投入较多的人力及时间， 并且材料力学方法计算时需对结构作较大的简化，造成计算精度较低。为保证结构的安 全可靠，设计过程中安全系数较大，造成质量偏大，成本增加等问题。同时，采用材料 力学方法对结构中应力及变形的分布难以有一个直观的显示，难以准确计算应力集中处 的最大应力值。 东南大学硕士学1 1 ：) = 论文 由于升降臂在作业时位于十几米甚至几十米的高空事关人身安全，因此需要有一 种较准确的设计计算方法，使作业臂既能满足设计要求，又能减轻臂重，降低成本。 本课题试图利用有限元分析软件a n s y s ，对作业臂进行结构强度分析，找出作业臂 在各种危险工况及应力集中点，为设计提供理论依据，并在满足强度、刚度要求的基础 上对臂的截面尺寸进行优化。有限元分析并不是简单地将升降臂的c a d 模型放入有限元 软件包中，为得到准确的有限元分析结果有许多问题值得探讨：模型建立是否合理，是 否与实际结构相符，建模是否简单不易出错且便于修改；载荷分析计算是否能反映结构 的实际受载：约束的处理是否合理；有限元网格的划分是否采用了最佳方案；最后有限 元分析的结果是否正确。这些问题在本文均作了探讨。为验证有限元分析结果的正确性， 本文采用材料力学的方法对上臂在水平位置时的工况进行了分析计算，并将分析结果与 有限元分析的结果进行了比较，验证了有限元模型的正确性和有限元分析结果的可靠 一眭。 1 。3 高空作业车的概况及其发展方向乜 高空作业车的分类方式有多种，按臂架的展开方式分类，有折叠式和伸缩式及混合 式三种；按臂架的形状可分为直臂式和曲臂式：按驱动方式可分为自动式、拖动式和手 动式等。 1 3 1 高空作业车发展概况 我国高空作业机械发展虽然起步较晚，只有二十几年的发展历史，但出于高空作业 机械制造企业的不断努力，已逐步走向稳定的发展轨道。 从上世纪8 0 年代开始，抚颇起重枫总厂、武汉起重机厂、四川度岩机械厂、四川 长江起重机有限责任公司、杭卅园林机械厂、徐州重型机械厂等开始着手研制高空作业 车和登高平台消防车，投放市场。抚顺起重机总厂生产的c d z 3 2 型登高消防车已出口泰 国。最近四川长江起重机有限责任公司，研制的q z c 5 1 2 0 j g k s 2 5 型高空作业车是最近推 向市场的一种新产品。该产品采用现代设计手段，填补了国内2 5 m 伸缩臂式高空作业车 的空白。 国外高空作业机械发展迅速，技术水平不断提高。工业发达国家，一般都有专门的 跨国公司和集团主营和兼营高空作业机械，如美国g r o v e 公司和g e n i e 公司、英国的 2 东南大学硕士学位论文 c o l e s 公司和s i m o n 公司、意大利的r i c o 公司、芬兰b r o n t o 公司、日本多田野和爱知 株式会社等。高空作业机械的底盘分通用型和专用型，采用通用汽车底盘的高空作业机 械，机动灵活，能快速转移，作业高度较高，采用专用底盘的高空作业机械，即自行式 高空平台车，适用于固定场所作业，具用微动行驶，扩大作业半径等特点。 为满足实际工程的需要，高空作业车的作业高度越来越高，随之作业半径也越来越 大，如s i m o n 公司的$ 6 0 0 作业高度已达6 0 m ，b r o n t o 公司的产品最大作业高度已达7 2 m 。 操作越来越简单可靠，自动化程度不断提高。如g e n i e 公司的自行直臂式高空作业 车、自行曲臂式高空作业车、自行剪式高空作业车，由于采用自动化控制技术，高空作 业车的微动性能好，定位也越来越准确。 但根据不同的工况条件，考虑到造价等因素，拖动式和手动式很有实用价值，目前 仍被广泛应用。此类高空作业车有拖动式曲臂高空作业车和手动式物料升降机。 1 3 2 市场需求前景 据不完全统计，国内各企业高空作业机械的总产量，远远不能满足国家经济建设的 需求，供需矛盾突出，其表现为： 船舶行业，当前我国造船业发展迅猛，已逐步进入国际船舶市场。船舶产量从上世 纪8 0 年代初的3 0 多万吨，提高到现在的2 0 0 多万吨，约占世界船舶市场份额的6 。 随着船舶制造业的不断发展，大型船舶的建造日益增多，造船和修船中越来越多的需要 高空作业，因此，高空作业车的应用也是与日俱增。据统计，中国船舶系统需要1 6 2 5 m 直臂式高空作业平台约8 0 一1 0 0 台左右。 公安消防系统，随着大中城市高层建筑增多，消防设施严重滞后，登高平台消防车 已属紧迫需要。 我国百力 人口城市3 0 多个，需要作业高度3 0 一5 0 m 大型登高平台消防车约1 2 0 台 左右。全国几十万人口以上的城市近5 0 0 个，需1 6 2 0 m 中型登高平台消防车1 0 0 0 台 左右。 全国大型油田、炼油厂、大型储油系统对大型登高平台消防车的需要量约7 0 台左 右。 城乡电业部门、电站、变电所、各种低压输电线路的建设维修带电作业追切需要有 绝缘性能的高空作业车，预计电力部门需要各类绝缘高空作业车( 1 2 3 0 m ) 大约2 0 0 东南久学硕士学位论文 台左右。 城市路灯园林部门需要6 1 6 m 中小型高空作业车大约1 0 0 0 台左右。 国防军工系统，对2 0 一4 0 m 越野高空作业车需求量也较大，主要用于航天、导弹发 射等。 因此，高空作业车有较大的市场需求，改进高空作业车的工作性能，开发研制机动 灵活、技术含量高，安全、可靠的高空作业机械具有重大的意义。 1 3 3 提高我国高空作业车的宏观设想2 1 1 3 1 高空作业车的发展主要动向是实现六化、三性，以提高高空作业机械的适用性。六 化：即液压化、最优化( 采用计算机辅助设计) 、轻量化( 采用高强度材料、减轻构件 重量) 、机电液一体化( 如安全保护、报警装置等) 、通用化、系列化：三性：可靠性、 安全性、舒适性。 为了满足高层建筑的复杂情况，要求人们不断改进高空作业车，以适应各种工况的 要求。新技术的采用，使发达国家上世纪8 0 年代的高空作业车在性能上和安全上有较 大的提高，这主要体现在三个方面： ( 1 ) 在公安消防上，提高救生和灭火能力。上世纪8 0 年代，发达国家通过改进消 防车的臂架结构和液压系统，使其救人和灭火能力有了大幅度的提高。登高平台消防车， 7 0 年代的最大工作高度是4 0 m ，8 0 年代后期，芬兰b r o n t o 公司又推出了6 7 5 m 的登高 平台消防车，而且这两种车的登高平台载重能力达4 5 0 k g ，显著地提高了救生能力。 ( 2 ) 提高应对不利环境的能力。在高层建筑火场或在施工现场，有时会遇到地面 不平、场地狭窄等情况。如何在这些不利情况下使用高空作业机械，充分发挥其救生和 灭火能力，也是高空作业机械新技术开发的主要方向之一。这方面比较突出的日本森田 公司，在新一代云梯消防车上采用了电子计算机调平技术 ( 3 ) 提高安全性。如在8 0 年代德国的马基路斯、麦茨、森田和芬兰的b r o n t o 公 司等纷纷采用了电子计算机控制举高消防车的支腿梯架的操作和显示等技术，这种技术 提高了云梯操作自动化程度，从而避免了因操作人员的失误而导致的危险。 为了提高我国高空作业车的生产水平，从目前的状况来看首先应从如下的几个方面 来进行”： 1 ) 解决工程汽车底盘问题，这样才可使高空作业车轻便、可靠，使用上既灵活又 4 东南大学硕士学位论文 可承担繁重的工作任务； 2 ) 提高液压元件的制造质量，这样就可以提高使用寿命和可靠性，相应的也就提 高了高空作业车的质量； 3 ) 改变高空作业车的生产方式，向规模化方向发展，这不提可保证质量还可降低 成本； 4 ) 要扩大新型高空作业车的使用范围，可刺激本行业的发展，并投入力量加强对 新产品的开发； 5 ) 应用现代设计方法和手段对现有的产品进行改造。 1 4 有限元法在机械结构分析中的应用与前景 1 4 1 有限元法发展概况副 “有限元法”这一名称是t 9 6 0 年美国的c l o u g hrw 在一篇名为“平面应力分析的 有限元法”论文中首先使用的。它是结构分析的一种数值计算方法，是矩阵方法在结构 力学和弹性力学等领域中的发展和应用。由于当时理论尚处于初级阶段，计算机的硬件 及软件也无法满足需求，有限元法和有限元程序无法在工程上普及。到6 0 年代末7 0 年 代初，出现了大型通用有限元程序，它们以功能强、用户使用方便、计算结果可靠和效 率高而逐渐形成新的技术商品，成为结构工程强有力的分析工具。4 0 多年来，有限元法 的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定 问题、动力问题和波动问题，分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合 材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域。迄今为止，有限元法除 了发展其自身的理论和方法外，还外延到其它领域。如随机有限元法等。由于计算机的 飞速发展，使得有限元法在工程中得到了广泛的应用。 目前，有限元法在国外已广泛应用于铁道、石油化工、航空航天、机械制造、汽车 交通、造船、轻工日用家电等工业和科学研究领域。在汽车设计行业，国外著名轿车公 司在豪华轿车的产品设计中，以前通过经验设计时需要制造2 0 0 多辆样车，才能完成汽 车的安全碰撞设计，现在有8 0 多辆足够了，大部分的设计内容都是通过有限元分析软 件在电脑中模拟实现的，这样可以节约2 3 的资金和大量研制时间。在飞机制造行业， 以前通过做风洞试验检测飞机的各项性能，如今许多实验都是通过电脑仿真实现的。在 东南大学硕士学位论文 国外的f 1 用消费品设计中，此类软件应用也很广泛，著名体育用品厂商耐克公司，在高 级旅游鞋的受力结构研究设计中，也采用了有限元分析技术，在保证鞋体受力均衡的前 提下，取得了鞋的最理想重量，成为体育用品设计的典范。 从上世纪6 0 年代起，我国著名数学家冯康等人就开始了有限元方面的理论研究， 8 0 年代这一领域的工程化应用渐渐在国内开始，先后出现了s a p 、a d i n a 等有限元软件。 有限元法应用前景十分广阔，它不仅在工业界各个领域的产品设计中占有重要的地位， 近来在日用消费品设计方面的优势也已显著。2 0 0 0 年1 1 月中国科学院数学系统科学研 究院和北京飞箭软件有限公司联合成功开发了世界上第个可通过互联网使用的有限 元软件，使我国在有限元方法及应用研究方面获得了突破性进展，该系统突破了国内外 的通用有限元软件只适用于特定领域和特定有限元问题的限制，把广大工程师和科学家 从繁琐、重复的编程工作中彻底解放出来，采用这一系统可以在数天甚至数小时内完成 人们需要数月才能完成的编程工作。最可贵的是该系统已放到了互联网络上，世界各地 的用户可以在任何时候，任何地方，采用一台计算机使用这一软件。用户只需给出他所 要求解的有限元问题，就可得到所需要的全部有限元程序，并且在其计算机上自动编译 运行，直至获得他所要的计算结果。该系统已为美国、德国、加拿大等国家和地区及国 内4 0 多个单位应用，并取得了巨大成果。 1 4 2 有限元法的基本理论”i 有限元法的基本思想，是将弹性连续体划分成有限个单元体，并认为相邻单元之间 仅在有限个节点上相互连接。根据物体珠几何形状、载荷特征、边界约束特征等，单元 有各种类型。节点一般都在单元边界上，节点的位移分量是作业结构的基本未知量，这 样组成有限元集合体，并在引进等效节点力及节点约束条件。由于节点数目有限，就成 为具有有限自由度的有限元计算模型，它代替了原来具有无限自由度的连续体，也就是 有限元离散化。在此基础上，对每一单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数来 近似模拟其位移分量的分布规律，即选择位移模式，再通过虚功原理( 或变分原理或其 它方法) 求得每个单元的平衡方程，就是建立单元节点力与节点之间的关系。最后，把 所有单元的这种特性关系，按照保持节点位移连续和节点力平衡的方式集合起来，就可 以得到整个物体的平衡方程组，引入边界约束条件后解此方程就求得节点位移，并计算 出各单元应力。 6 东南大学硕士学位论文 通过上述分析可以看出，有限单元法的实质是把具有无限多个自由度的弹性连续 体，理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适合数值解法的结构型问 题。 在电子计算机广泛应用于工程设计之前，也有许多数值计算方法，例如应用范围较 广的有限差分法。它基于直交网格系，列计算式比较方便，但边界适应性较差，有限元 法由于节点可以任意配置，对于复杂形状的结构可以使边界节点完全落在区域边界上， 因而在边界上具有良好的逼近性，并且可以根据实际需要，在一部分求解区域中( 如应 力集中处) 配置较密集的网格，而在另一部分求解区域中配置较稀疏的网格，使其在不 过分增加节点总数的情况下，提高计算精度，而这些优点，对于采用直交网格的有限差 分法以及其它传统设计方法是难以实现的。因此，有限元法与以往数值计算方法比较， 既有许多共同之处，亦有其突出的优点，在机械结构强度分析中得到充分的应用。 1 4 3 有限元法在工程机械中的应用0 5 有限元法经过4 0 多年的发展，已经趋于成熟，未来的发展主要在于工程 领域中的应用提高，并完善有限元法的基本技巧。 目前，我国工程机械在许多方面还落后于国外，主要是我国目前的分析设计水平还 不高。近年来，有限元分析法已在一些技术和经济实力较强的企业得到应用，但大多 限于对单个构件的静力分析，如对车架、臂架的分析。而对高空作业车的有限元分析， 现有的文献中少有记载。高空作业车的设计长期以来还停留在材料力学的方法上，采用 的是许用应力设计法，设计中存大许多不定性因素，如应力、材料强度、起重机承受载 荷的大小、方向、位置等都是随机变化的。设计时需要依靠大量的经验公式和简化计算， 无法准确了解有关结构的实际状态，难以准确判断有关结构是否满足实际使用要求。而 使用有限元模型，可极其准确地模拟作业臂各部分的受力和变形情况，获得其模态特性， 从而可以得整机的有关力学特性，并对其进行判断，而且可以直接对不符合设计要求部 分的有限元进行修改。 随着计算机辅助设计( c a d ) 在工程中日益广泛的应用，有限元程序包已成为c a d 常用计算方法中不可缺少的内容之一，并与优化设计形成集成系统，即通过计算机建立 计算模型一有限元分析一最优结构设计图形显示一一判断决策一修改结构 形状一一有限元分析重复进行，直到满足设计要求为止。上述集成有限元分析系统 7 东南大学硕士学位论文 反映了当今世界上有限元方法在机械结构领域的应用水平和发展趋势。 1 5 本论文的主要研究内容及意义 本文使用大型有限元分析软件a n s y s 进行了g k z l 4 高空作业车作业臂的结构分析及 优化设计。希望通过对作业臂的静态结构分析，找出各种工况下各臂强度和刚度较大和 较小的区域，然后选取作业臂的总重量作为结构优化设计的目标函数，选取臂的截面尺 寸作为设计变量，以作业臂的强度和刚度作为状态变量，对作业臂结构进行优化设计， 达到在满足强度和刚度的条件下，作业臂重量最轻的目的。 根据有限元工程分析的一般过程，本课题主要研究了以下内容： ( 1 ) 建立作业臂的几何实体模型 ( 2 ) 高空作业车工作臂有限元模型的建立 在有限元分析时，模型建立得是否合理十分重要。一方面要建立起与实际结构相符 的模型，另一方面为简化计算，将对计算结果影响较小的细小结构作适当简化。同时要 求建模时操作简单，便于修改。 ( 3 ) 载荷和约束的确定 根据作业车的不同工况，工作臂的载荷有所不同，加载时，根据不同的工作状态， 施加相应的载荷。给有限元模型施加的约束，应尽量与实际约束情况相吻合，如基本臂 与底盘问的铰接处，分别用u x 、u y 、u z 三个位移自由度约束来模拟。 ( 4 ) 网格划分 网格的划分对有限元分析的计算量和计算精度影响很大，一般情况下，网格划分越 细，计算精度越高，所需的计算机资源、计算时间也越多。在划分时，应在保证计算精 度的同时，尽量减少网格数量。 ( 5 ) 有限元计算及结果分析 利用有限元分析软件对工作臂在不同工况下进行静应力分析，找出危险工况和危险 点，可部分代替实际测试。 ( 6 ) 对工作臂进行有限元优化设计 利用有限元分析软件a n s y s ，在保证工作臂的强度和刚度的前提下，以总重量为目 标函数，进行优化设计。 ( 7 ) 作业臂模态分析 东南大学硕士学位论文 通过有限元建模、分析计算、模态提取，确定了作业臂的固有频率和模态振型，以 便在设计和改进时使作业臂的固有频率避开其使用过程中的外部激励频率。 有限元分析分四个阶段：实体建模，有限元分析，模态分析，优化设计。实体建模 采用a u t o c a d 2 0 0 2 ，有限元分析采用a n s y s 6 1 。 通过本课题的研究，对高空作业车的作业臂建立较为合理的有限元分析模型，解决 在无实际测试值的情况下，准确地反映作业臂的应力分布，为作业臂的设计和改型提供 了理论依据。提出了作业臂整体建模方案，各构件采用耦合的方法，模拟铰链联接，真 实地反映出作业臂在工作中的强度和刚度性能，对同类机械的设计分析提供借鉴。通过 对作业臂的模态分析，确定作业臂的固有频率和模态振型，以便在设计和改进时使作业 臂的固有频率避开其使用过程中的外部激励频率。在有限元静态分析的基础上，对作业 臂进行有限元优化设计，可以达到减轻自重，节省材料，降低成本的目的。 东南大学硕士学位论文 第2 章高空作业车机构简介 g k z l 4 高空作业车是由徐州海伦哲工程机械有限公司研制开发，具有高空作业和起 重两种功能。采用轻型汽车底盘，配套底盘包括跃进、江铃、五叶铃等多种类型。hh 型支腿，转台3 6 0 。全回转，工作臂为两节折叠臂。最大作业高度为1 4 m ，最大起重量 1 3 0 0 k g 。具有操作简便，稳定性好等特点。 图2 - 16 k z l 4 高空作业车 2 1g k z l 4 高空作业车组成结构暗铂阻3 g k z 型系列高空作业车由高空作业臂、起重工作臂、起升机构、动力系统、液压系 统、电气系统等六部分组成。 1 高空作业臂 高空作业臂包括上臂和下臂，上臂头部有工作平台。行驶状态时，两节工作臂折叠 在一起：进行高空作业时，两节工作臂分别由上下臂油缸举升伸展至一定角度，将工作 人员送至工作位置。上臂和下臂问通过水平销轴铰接，铰接处设有专门的滑动轴承，以 保证工作臂转动时阻力小，运动平稳。 2 起重工作臂 起重工作臂由基本臂和伸缩臂组成。高空作业时下臂兼做起重基本臂。伸缩臂由 伸缩臂油缸控制，不工作时伸缩臂回缩至基本臂内部；进行起重作业时，伸缩臂根据需 要的起重幅度和起升高度进行伸缩。升缩臂根部通过销轴与升缩臂油缸铰接，升缩臂和 基本臂问有滑块，以保证伸缩臂能平稳运动。伸缩臂与油缸、基本臂根部和回转平台也 1 0 东南大学硕士学位论文 通过水平销轴铰按并有专门的滑动轴承。 3 工作平台 工作平台的作用是将高空作业人员和必须要的工具送至空中，并作为工作人员空中 作业的场所。g k z 系列车型的工作平台采用钢管焊接框架结构，周围设有护栏，右侧护 栏开有侧门，方便人员进出，平台底板采用防滑的花纹铝扳，平台周围下部设有护围， 防止工具或其它物品掉落。 4 起升机构 起升机构由液压马达和起升减速机组成。其工作原理是：起升液压马达驱动起升减 速机旋转，带动滚筒将钢丝绳收进或放出，实现重物的提升和下降。 5 动力系统 高空作业车的高空作业和起重作业动力源为底盘发动机。其动力由取力器从底盘变 速箱取出，取力器和变速箱之间的动力传递由机械式操纵系统控制，平时取力器与变速 箱取力齿轮处于断开状态，当进行高空作业或起重作业时，操纵拉杆使取力器的滑移齿 轮与变速箱的输出取力齿轮啮合，取力器输出轴带动油泵工作，从而将发动机的机械能 转为液压能，为系统提供动力。 6 液压系统 液压系统采用定量齿轮泵供油，系统工作压力为1 6 m p a ，油路中设有安全溢流阀， 以保证系统安全。 液压系统通过电液比例流量阀对工作臂油缸、回转马达和卷扬马达供油，供油量大 小由比例阀控制，输出流量与负荷变化无关，可使系统达到稳定的工作速度，并居启e 够 实现无级调速，系统工作压力由电磁溢流阀调定。 支腿的收放由下车多路换向阀控制，下车多路换向阀可对各支腿的进回油油路分别 控制，因此各支腿的伸缩量均可单独调节，使高空作业车能够适应不同的路丽状况。 为了增加液压系统的安全性，在下车附设了手动泵作为应急液压源，当主动力源发 生故障时，可用手动泵压杆操纵手动泵收回工作臂。 7 电气系统 电气系统包括示廊灯、警示灯、照明灯( 可选件) 等灯具、上臂限位系统、下臂限 位系统、上下车互锁系统、蜂鸣器、转台控制箱和吊篮控制箱等部分。 示廊灯与汽车行车灯并联，表示该车的轮廓。警示灯为夜间工作时显示吊篮的位置， 提醒过往车辆和行人。照明灯在夜间工作时起照明作用。 1 l 东南大学硕士学位论文 当支腿油缸支起时，下臂限位行程开关限制上、下臂最大仰角；当工作臂举升至最 大仰角时，行程开关动作，接通蜂鸣器，提醒操作者注意，同时系统切断油缸进油路， 使工作臂不能继续举升，但工作臂的下落不受影响。 蜂鸣器受蜂鸣器按钮和上、下臂限位行程开关控制，在作业车开始作业及工作臂处 于极限位置时起警示用。 转台控制箱与吊篮控制箱的设置，使得全车既可在转台处操作，又可在吊篮处操作， 两处操作具有互锁功能，不能在两处同时对高空作业车进行操作。 2 2g k z l 4 作业车主要技术参数m 1 该作业车有高空作业和起重作业两种工况。高空作业时，伸缩臂回缩至基本臂内， 起重作业时，伸缩臂根据需要的起重幅度和起升高度进行伸缩。 作业车作业状态主要技术参数见表2 1 ： 表2 1 作业车作业状态主要技术参数 项目单位数据 平台额定载荷k g 2 0 0 平台最大作业高度 m1 4 平台最大作业高度时作业幅度 m1 9 平台最大作业幅度 m5 6 平台最大作业幅度时作业高度 m7 7 最大起重量k g 1 3 0 0 最大起升高度 m9 回转速度r m l n 0 2 下臂变幅时间 s4 0 上臂变幅时间 s4 0 伸缩臂全伸时间 s3 0 单绳起升速度m m l n 0 4 0 东南火学硕士学何论文 作业车起重作业状态起重特性曲线如图2 2 所示。 1 4 0 0 1 3 0 0 1 2 0 0 1 1 0 0 扣 1 0 0 0 霁9 0 0 雷8 0 0 量 7 0 0 “ 6 0 0 z ：5 0 0 24 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 曲线1 ： 曲线2 ： 曲线i 曲线i i 图2 - 2 一u 起 7 升 触高 。度 。j ( 米) ： 4 7 06 05 0 4 0 3 02 01 0 仰度( 度) 全伸臂吊重起升高度 基本臂吊重起升高度 全伸臂吊重起重量 基本臂吊重起重量 作业车起重作业状态起重特性曲线 0 _ n jj、心心、。一 东南人学硕士学位论文 第3 章g k z l4 高空作业车作业臂的有限元分析 3 1 有限元分析软件a n s y s 阳”3 有限元法是在电子计算机的基础上发展起来的，仅仅了解有限元法的原理和解题步 骤，如果没有电子计算机的计算程序，那是解决不了实际问题的。而自己着手去编制有 限元程序也是不现实的，而且也是没有必要的。因为现在的商业化有限元软件已经很多， 也很成熟，而且所能解决的范围非常广泛，从结构、动力、热平衡到电磁场等诸种情况 均有非常成熟的软件。比较常用的有：s a p 、a d i n a 、a s k a 、n a s t r a n 、s a f e 、a n s y s 等。 在众多通用和专用有限元软件中，a n s y s 是最为通用有效的商用有限元软件之一。 a n s y s 软件从7 0 年代诞生至今，经过近3 0 多年的发展，已经成为能够紧跟计算机硬、 软件件发展的最新水平，功能丰富、用户界面友好、前后处理和图形功能完备的，使用 高效的有限元软件系统。它拥有丰富和完美的单元库、材料库和求解器，保证了它能够 地求解各类结构的静力、动力、振动、线性和非线性问题，稳态和瞬态热分析及热一结 构耦台问题，静态和时变电磁场问题，压缩与不可压缩的流体力学问题，以及多场耦合 问题；它的友好的图形用户界面和程序结构使用易学易用；它的完全交互的前后处理和 图形软件，大减轻了用户创建工程模型、生成有限元模型以及分析和评价计算结果的工 作量；它的统一和集中式的数据库，保证了系统各模块之间的可靠和灵活的集成；它的 d d a 模块实现了它与多个c a d 软件的有效连接；a n s y s 系列的各种产品和适应于各种计 算机系统平台的版本，为用户提供了各种可能的选择。由于a n s y s 软件功能强大，易学 易用，它已成为计算机辅助工程( c a e ) 和工程数值模拟的最有效的软件之，成为当 代c a d c a e c a m 主流产品，在世界各地拥有众多用户。 a n s y s 软件融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体，可广泛应用于机械制造、 汽车交通、国防军工、土木工程、造船、轻工、日用家电等一般工业及科学研究。该软 件的主要特点与功能如下： l 、具有友好的图形用户界面( g u i ) ( 如图3 1 所示) 1 4 东南大学硕士学位论文 图3 1a n s y s 图形界面 通过g u i 可方便的交互访问程序的各种功能、命令、用户手册和参考材料，并可一 步一步地完成整个分析，因而使a n s y s 易于使用。 用户界面中，a n s y s 程序提供了四种通用方法输入命令：菜单、对话框、工具栏、 直接输入命令。菜单由运行a n y s y s 程序时相关的命令和操作功能组成，它位于各自的 窗口中，用户在任何时候均可用鼠标访问这些窗口，这些窗口也可用鼠标进行移动或隐 去操作。a n s y s 命令根据其功能分组，保证了用户快速访问到合适的命令。a n s y s 共有 七个菜单窗口，主要由以下几个： 实用菜单：该菜单包括了a n s y s 的实用功能，在a n s y s 运行的任何时刻均可访问此 菜单。该菜单为下拉式结构，可直接完成某一程序功能或引出一个对话框。 主菜单：该菜单由a n s y s 最主要的功能组成，为弹出式边菜单结构。其组成基于程 序的操作顺序。 输入窗口：该窗e l 提供了键入a n s y s 命令的输入区域，同时，还可以显示程序的提 示信息和浏览先前输入的命令。 2 、全交互图形 它是a n s y s 程序中不可分割的组成部分，图形对于校验前处理数据和在后处理中检 查求解结果都是非常重要的。 a n s y s 的p o w e r g r a p h i c s 能够迅速完成a n s y s 几何图形及计算结果的显示，如此快 15 东南大学硕士学位论文 速是由于其几何图形是以对象而不是以需重新组合的数据来存储的。p o w e r g r a p h i c s 的 显示特性保证了单元和等值线的显示，加速了等值面的显示、断面覆盖q 一切片显示以 及有q 切片中的拓扑显示。 3 、处理器 a n s y s 按功能作用可分为若干个处理器：包括一个前处理器、一个求解器、两个后 处理器、几个辅助处理器如设计优化器等。a n s y s 前处理器用于生成有限元模型，指定 随后求解中所需的选择项；a n s y s 求解器用于施加载荷及边界条件，然后求解运算；a n s y s 后处理器用于获取并检查求解结果，以对模型作出评价，进而进行其它感兴趣的计算。 4 、数据库 a n s y s 的数据库，是指在前处理、求解及后处理过程中，a n s y s 保存在内存中的数 据”0 1 。数据库既存储输入的数据，也存储结果数据。输入数据是必须输入的信息( 模型 尺寸、材料属性、载荷等) ，结果数据是a n s y s 计算的数据( 位移、应力、应变、温度 等) 。 a n s y s 程序使用统一的集中式数据库来存储所有模型及求解结果( 见图32 ) ，模型 数据( 包括实体模型和有限元模型、材料等) 通过前处理器写入数据库；载荷和求解结 果通过求解器写入数据库；后处理结果通过后处理器写入数据库。数据一旦通过某一处 理器写入数据库中，如需要，即可为其它处理器所用。例如，通用后处理器不仅能读求 解数据，而且能读模型数据，然后利用它们进行后处理计算。 5 a n s y s 数据接口程序 a n s y s 可与许多c a d 软件共享数据，并为各个工业领域的用户提供了分析各种问题 的能力。 利用a n s y s 的数据接口，可精确地将在c a d 系统下生成的几何数据传入a n s y s ，而 后准确地在该模型上划分网格并求解，这样用户能方便地分析新产品和部件，而不必因 为在分析系统中重新建模而费时费力，同时，还可利用a n s y s 程序的高级功能，例如非 线性、电磁场以及计算流体动力学。 a n s y s 数据接口程序还可以镶嵌在c a d 环境中，用户可直接在c a d 界面下，在c a d 模型上进行某些分析，并能保持c a d 数据和分析数据间的相关性。 1 6 东南人学硕士学位论文 p r e p r o c e s s i n g 图3 - 2a n s y s 集中式数据库关系囹 1 7 东南人学硕士学位论文 3 2 有限元法进行工程分析的一般过程“部 a n s y s 分析过程中包含三个主要步骤： 1 创建有限元模型 ( 1 ) 创建或读入几何模型。( 2 ) 定义材料属性。( 3 ) 划分网格( 节点及单元) 。 2 施加载荷并求解 ( 1 ) 施加载荷及载荷选项、设定约束条件。( 2 ) 求解。 3 查看结果 ( 1 ) 查看分析结果。( 2 ) 检验结果( 分析是否丁f 确) 。 用有限元法进行工程分析的一般过程如图3 - 3 所示： 图3 3 有限元法进行工程分析的一般过程 t 尔南大学硕士学位论文 3 3g k z l 4 高空作业车作业臂有限元建模 有限元的计算，是将形状复杂以及受力情况复杂的部件划分为有限数目的单元，冉 分别计算这些单元的受力和变形情况，然后将这些单元整合起来，就形成了整个零件的 受力变形情况。因此利用有限元进行计算和分析，首先建立要分析的经过简化后的儿何 模型，确定单元类型和材料属性和单元自由度，然后对几何模型进行网格划分，确定约 束条件，施加载荷，然后进行求解，得出变形和受力的详细的数据结果，最后对结果进 行分析。 3 3 i 确定建模方案n 3 n 4 1 一个结构，特别是对于一个复杂结构，可以有多种建模方案，要合理选择方案，既 要满足计算精度要求，又要节省机时，降低工作量，并使计算结果直观，一目了然。 第一种方案：整个作业臂作为一个整体建模，进行计算； 第二种方案：将作业臂分成上臂、下臂( 即基本臂) 、伸缩臂单独建模，分别计算。 对于方案一，上臂、下臂、伸缩臂通