（机械电子工程专业论文）cd250型复合折臂式擦窗机运动及整机结构有限元分析.pdf

摘要 擦窗机是一种广泛应用于高层建筑的幕墙清洁及维护的专用设备，是现代高处清 洗作业最理想、最安全、高效率、多功能的高空作业设备。在我国，随着高层建筑的 增多，擦窗机的应用也越来越广泛。对其安全性，可靠性，经济性也提出更高的要求。 然而，目前擦窗机设计中多凭借经验或粗略的手工计算完成，不能全面了解结构应力 分布，致使结构设计不尽合理，既造成材料浪费和成本的增加，也为使用埋下了安全 隐患。因此，以擦窗机整机作为研究对象，借助有限元方法对其静动态力学性能进行 分析，为擦窗机设计，改造及合理使用提供科学的依据具有重要的理论和应用价值。 本文首先利用d h 法对擦窗机进行运动学分析，推导出工作点运动方程，为该机 作业范围的确定，和后续研究中惯性载荷的计算奠定了基础。 选择擦窗机工作中三个危险工况，在深入研究a n s y s 有限元分析中铰链自由度耦 合处理，多种单元混合建模等技术的基础上，建立c d 2 5 0 型复合折臂式擦窗机整机有 限元分析模型，并分别对三个危险工况多种载荷组合作用下擦窗机静变形及应力分布 进行了分析。在满足强度和刚度的要求下为该机的改进设计提出了建议。 在静力分析的基础上，对该机进行模态分析，得到整机的前五阶固有振动频率及 相应的主振型，分析了工作中各种动态载荷对整机振动的影响，为进一步提高该机的 动态性能提供了理论依据。 关键词：擦窗机、运动学、d h 法、有限元法、a n s y s 、自由度耦合 ab s t r a c t a st h em o s ti d e a l ，s a f e ，e f f i c i e n ta n dm u l t i f u n c t i o n a le q u i p m e n t ，g o n d o l ai sw i d e l y u s e di nt h ec l e a n i n ga n dm a i n t e n a n c eo fg l a s sc u r t a i nw a l lo fh i g h r i s eb u i l d i n g s i no u r c o u n t r y ，g o n l o d ai sb e c o m i n gak i n do fn e c e s s a r ye q u i p m e n tf o rh i g h r i s eb u i l d i n g s i nt h e n e a rf u t u r e ，m o r ea n dm o r es a f e ，r e l i a b l e ，e c o n o m i cg o n l o d a sa len e e d e dw i t ht h ei n c r e a s e o ft h eh i g h - r i s eb u i l d i n g s h o w e v e r ，t h eg o n d o l a sa r ed e s i g n e dt ob er o u g ho nt h em a n u a l c a l c u l a t i o na n dt h ee x p e r i e n c e d u r i n gt h ed e s i g n ，t h ed i s t r i b u t i o no fs t r e s si nt h es t r u c t u r e c a nn o tb ek n o w n c l e a r l ya n df u l l yb ye n g i n e e r s t h i sn o to n l yb r i n g si ns o m eu n r e a s o n a b l e s t r u c t u r a l ，m a t e r i a lw a s t ea n dh i g hm a n u f a c t u r i n gc o s t si nt h ep r o d u c to fg o n l o d a ，b u ta l s o c a u s e sm a n ys e c u r i t yp r o b l e m s t h e r e f o r e ，i th a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n da p p l i e dv a l u e t h a tt h ei n t e r g r a t i o nf i n i t ee l e m e n tm e t h o di su s e dt oa n a l y z et h es t a t i ca n dd y n a m i c m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw h o l eg o n d o l aa n dp r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i sf o ri t sd e s i g n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ek i n e m a t i c so fg o n d o l ai sa n a l y z e dt h r o u g ht h ed hm e t h o d f i r s t l y t h em o t i o ne q u a t i o n so fo p e r a t i n gp o i n ta r ed e r i v e d t h e s ee q u a t i o n sp r o v i d ea t h e r o e t i c a lb a s i sf o rd e t e r m i n i n gt h eo p e r a t i o nr a n g eo ft h eg o n l o d aa n dc a l c u l a t i n gt h e i n e r t i al o a d si nf u r t h e rs t u d i e s t h r e ed a n g e r o u sw o r kc o n d i t i o n sa r es e l e c t e dt os t u d yt h es t a t i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o ft h eg o n d o l a b a s e do ns t u d ys o m ek e yt e c h n i q u e so fa n s y s ，s u c ha ss i m u l a t i n gh i n g e b yc o u p l e dd e g r e eo ff r e e d o m s ，m o d e l i n gc o m p l i c a t e dc o n s t r u c t i o nb ym i x e de l e m e n t sa n d s oo n ，t h ei n t e r a t i o nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e lo fg o o s e n e c kj i bg o n d o l ac d 2 5 0i s e s t a b l i s h e d i nt h r e ed a n g e r o u sw o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h es t a t i cd e f o r m a t i o na n ds t r e s s d i s t r i b u t i o no ft h eg o n d o l aw i t hc o m p l e xl o a d sa r ea n a l y z e d s o m eu s e f u la d v i c e sa r e p r e s e n t e df o rr e d e s i g n m o d a la n a l y s i so ft h eg o n l o d ai sa l s oc a r r i e do u t t h ef i r s tf i v en a t u r a lv i b r a t i o n f r e q u e n c i e sa n dc o r r e s p o n d i n gv i b r a t i o nm o d eo ft h ew h o l ee q u i p m e n ta r eo b t a i n e d t h e i n f l u e n c e so fa l ld y n a m i cw o r k i n gl o a d so nv i b r a t i o na r ea n a l y z e d t h i sp r o v i d e sa t h e o r e t i c a lb a s i sf o ri m p r o v i n gt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h eg o n l o d a k e yw o r d s ：g o n d o l a ，k i n e m a t i c s ，d - hm e t h o d ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n s y s , d e g r e eo ff r e e d o mc o u p l e d l l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 敝储徘：确侈 论文知识产权权属声明 年夕月日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者硌撑哼多。少r 月形日 导师签名： 易毒汽川1 年5 乒窀日 k 安大学硕j ：学位论文 1 】l 课题的提出与意义 第一章绪论 现代的建筑物造型多种多样，具有独特式样与风格的高层建筑物越来越多，为城 市增加了很多新的景观。目前，玻璃幕墙或者复合幕墙这两种外墙材料主要应用于高 层建筑物上，但是使用一段时间以后，幕墙上不可避免地会有一层厚厚的灰尘，使得 这些高层建筑物失去了原有的本色。因此，不管使用何种形式的幕墙，外墙的清洗和 维护工作都是必须做的。而要清洗和维护幕墙，就必须用到幕墙维护设备擦窗机。 擦窗机是专用擦洗窗户的设备，但这也只是擦窗机最早时期的定义，擦窗机在国外发 展的历史已经超过了半个世纪之久，擦窗机的应用范围早已经不再局限于擦洗玻璃装 置，而是可以对整个建筑物外墙进行维护的综合机械设备。现在的擦窗机不仅可以用 来清洗幕墙，还可以对整个外墙进行全面的清洗：其中包括对损坏的外墙进行修补， 并且还可以更换损坏的玻璃幕墙。通常我们将擦窗机布置在大楼的顶部，它可以环绕 本身自定的特定轨道进行运动，到达预定位置后，放下吊篮，维护的工作人员在吊篮 中可以清洗幕墙，通过吊篮的上下运动我们可以完成所有部位的清洗，达到清洗幕墙 的目的。同时，当幕墙中如果有某个部位的外墙已经损坏时，我们在建筑物内部是很 难更换损坏部分的，这时就必须通过擦窗机来完成更换工作，维修工作人员在工作吊 篮中可以很方便地更换损坏的幕墙，而且维修工作人员的工作条件比较好，安全程度 也比较高。在国外的高层建筑物中，擦窗机作为建筑物的重要组成部分，是必须配备 的装置。在国内由于对幕墙清洁的维护工作的重要性认识程度还不够，许多建筑物中 还没有配备擦窗机，这样使得许多幕墙的清洁和维护工作无法正常进行，时间长了原 本华丽的外墙由于布满灰尘而显得脏乱，严重影响了大楼的美观。有的大楼管理者雇 佣工人去清洗幕墙，他们大多采用吊绳的方法来清洗幕墙，一旦绳索发生断裂，就会 造成人员伤亡，而且维修工人工作时也很不方便，更无法对幕墙进行合理维护。在国 外，这种工作方式是被禁止使用的。在国内，我们相信随着高层建筑的迅猛发展，人 们对擦窗机的重视程度也会不断地提高n 1 。擦窗机也将会被广泛应用于高档次的宾馆、 饭店、商场等。 为了满足各种新奇外形建筑物外墙的清洗保养要求，需要不断地开发擦窗机新机 型。国内企业或科研单位在擦窗机的设计中，对其结构强度的计算分析大多手工完成， 第一章绪论 不仅工作量大，而且只能得到某些特定截面上的应力分布，不能对整机变形和应力进 行全面的分析。有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种高效精确 的分析方法，而国内很少有人使用此方法对擦窗机整机进行分析。本论文将以c d 2 5 0 型复合折臂式擦窗机整机作为研究对象，利用a n s y s 有限元法分析工具，对其静载作 用下的变形、应力进行分析并埘其进行模态分析。通过本课题的研究，对擦窗机建立 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，准确地反映出整机的应 力分布，振型和固有频率。为擦窗机结构的合理设计，提供了充分的理论依据。 1 2 国内外的研究现状 擦窗机在国外发达国家发展的比较早，如挪威、美国、芬兰、日本、德国、荷兰、 英国和法国，这些国家从6 0 年代的初期就己形成了自己的产品。国外企业的产品种类 比较多，规格和品种较齐全，主要方式有轮载式、轨道式、悬挂式、插杆式、活动支 架及固定支架式和滑车式等等，这些方式能适应各种复杂建筑物外墙的清洁和维护的 要求。如挪威的k o l t a k 公司和芬兰的r o s t e k 公司所开发的悬挂式擦窗机，擦窗 机的爬轨器除可在水平轨道上行走以外，斜轨、圆弧轨、垂直轨等都可以行走工作。 荷兰的l a l e s s e 公司为了解决建筑物凹进去这种特殊的建筑样式而无法清洗工作， 研发了可以回转并且伸缩的工作平台。德国的m a 卜姗s m a n n 公司为了解决不同方 式下的清洁和维护工作，研发了擦窗机具有伸缩臂这种方式的设备。最近几十年来挪 威、德国、法国、日本、英国、比利时等国，在设备的安全性方面加大了投入，在设 备中增加了多道安全保护系统装置，不论在电气方面、液压以及传动机构和结构等方 面，都实行了相应的措施。如德国m a 卜除i e s m a n n 公司研发的卷扬式擦窗机系列， 除了具有卷扬后备制动保护、超速保护、超载保护、防碰撞保护等设备装置以外，研 发机构在卷扬系统中还增加了钢丝绳防止松软保护装置设备。比利时p o w e r c l l m b e r 公司将原爬升吊篮式擦窗机改进了一些设备，增设了以下一些安全保护装 置，来提高设备的安全性。 ( 1 ) 工作中使用的悬吊钢丝绳上安装了电力联锁的超速制动安全保护装置； ( 2 ) 后备使用的安全钢丝绳上安装有吊篮松落保险安全保护装置； ( 3 ) 当吊篮发生倾斜时或者工作悬吊钢丝绳发生断裂时自动锁紧安全保护装置； ( 4 ) 当安全设备装置起动时，电力自动中断安全保护装置； ( 5 ) 当吊篮在超载工况下工作时，电力自动中断安全保护装置。 2 长安大学硕上学位论文 除此以外，在最近的产品研发中，法国、德国、日本这几个国家的擦窗机产品采 用了一些新技术，如设定工作参数的自动监控技术以及故障发生时自动诊断技术，利 用这些新技术提高了产品的自动化程度，产品的安全性也有了很大的提高、整机的可 靠性及使用工作效率都得到了明显的改善。 擦窗机这种新型设备在我国研究中起步比较晚，在8 0 年代的中期，一些国内的研 究院所开始联合进行研究。如建筑机械化研究所、北京建筑工程研究所、上海房屋科 学研究所等科研单位与国内一些较强的企业进行合作，在借鉴了大量国外的擦窗机和 高处作业吊篮产品技术的基础上，研发了中国自己的吊篮，这些产品主要在建筑施工 中用于高空作业。在8 0 年代的末期，中国自产的第一台建筑物外墙用的擦窗机由建筑 机械化研究所开发制造，该产品用于北京中国人民银行金融中心，这项产品的研发填 补了国内该产品的空白。研发该产品是在通过借鉴高处作业吊篮，对悬挂吊篮支架进 行设计，根据建筑物楼顶的特殊要求设计而成的。虽然国内已经有了一定的设计经验 和产品问世，但总的来说，国内擦窗机无论从品种规格方面，技术性能方面可靠性等 方面同发达国家的一些产品相比还有相当大差距，所以许多建筑物主要还是选用国外 的擦窗机。随着全球科技的进步，国外的产品结构也发生了较大的变化，整体有了较 大的改进，而且更新速度较快，主要朝着提高操作和使用性能，提高工作人员的作业 安全程度，满足多种建筑物的要求，扩大作业使用范围等方面进行发展。目f j 来说， 我国已经开发应用的擦窗机的最大伸出距离和工作平台的伸缩量都有了很大的提高。 另外，我国擦窗机在安全保护方面也有了很大的进步，建筑机械化研究所与北京凯博 擦窗机械技术公司一起合作研究新型擦窗机，并研制了最新一代的机电一体化产品。 这项新产品在安全保护系统方面，除了拥有国外主要的安全装置外，为进一步提高其 安全性和可靠性，在卷扬式擦窗机的超速安全保护装置中，又增设了最新的电控安全 保护系统，使其具有双重保护，既使它具有机械方式和电控方式的双重保护。通过这 样的全面设计，擦窗机的可靠性将会大大的提高，使我们更放心的使用自己生产的擦 窗机，对以后擦窗机的研发工作有着重要的意义【2 】。 1 3 擦窗机的形式及组成 擦窗机按不同形式有很多种分类，擦窗机按其运动方式可分为行走式和固定式两 种，前者一般设计有专用轨道，擦窗机可以沿着专用轨道运动，从而带动吊篮运动到 不同部位完成幕墙的清洗和维护工作。这种形式的擦窗机由于作业范围较广，适应性 3 第一章绪论 较强而应用最为广泛。后者主要用于特定位置的清洗和维护工作，不能够像行走式那 样活动，应用不是很广泛。 行走式擦窗机主要是由以下几个部分组成： 1 、行走机构及其夹紧机构装置 行走式擦窗机可以沿着楼顶层上铺设好的特定轨道进行运动，从而达到预先确定 的工作位置，其行走的方式是通过行走机构来完成的。在到达预先确定的工作位置后， 夹紧机构开始进行动作，夹紧轨道确保擦窗机停止不动，而后才能进行清洗和维护工 作。此外，当擦窗机工作完成时，应使擦窗机运行到预先确定的停放位置，夹紧机构 要夹紧，防止擦窗机在风载等外在载荷作用下移动，使其固定不动。 2 、提升机构装置 擦窗机的提升机构通过卷筒收起或放下钢丝绳，可以用它来升降吊篮，这样就可 以改变工作位置，可以使工作人员很方便的完成清洗和维护外墙的工作。 3 、变幅机构装置 擦窗机通过变幅机构的运动，将吊篮与工作面之间的距离进行适当的调节，从而 适应不同工作条件下的要求。同时，该机构还将用于吊篮的收回或放出楼顶平面，完 成必要的工作。 4 、回转机构装置 擦窗机通过上下转盘的相对旋转运动，就可以使得吊篮收回或放出。此外，运用 回转机构装置，调节吊篮与幕墙之间的角度，用于适应不同工作立面的要求，使擦窗 机更好的完成工作。 5 、电气系统 擦窗机的电气系统控制设备的稳定行走、提升、变幅以及回转等动作，充分保证 整个设备的安全运行，提高其可靠性。 1 4 本课题研究的内容 c d 2 5 0 型复合折臂式擦窗机结构复杂，传统效验采用传统的力学计算方法，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。在这种情况下，采用有限元法对其结构进行分析是比 4 长安人学硕士学位论文 较合适的。 本文主要研究工作包括： 1 、利用d h 法对擦窗机进行运动学分析，推导出工作点运动方程，为该机作业 范围的确定，和后续研究中惯性载荷的计算奠定了基础。 2 、以c d 2 5 0 型复合折臂式擦窗机有限元分析为背景，探讨了a n s y s 在分析复 杂结构时结构的合理简化、多种单元混合建模及耦合、铰接点处理等关键技术。 3 、在研究c d 2 5 0 型复合折臂式擦窗机工作过程的基础上，确定该机的危险工况。 并针对各危险工况建立整机有限元模型，在多种载荷组合作用下对擦窗机静变形及应 力分布进行分析。在满足强度和刚度的条件要求下为该机的改进设计提出建议。 4 、在静力分析的基础上，对该机进行模态分析，得到整机的前五阶固有振动频率 及相应的主振型，分析危险工况中各种动态载荷对整机振动的影响，为进一步提高该 机的动态性能提供理论依据。 5 长安人学硕十学位论文 第二章擦窗机的运动学分析 2 1正运动学的d h 表示法 2 1 1 一般正运动学的解法 所谓正运动学，是根据给定的关节变量，求解机器人末端执行器的位置和姿态的 方法。 通常我们依照机器人的构型( c o n f i g u r a t i o n ) 来对其进行分类，多数专家学者将 机器人分成三类，它们分别是串联机器人、并联机器人和串并混合机器人。串联机器 人在数量上是最多的，其它机器人的构成都是通过它来实现的。工业中的许多机器人 都是串联机器人，如我们在工业中通常说的工业机械手臂、s c a r a 等类型的机器人， 这些都是串联机器人。我们发现有一些机器人的构型与动物和人类的生理结构非常相 似，这些机器人就是我们说的并联机器人和混合型机器入。我们还发现并联机器人和 混合型机器人在功能上比串联机器人更具有优势，但是我们对其进行建模、加工与控 制等进行处理都比串联机器人要复杂得多。所以，我们对于机器人学中基础部分的运 动学和动力学的研究，都是对串联机器人进行研究，根据其它类型机器人的特定工作 状况建立其相应的运动学方程和动力学方程。 串联 并联混合 图2 1 机器入的构型 我们对于串联机器人( 如工业上经常应用到的机械手臂这一类等) 进行研究，主 要是将杆件串联起来，我们将这些杆件之间的连接处称作关节。由于在加工时，加工 工艺等其它原因的存在，任何一个关节都由一个自由度的运动来完成。因此，我们可 以将回转型关节或者滑动型关节用一个变量就可以描述清楚，我们将关节移动距离或 是回转角度的变量都称作关节变量。为什么机器人中相邻杆件只用一个自由度的关节 7 第二章擦窗机的运动学分析 连接就可以了，那是因为每一个关节都可以用一个液压马达或伺服电机等很容易地实 现驱动来实现。有些关节具有多个自由度( 如虎克铰和球铰等) ，我们发现实际上这些 关节也是由几个杆件长度为零的结构串联起来的，所以尽管我们称作它们为一个关节， 但是它们有3 个关节变量。我们进行整体假设，假设机器人学中所有的关节都只有一 个自由度。不难发现机器人正运动学其实是一个几何求解的问题，如果我们能将机器 人的自由度减少到足够少，那么我们对机器人进行求解的整个过程就变得很简单了。 但是，实际上机器人系统通常有很多个自由度，对其进行求解就显得非常的繁琐，大 多数工程师和学者们常用下面的方法进行运动学表示。 我们制定一个这样的假设，假设将n + 1 个连杆组成n 个自由度的机器人，各个连 杆的标记从基座到末端执行器分别使用0 、1 、2 、3 、n 来表示，我们将连杆i - 1 和连杆i 之间的关节称做第i 个关节。我们在关节i 上建立与第i - 1 个杆件固定联接 的坐标系i - i ，那么杆件i 在整个的相对运动就用关节变量q i 来表示。我们设从坐标 系i 到坐标系i - i 的齐次坐标变换矩阵为4 ，我们假设杆件是刚性体的，那么齐次坐 标变换矩阵4 只是随着q ，的变化而发生变化，因此记为4 ( q ，) 。则 州= 黔1 1 旺- ， 从而杆件i 与坐标系0 用齐次坐标变换表示为： 爿苫= 彳。c g 。，彳。c 纺，4 c g 甩，= ： 。2 2 ， ( 2 3 ) ( 2 4 ) 由此可知，依据q ，可以得到齐次坐标变换矩阵4 ，从而就可以得到在此种结构型 下的最终变换矩阵h ：，这就是我们所要求的正运动学的解。 8 磁 雅瑚 一一 错 砟 淄 + 砰心 + 硪 = 聪 长安大学硕_ l ：学位论文 图2 2 坐标系的配置 2 1 2 正运动学的d h 表示法 我们设两个杆件之间的齐次变换矩阵为4 ，对于计算4 的值我们可以利用一组基 本的齐次变换矩阵来计算，先由一个关节变量q ；来确定其中一个基本的变化矩阵，其 它基本变换矩阵的计算可以通过杆件i 的结构参数来得到。我们所说的d - h 法就是用 4 个最基本的齐次变换矩阵来表示两个杆件的相对位置，我们还规定了每个参数都具 有各自的几何意义。其定义如下： 4 = 尺d 乞，o gt r a n s z ，面乃玎，qr o t x ， ( 2 5 ) 在等式中幺杆件i 相对于杆件i 一1 之间角度， d ，杆件i 相对于杆件i 1 的偏移量， 口，杆件i 长度， 杆件i 自身旋转角度， 我们发现对于回转处的关节，q 就是我们要求的关节变量q ，对滑动关节这样的 状况，d i 就是我们要求的关节变量。我们所要求的齐次坐标变换矩阵4 可从6 个基本 变换矩阵得到，我们所使用的d h 法就是依据机器人刚性的特点，灵活地建立了坐标 系，也将等式中参数的个数从原来的6 个减小到4 个。我们在建立坐标系时，需要考 虑的条件主要是：坐标系的五轴与z h 轴垂直且相交。 9 第_ 二章擦窗机的运动学分析 x o l y 嚣 图2 3d - h 弓乏抉 利用d h 法对串联机器人进行描述，主要通过以下步骤来进行： l 、从0 到1 依次对杆件进行标记； 2 、对杆件关节i 进行标记； 3 、坐标系z ，轴是穿过关节i + 1 ；对于关节是回转关节的情况，z ，轴就是其回转轴； 对于关节是滑动关节的情况，z ，轴就是其滑动轴； 4 、当我们确定基坐标系的原点0 。时，我们沿z o 轴可以任意设定；只要x 。、y 。、 z 。轴满足右手坐标系就可以了； 5 、x , i 7 = ao ，的确定，若z ，轴与z h 轴不平行，我们做z ，轴与z h 轴的公法线，并 且使公法线与z ，轴相交；若z ，轴与z h 轴平行，我们将o ，定在关节i 上，我们令d f 为零。 6 、对于x ，轴的建立，若z ，轴与z h 轴不平行，则通过o ，我们设定方向是z ，轴与 z 轴的公法线方向；若z ，轴与z h 轴平行，则在z ，轴与z h 轴所形成的平面内通过点 o ，并且与z ，轴垂直相交。 1 n 长安人学硕+ 学位论文 7 、我们利用右手坐标系来建立y j 轴。 8 、若关节n 是回转关节，z 。轴与z 州轴同直线的情况下，末端坐标系方向指向工 件；y 。的方向是手指的开合方向。 9 、根据简化后的结构简图来建立连杆参数表，具体如下： a ，沿一。轴的方向，它是z ，轴与z h 轴之间的距离值，我们设定滑动关节a j = o ； 4 沿z 卜。轴方向，它是轴与一。轴之间的距离值，我们设定滑动关节时，它 是关节参数； q 沿轴，我们设定它为z ，轴与z h 轴之间角度； q 沿z h 轴，我们设定它为x i 轴与_ 一。轴之间角度； 1 0 、计算a ，的值； l l 、利用已知公式来确定h ：= a 。( 9 0 ) a 。( q 。) a 。( q 。) 的值。 2 2 擦窗机运动学分析 2 2 1 擦窗机的基本结构【3 1 图2 4 复合折臂式擦窗机及其工作示意图 1 l 第- 二章擦窗机的运动学分析 擦窗机主要是由：( 1 ) 驱动轮；( 2 ) 底盘；( 3 ) 支撑柱；( 4 ) 行走轮；( 5 ) 卷扬 机构；( 6 ) 主回转机构；( 7 ) 主吊臂；( 8 ) 上回转机构；( 9 ) 折臂支撑；( 1 0 ) 折臂油 缸；( 1 1 ) 折臂；( 1 2 ) 下回转机构；( 1 3 ) 工作平台。 擦窗机结构庞大且较复杂，主吊臂长约8 5 米，折臂长约1 5 6 米。整个机构主要 由钢板焊接而成。 2 2 2 擦窗机的工作流程 图2 5 擦窗机收起示意图 如图2 5 所示是擦窗机收起时放置图，通过主回转机构旋转带动折臂，由油缸驱 动，可使折臂放下，从而使工作平台接近凹进立面处，如图2 4 所示。再由上下回转 机构调整吊船至外墙立面的间距，到达一个便于工作的理想位置。当设备停止工作需 将工作平台收回时，由上下回转机构调整位置，通过油缸驱动折臂将下臂头扬起，从 而使工作平台收回楼顶。 2 2 3 擦窗机的技术特性及机械特性 ( 1 ) 整机重量 1 5 6 3 3 k g ( 2 ) 安全工作载荷 2 5 0 k g (3)垂直升降速度8mmin ( 4 ) 水平行走速度 6 m m i n ( 5 ) 整机回转速度 6 0 。m i n ( 6 ) 臂头回转速度 6 0 。m i n ( 7 ) 吊船尺寸 2 0 0 0 7 0 0 1 1 0 0 ( 8 ) 动力供应 5 0 k w , 3 8 0 v ( + 1 2 ) ，5 0 h z 1 2 长安大学硕上学位论文 2 2 4 擦窗机的运动学分析 刨厶i lj ij i 1 1 l llll i y 0w 己i l x 1 jl l夕嗡1 1 2 ， 1 1。 、免仍 u 占 j 、u 台 l 1 7 nli 1 4 k l i沁 i 乙 峭 i 一 由擦窗机结构简图得： 图2 6擦窗机运动分析机构简图 表2 1 参数取值表 杆件辞 喀 魂 1 9 0 。+ t o , t oo 2 t 0 2t乞 9 0 。 厶 3 鸭t弓 - 9 0 。 厶 4 o h t 毛 o 乇 图2 6 所示擦窗机运动分析机构简图，利用d - h 法在各个构件上建立d h 坐标系， 我们将各坐标系的z 轴选定为转动副轴线的方向，x 轴选为相邻两坐标系z 轴的公垂 线的方向。这样就可以得到相邻两坐标系之间的坐标变换阵为： a f 一1 j 2 c o s g s i n o i o o s i no | c o s o f f s i n # _ fs i n ( z fh fc o s # f c o s o ；c o s ( 2 fc o s # _ fs i n c r f h fs i no i s m 口f 0 c o s l 2 i o 1 3 d f 1 ( 2 6 ) 第二章擦窗机的运动学分析 一s i n q t c o s q f o o c o s 绌t s i n 绌t 0 o _ c o st 0 3 t 1 is i n 织f 4 ，2 io l l 0 p q f js i n c o , t 4 t2 l o l o c o s c o l t0 一s i n q f s i n c o l t0 c o s o ) t 1 01o 0 01 0 s i n 哆f 0 c o s a 2 t 1o oo 0 一s i n 屿f 0 c o s a 3 t lo oo - s i n c 0 4 t 0 c o s a h t 0 o1 0o 缸= 4 。4 ：4 ，4 。2 厶 毛 篡o ：s s i nc呼03t 厶 i 厶l l l 錾s嗣in a h t乇i 厶 i l i 吣+ 0 4 ) t c ) o s c g t s i n 呼- o a s ( o q + 够，6 锡f c 0 6 ( 国+ 皑y o o s 吗f 豳q f s 赶l ( q + 呸) t z o s c 叩 d 力纰f s i n o 掣 o ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) s i r c a + 0 4 ) t s i n 呼 叫q + 吗y 血呼 6 吗f o s i n ( o - q + q y 【0 0 s q f c o s q f + 毛如皑f 一厶0 0 s 皑f 一毛卜2 ls i l l q f + b 一乇s i n 劬f ) s ( q + 心y e c s ( o q + 哆弦【，6 c o s q f 0 0 s q f 一毛s i l l 坞f + 厶c o s 鸭f + 厶】+ s i n q f + 鸲- 1 6s i n q t ) s i n ( a t + 哆y 以+ 乞0 0 s 吃力咖皑f + 毛o q f + 之 1 ( 2 1 1 ) ( 2 1 1 ) 式为0 坐标系与4 坐标系之间的坐标变换阵。第4 列就是4 坐标系原点 在0 坐标系中的具体位置，位置坐标值为： ( 2 1 2 ) 利用上式就可由各转动副的输入转角值求得工作点在0 坐标系中的位置坐标值， 1 4 门- _ 川i l i j 胁跏 吣璺乞 c s 盎 嘲吣矿 吖 雩 篙 西 t 托 q ”+ 酬蚴 _ s 血 骞 辆 1 3 ，r 晚 码 一 蝴似佃 町 妯 ，：如驷心 q 叩觚 ： 鸭叩件 一 恻枷咖坩即 嘞也粼 鸠讹 傩 吣麓 长安人学硕| t ：学位论文 这就是该机构位置的正解。 将式( 2 1 2 ) 中各式对时间t 求导就得到该点速度： 出o d t + 彩2 ) c o s ( o ) i + 缈2 ) t - - 1 6c o s ( 9 3 tc o sc 0 4 t + 毛s i n 屿f - 1 4c o s0 9 3 t 一厶】 + s i n ( c a l + 2 ) f 【气心s i nc o a tc o s ( 0 4 t 一缈4 1 6c o s ( _ 0 3 ts i n 国4 t + 功3 1 5c o s0 ) 3 t + 0 ) 3 1 4s i n ( - 0 3 t 】 一缈l c o s ( o i t + ( 缈i + 国2 ) ( 1 7 1 6s i no j 4 t ) s i n ( t o , + 国2 ) t 一厶吐c o s ( o ) i + 国2 ) fc o s ( 0 4 t 鲁= 一( q + 缈z ) s i n ( q + 国：) f 【，6c 。s q f c 。s 吼f 一厶s i n 鸭，+ ，4c 。s 鸭f + 厶】 + c o s ( ( o l + c 0 2 ) f 卜，6 屿s i nc a d c o s0 3 4 t q 毛c o s o j 3 ts i n ( 9 4 t 一伤厶c o s ( - 0 3 t 一伤s i n 呜f 】 + ( 0 ) i + 缈2 ) ( 一1 6s i nc 0 4 t ) e o s ( 0 9 i + 缈2 ) f f 6 qs i n ( c o i + 国2 ) tc o s ( ) 4 t + 国l c o s ( o i t 孕= ( + 乇c o s ( 0 4 t ) c 0 3c o s3 卜彩3 毛s i nw 3 t ( 21 3 ) 显然，式( 2 1 3 ) 中各式对时间t 再次求导，即可得工作点加速度表达式。 借助正运动学的d h 表示法，可以方便的得到擦窗机工作点位置、速度及加速度 随四个输入转角或角速度的变化关系。由该关系，不难得到擦窗机有效工作范围( 如 图2 7 和2 8 ) 。更进一步，工作点运动方程的获得，为后续擦窗机结构动力分析中的 惯性力的计算以及人机工程中工作人员舒适度的评价奠定了基础。 图2 7擦窗机水平工作范围示意图 1 5 图2 8擦窗机垂直工作范围示意图 长安人学硕上学位论文 第三章有限单元法及有限元分析软件a n s y s 3 1 有限单元法概述 3 1 1 有限元理论的发展 现代科学技术的发展越来越快，交通工具也在快速的发展、建筑物的规模也在不 断壮大、大跨度的桥梁，大功率的发电机组和高精密的机械设备这些事物都在迅猛的 发展中。要完成这样的任务，这就要求工程师在设计阶段的初期就能精确地预测出产 品和工程的技术性能，需要对结构体的静、动力强度等技术参数进行大量的分析计算。 近些年来，在计算机技术数值分析方法的支持下，有限元分析方法的迅速发展使得这 样复杂的问题变得简单起来，而且效率也大大提高了。在工程实践中，有限元分析软 件与c a d 系统的集成应用，更有效的发挥了设计水平。 有限元法( f e m ) 是一种非常有效的数值计算方法，在工程界得到了普遍的拥护， 许多专家学者和技术人员都在使用。经过几十年的不断发展，有限元法从建立模型、 计算结果到程序的最终实现，都有了不小的进展。特别是近些年计算机软硬件技术的 飞速发展和有限元分析软件的不断改进，有限元法的分析功能和分析效率也有很大的 提高，特别在结构工程中，有限元法更是一种必备的分析工具。目前，在工程结构里 和机械系统及其它各类工程问题里需要数字建模、分析、设计、仿真等各方面，有限 元法都发挥着非常重要的作用。在8 0 年代后期，我们对于解决一些复杂工程问题的需 要，并且数值方法也得到了进一步的发展，新的有限元处理方法逐渐形成起来，此时 出现了好几种有限元方法( 自适应有限元方法、随机有限元方法、并行有限元方法、 智能型有限元方法、超级有限元方法等) 。有了这些先进的思想方法，很好的解决了传 统的有限元方法在解决某些问题的不足( 如物理建模、计算效率和分析精度等方面) 。 大约在2 0 世纪4 0 年代初期，有限元法的基本思想就逐渐出现了，直到1 9 6 0 年， 美国的一位科学家克拉夫在他的一篇论文中首次使用“有限元法”这个名词。在2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代的初期，有限元法在理论上就已经基本成熟了，这时一些大公 司开始研究商业用的有限元软件，不久商业化的有限元分析软件就出现在市面上，成 为工程界中必要的分析软件。 其实有限元法的出现与发展与工程领域的需求是密不可分的。大约在2 0 世纪4 0 至5 0 年代，美、英、法等国的飞机制造业发展迅猛，由于飞机结构的不断变化，这些 1 7 第三章自限单元法及有限元分析软件a n s y s 国家需要准确地了解飞机的静态特性和动态特性，这对于飞机的研究有着重要意义。 但是传统的设计计算分析方法无法满足设计的需求，于是工程设计人员就开始寻找一 种更好的分析方法，有限单元法的思想就是在这个时候出现的。有限单元法的基本思 想是将连续的结构离散成有限个单元，也就是整体离散化：并且在每一个单元中设定 有限个节点，把连续体看成只有在节点处才相连接；于此同时把场函数的节点值作为 基本的未知量来考虑，并且在每一单元中我们都假设一近似插值函数，用来近似表示 单元中场函数的分布规律情况；从而我们就可以利用力学中的某些变分原理去建立有 限元法方程，我们可以把一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由 度问题，这样就大大简化了问题的复杂性。就我们可以利用求解出来节点值和设定的 插值函数来表示单元上以至整个集合体上的所有场函数。我们可以根据以下图所示内 容清楚地知道有限元求解程序的内部过程，如图3 1 所示。 结构离散化，输入或生成有限元网格 土 计算单元刚度矩阵形成总刚度矩阵 上 形成节点载荷向量 1 l 引入约束条件 土 解线性代数方程组 上 输出节点位移 1 l 计算并输出单元的应力 图3 1 有限元程序图 我们知道单元可以设计成各种各样的几何形状，所以可灵活且方便地模拟和逼近 比较复杂的求解域。很明显，若插值函数满足我们所要的要求，只要单元数目足够的 多，所求的解的精度就会不断提高，最终就会得到收敛于问题的精确解。虽然我们从 理论上来讲，无限制地去大量增多单元的数目，我们可使数值分析解收敛于问题的最 1 8 长安大学硕上学位论文 精确解，可是这样就会大大增加计算机计算所要用的时间，使计算的效率变得很差。 我们在实际的工程应用中，只要所要求得到的数据能够满足我们工程的需要，问题能 够比较合理的解决这样就足够了。因此，我们在使用有限元方法时，我们所要求的基 本策略就是要求在分析的精度和分析的时间上找到一个合理的平衡点，使我们所做的 工作最有效。 3 1 2 有限单元法的基本原理 我们知道有限元法最初产生于经典的力学理论，遵循最基本的力学原理。因为其 实质上使用进行分块的近似的插值函数去逼近整体形成的连续函数这样的方法，它可 以使连续体的力学问题，进一步转化得到整体的离散逼近、分块连续的近似数值的解， 利用这种方法得到的解比其它数值解法具有更大的优越性。 我们从物理学角度去理解有限元的原理，有限元法是把无限多个质点组成的连续 物体进而转化成有限个单元的集合体来表示，单元间节点处连接是以铰链形式连接， 我们若能求得各单元的弹性特性，其实就等于可以求得组合体整体结构的弹性特性。 这样的话，我们在设定一定的约束条件和载荷作用，就可以很方便的求出各节点的位 移情况，近一步就可以求得各节点应力情况。我们从数学的角度上来说，有限元法实 际上就是把具有连续形式的微分方程转化为具有线性的代数方程组的过程，这样可以 方便的进行数值求解。我们进一步来说，就是将所要求解的区域离散化为许多小的单 元，这些离散化的单元内任意一点的位移都可以用单元节点位移的插值函数来表示， 按照原问题的控制要求和约束条件，就可以方便的求出节点的位移值。 我们将有限元分析方法的计算的基本原理归纳如下： 1 、连续物体进行的离散化：我们从力学的角度上说是将结构体进行离散化，利用 有限个容易分析的简单单元去表示较复杂的研究对象，两相邻的单元间只有通过节点 相互连接起来，每个节点都相互独立对应有限个自由度，也就是节点的广义上的位移。 我们把作用在各个单元上的外加载荷，利用虚功原理的方法转换成在各个单元的等效 化节点载荷，将使用划分后的有限个单元的集合体，用它来代替原来的连续性物体。 2 、对单元进行分析：有限元法是用节点参数作为基本未知量的，由于每个节点的 基本的未知量是不同的，我们依据所取节点的基本未知量不同，分为：( 1 ) 位移法： 我们是将节点位移值作为基本未知量：( 2 ) 力学法：我们将节点受力值作为