（机械电子工程专业论文）自行式高空作业车作业臂有限元分析与优化设计.pdf

摘要 高空作业车是一种用来运送工作人员和工作器材到达指定高度进行作业的工程机 械设备。目前，随着高空作业车使用领域的不断扩大，为了满足实际工程的需要，高空 作业车的作业高度越来越大。在这种情况下，为了保证工作人员高空作业时的人身安全， 对作业臂力学性能的研究就成为高空作业车设计领域的重点研究内容。 本文以与某公司合作开发的2 5 米自行式高空作业车的作业臂为研究对象，在对其 结构进行详细分析的基础上，利用大型有限元分析软件a n s y s ，合理地建立起作业臂 的有限元模型，并分别在六种典型工况下对其进行结构静强度、静刚度及稳定性分析， 获得了各工况下作业臂的应力分布、应力危险部位、变形分布及稳定性，分析计算结果 表明作业臂满足结构静强度、静刚度及稳定性要求；接着以作业臂自重最轻为优化目标， 以各节臂箱体钢板板厚为设计变量，采用a n s y s 中的a p d l 参数化设计语言建立作业 臂的有限元模型，在保证强度、刚度满足要求的前提下，对所研究作业臂进行结构优化 设计。优化后使得作业臂自重减少了7 8 ，达到了节省材料，降低成本的目的。 本文的研究结果表明，采用a n s y s 软件对实际工程对象进行有限元分析和结构优 化能够大大缩短设计周期、降低设计成本，具有工程实用价值，为类似实际工程问题的 研究提供了参考。 关键字：高空作业车，作业臂，a n s y s ，有限元分析，优化设计 a b s t r a c t a e r i a lw o r k i n gp l a t f o r mi sak i n do fe n g i n e e r i n ge q u i p m e n t ，w h i c hi su s e dt oc o n v e yt h e w o r k e r sa n de q u i p m e n t st ot h ea e r i a la p p o i n tp l a c ef o rw o r k i n g r e c e n t l yb e c a u s et h a tt h e f i e l do fi ta p p l i c a t i o ni se x p a n d e dd a yb yd a y , t h eh e i g h to fo p e r a t i o nb e c o m e sm o r eh i g h i n t h i ss i t u a t i o n ，i ti sn e c e s s a r ya n di m p o r t a n tt or e s e a r c ht h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e w o r k i n ga r n li nt h ed e s i g nf i e l do fa e r i a lw o r k i n gp l a t f o r mf o re n s u r i n gt h ep e r s o n a ls a f e t yi n a e r i a lw o r k i n g i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c ho b j e c ti st h ew o r k i n ga r mo ft h es d f - p r o p e l l e da e r i a lw o r k i n g p l a t f o r mw h i t2 5m e t e r s b a s e do nt h ed e t a i l e da n a l y s i so fw o r k i n g a l t ns t r u c t u r e ，t h ef i n i t e e l e m e n tm o d e lo ft h ew o r k i n ga r l ni se s t a b l i s h e dr e a s o n a b l yw i t ht h ea n s y s t h e nb a s e do n t h es t a t i cs t r u c t u r a la n a l y s i s ，s t a b i l i t ya n a l y s i sa n ds t a b i l i t ya n a l y s i so fw o r k i n ga r l ni n s i x t y p i c a lc o n d i t i o n s ，w ec a ng e tt h ed a n g e r o u sw o r k i n gc o n d i t i o n ，t h es t r e s sd i s t r i b u t i o n ，t h e d e f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o na n dt h es t a b i l i t y b yc h e c k i n gt h es t r e n g t h ，s t i f f n e s sa n ds t a b i l i t y , t h e d e s i g no fw o r k i n ga t nm e e t st h ed e m a n d s b a s e do nt h e f i n i t ed e m e n ta n a l y s i s ，f i n i t e e l e m e n to p t i m a lm o d e lo fw o r k i n ga l t ni se s t a b l i s h e db yu s i n ga p d l ( a n s y sp a r a m e t r i c d e s i g nl a n g u a g e ) t h e nt h es t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nd e s i g ni ss t u d i e di nt h i sp a p e r , i nt h a tt h e w e i g h to fw o r k i n ga r mi st h eo p t i m i z a t i o no b j e c t i v e ，a n dt h ep l a t et h i c k n e s s i st h ed e s i g n v a r i a b l e s u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h ec o n s t r a i n to ft h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s s ，t h ep l a t e t h i c k n e s si so p t i m i z e dt or e d u c et h ew e i g h ta n do p t i m i z e ds t r u c t u r e sa l er e a n a l y z e d t h e w e i g h to ft h ew o r k i n ga 册i sr e d u c e db y7 8 a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hi nt h ep a p e r , t h em e t h o d ，t h a ta n a l y z i n gt h es t a t i cs t r u c t u r a l a n do p t i m i z i n gs t r u c t u r e sb yu s i n ga n s y s ，c a ns h o r t e nd e s i g np e r i o d ，r e d u c et h ec o s to f d e s i g na n dg a i na c c u r a t er e s u l t t h er e s e a r c hp r o v i d e st h ei m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u e sf o r s o l v i n gs i m i l a re n g i n e e r i n gp r o b l e m s 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 m ；w o r k i n ga r m ；a n s y s ；f i n i t ea n a l y s i s ；o p t i m a ld e s i g n 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 未加明确注明的其它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。 论文作者签名：王滓2 0 0 c i 年5 月2 6 日 论文知识产权权属声明 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) 论文作者签名：王津 导师签名： 2 0 0 9 年5 月2 6 日 拶7 叫觚日 长安人学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 在国民经济建设中，工程机械是必不可少的技术装备，它在城市建设、交通运输、 农田水利、能源开发和国防建设等各方面都起着十分重要的作用。改革开放以来，国家 对基础设施建设投资力度的加大，以及国外大量先进设计、制造技术的引入，使得整个 工程机械行业迅速发展壮大。目前，伴随着电子计算机技术的高速发展与广泛应用，机 械设计方法越来越趋于科学化和自动化。有限元分析、优化设计、可靠性设计、创造性 设计等现代化的设计、分析方法不仅能够大大缩短产品的设计周期，还可以有效提高产 品的技术经济指标，这使得工程机械行业步入了更为广阔的发展空间。 高空作业车是一种用来运送工作人员和工作器材到达指定高度进行作业的工程机 械。由于它具有机动灵活、操作简单、安全可靠等特点，因此被广泛地用于大型场馆、 桥梁、港口海岸的检护；高层建筑的装饰、清洁与维护；通讯、供电及城市交通设施的 安装与检修；影视作品的拍摄与现场直播；高空险境及近岸水面的脱困救生；树木的剪 枝修整及药剂喷洒等方面。 1 2 高空作业车综述 1 2 1 高空作业车相关概念 1 高空作业车的分类及其各自特点 高空作业车按照驱动方式的不同，可分为手动式、车载式和自行式三种类型，它们 均可再做进一步的细分。由于本文所研究的高空作业车是自行式高空作业车，所以着重 介绍自行式高空作业车的详细分类。 自行式高空作业车有多种分类方式，按臂架的的形状分类，有直臂式和曲臂式两种 基本型式；按臂架的展开方式分类，有垂直升降式、伸缩式和折叠式三种基本型式【2 1 。 通常情况下，直臂采用伸缩式展开方式，而曲臂采用折叠式展开方式。 垂直升降式高空作业车的升降机构有套筒式和剪叉式两种，其中剪叉式的应用较为 广泛。剪叉式的升降机构由多组铰接成剪形的交叉连杆框架组成，其外观如图1 1 ( a ) 所示( g e n i e 公司出品) 。在连杆框架问装有液压缸，一般是通过液压缸的伸缩来改变 连杆交叉的角度，从而达到改变升降高度的目的。该型式的主要特点是结构简单、工作 第一章绪论 平稳、负载能力强适合较低高度的作业，但其升降机构只能做垂直运动，这导致佑世 范围狭小，所以它的使h j 场合较少。伸缩臂式高空作业车的升降机构由多节套装、可伸 缩的箱形臂组成，其外观如图i1 ( b ) 所示( 京城重工机械有限责任公司出品) 。当行 驶时，作业臂收缩套叠；当工作时，各节臂采用或独立、或顺序、或同步的方式伸缩， 以此改变臂架的伸出长度来满足小同的作业需求。该型式的主要特点是操作简单、动作 平稳，可以获得较大的作业高度与作业幅度，因此应用非常广泛。折叠臂式高空作业车 的升降机构是由多1 7 箱形臂铰接而成的，其外观如图11 ( c ) 所示( g e n i e 公司出品) 。 折叠臂式通常采用2 q 节折叠臂，折叠的方式有上折式和下折式两种，各节臂的折叠和 展开运动由各节阃的液压缸完成。该型式的主要特点是适合较低高度的作业，升降机构 灵活多样、适应性好、越障能力较强，因此它的应用也比较广泛。将折叠臂和伸缩臂结 合在一起组成的臂架型式被称为混合臂式，这种臂架型式融合了两种基本型式臂架的优 点，不仪作业高度和作业幅度较大，越障能力也较强，但它的结构也晟为复杂p , 4 】。 凌 a ) 剪叉式( b ) 仲缩式 ( c ) 折叠式 图l _ 1 高空作业车外观图 2 高空作q k l ：的结构纽成 高空作业车通常是由动力装置、工作机构、会属结构与控制系统叫部分构成。备部 分的组成及功能如f 1 ： ( 1 ) 动力装最 动力装置是高空作业车的动力源。车载式高空作业车一般直接采用汽车底盘发动机 氓矿凶 一 幽 长安大学硕上学位论文 作为整车的动力源。自行式高空作业车的动力装置有内燃机式和电动式两种，其中内燃 机式较为常见，电动式适用于在流动性不大或外接电源方便的场地作业。 ( 2 ) 工作机构 高空作业车的工作机构一般包括行走、回转、举升和调平四个基本部分，各部分多 采用液压驱动、电液操纵的形式，可实现高空作业车的不同作业要求。行走机构用于实 现工作场所的转移，采用通用汽车底盘的高空作业车灵活机动，行驶速度高，能够快速 转移，适用于流动性大、不固定的作业场所，而采用专用型底盘的高空作业车( 即自行 式高空作业车) ，结构紧凑、体积小巧，能够实现微动行驶，适用于固定场所作业【5 1 ； 回转机构通常采用3 6 0 。全回转形式，可根据实际作业需要选择正、反回转方向，回转 机构使得高空作业车的作业范围从面扩大到一定空间；举升机构的作用是实现工作平台 的升降和变幅：高空作业车的工作平台是用于承载人和器材的基本构件，为了保证工作 人员安全和防止工作器材掉落，工作平台的底面在作业过程中要始终保持水平，调平机 构就是用来满足这一要求的，它主要有机械、机液组合和电液组合三种方式。 ( 3 ) 金属结构 作业臂、回转平台、车架等金属结构是高空作业车的骨架，各工作机构的零部件都 安装或支承在这些金属结构上。高空作业车金属结构的组成构件比较多，钢材消耗量较 大。因此，优化设计高空作业车的金属结构，对减轻高空作业车的自重，节省钢材，改 善其作业性能有着重要的意义。 ( 4 ) 控制系统 控制系统一般包括操纵装置和安全装置，是用来解决各机构如何运动问题的。高空 作业车一般要求设置上( 工作平台) 、下( 操作台) 两处操作控制面板，上操作控制面 板为主控面板，下操作控制面板只有在主控面板操作失效或其它紧急情况下才能使用。 目前，国内大多采用电开关控制电磁阀实现上、下操作，而国外除采用电控操纵外，还 采用液控操纵。安全装置包括各种传感器、行程开关、液压锁止阀和报警器等，可以检 测危险工况，保证工作的安全性。此外，高空作业车还应配备紧急停止装置，并安装在 操作者的应急位置，在紧急情况下，该装置可有效地停止一切动作，保护高空作业车和 工作人员的安全。 3 高空作业车的主要性能参数【6 1 高空作业车的主要性能参数有：作业高度、作业幅度、作业速度和工作平台的装载 质量等。 第一章绪论 ( 1 ) 作业高度h 作业高度是指工作平台底面离地高度与工作人员手臂所能到达的平均高度之和。通 常把作业高度分为最大作业高度h 一和最大作业幅度时的作业高度h 。 ( 2 ) 作业幅度r 作业幅度是指高空作业车回转中心线( 对于垂直升降式高空作业车为升降的中心 线) 至工作平台外边缘的水平距离r 。 ( 3 ) 作业速度v 高空作业车的作业速度包括：工作平台在垂直方向起升的平均速度和下降的平均速 度，以及工作平台的回转速度。 ( 4 ) 工作平台的装载质量q 高空作业车工作平台的装载质量是指标定装载质量，不包含工作平台的自身质量。 1 2 2 高空作业车发展概况 1 国外发展现状 高空作业车在世界上已有5 0 多年的发展历史。最早的高空作业车大约于1 9 5 0 年诞 生于英国，由于是用于路灯维修，所以其作业高度集中在1 2 1 5m 。此后1 0 年间，高 空作业车的发展极其缓慢。直到1 9 6 0 年美国开始使用高空作业车后，高空作业车的发 展才有了较大突破，作业高度扩展到4 6 m 。1 9 7 3 年，日本也加入到高空作业车的生产 行列，并迅速成为产量最多的国家之一。进入上世纪8 0 年代以后，由于市场需求量的 扩大以及技术水平的不断提高，高空作业机械行业进入快速发展期【7 】。 目前，高空作业车在国外已形成一个完整的专用产品研发、生产体系，尤其是在美 国、英国、日本、意大利、德国等发达国家，一般都有专门的公司和集团主营或兼营高 空作业机械，其中较为著名的如美国c r o v e 公司和g e n i e 公司、英国c o l e s 公司和 s i m o n 公司、意大利r i c o 公司、芬兰b r o n t o 公司以及日本多田野和爱知株式会 社等。随着各种新技术的大量应用，国外高空作业车的安全性、可靠性、舒适性及操作 简易性都有了很大提耐8 1 。在德国慕尼黑举办的“b a u m a2 0 0 7 ”博览会上，约有3 0 余 家高空作业车生产厂家参会，他们展出的产品作业高度从8m 到1 0 1m 档次密集，不仅 型式丰富，性能也十分优越，充分显示了欧、美、日等发达国家设计技术的成熟【9 1 。 从各大知名公司推出的高空作业车新产品上，可以发现国外高空作业车的主要发展 趋势是实现产品的通用化、系列化、最优化( 采用计算机辅助设计) 、液压化、轻量化 4 长安人学硕十学位论文 ( 采用高强度材料、减轻构件重量) 和机电液一体化【l0 1 。 2 国内发展现状 我国高空作业车的生产起步于2 0 世纪7 0 年代末，至今已有3 0 多年的发展历史。 目前，我国的高空作业机械生产经营企业已由最初的7 、8 家迅速增加到1 0 0 余家，其 中，有4 家是与国外合资或者合作生产的企业【1 1 1 。 在产品的种类上，国内生产的高空作业车主要是折叠臂式，产品品种规格较为单一。 这主要由两方面的原因造成，一是因为折叠臂式高空作业车不仅能够满足多数作业高度 的需求，还具有结构简单、成本较低等优势，另外，作为最早引进国内的高空作业车车 型，使用者对其存在操作习惯性，这些使得折叠臂式高空作业车较其它车型仍拥有较大 的市场需求量。除此之外，伸缩臂式及混合臂式高空作业车在设计、制造等方面有较高 的要求，国内生产厂家还没有完全解决关键技术问题，如工作平台的调平技术、工作半 径的限制技术以及电气和液压管路的输送技术等，这也是制约这些车型完全国产化的又 一重要原因【4 1 。但是随着我国经济和城市建设的快速发展，高空作业车的服务领域也在 迅速扩大，为了满足不同行业和不同作业性能的需求，新产品的开发已经迫在眉睫。针 对这种情况，国内高空作业机械行业的一些骨干企业在原有产品的基础上，不断加大新 产品的开发力度。如杭州爱知车辆有限公司在短时间内先后完成了绝缘型高空作业车等 l o 多种系列高空作业车产品的研制，并开发了全液压驱动自行伸缩臂式高空作业平台， 其最大作业高度为2 6 7 m ，填补了国内该型式产品的空白，为船舶修造、建筑、机场及 工矿企业的安装检修等提供了新产品。此外，锦州重型机械股份有限公司、抚顺起重机 总厂、徐州工程机械集团以及重庆大江工业( 集团) 有限公司等也先后开发了3 0 m 以 上的高空消防作业车，彻底打破了以往该类型产品只能依赖国外进口的局面【1 2 , 1 3 1 。 在产品性能上，我国高空作业机械行业的一些骨干企业通过学习、引进和消化国外 先进技术，不断提高新产品的技术水平和质量性能，已有部分产品达到或接近国际同类 产品的水平 1 2 】。这些企业新产品的开发对推动整个行业技术的进步起到了一定作用，但 总体来说，国内生产的高空作业车与国外同类型产品相比仍存在一定的差距，主要表现 为产品型谱未系列化、高空作业车专用底盘缺乏、基础零部件配套水平较差、关键技术 不成熟等。在今后的开发研制中，应针对这些问题采取有效措施，通过引进、学习、消 化国外先进技术和企业自主技术攻关，不断提高产品的质量与技术水平，逐渐缩小国内 外产品的差距。 第一章绪论 1 3 课题简介 1 3 1 课题的背景及意义 高空作业车是一种在工程起重机基础上发展起来的高空作业设备，但由于需要载人 作业，所以和一般的起重运输机械相比，高空作业车又有其特殊性。当采用高空作业车 作业时，工作人员会处于十几米甚至几十米的高空，为了确保他们的人身安全，高空作 业车的作业臂应具有更高的安全性和可靠性。 作业臂是高空作业车的主要承载部件，它的设计性能的优劣会直接影响到整机的技 术性能。长期以来，高空作业车作业臂的设计都是采用传统的力学计算方法，这种方法 计算复杂，设计周期较长，此外，在对复杂结构进行计算时还需作较多假定和简化，这 导致计算结果的准确性较差，同时，为了保证结构的安全可靠，设计时选取的安全系数 一般偏大，这往往会造成材料的浪费以及制造成本的升高，不容易获得经济性与可靠性 兼顾的最优方案。而以有限元计算方法件为理论基础的有限元分析软件则可以有效地解 决这些问题。以a n s y s 为代表的有限元分析软件不仅使用方便、功能强大、分析高效， 计算精度也较高，其计算结果已经成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。 本课题针对与某公司合作开发的2 5 m 自行式高空作业车，利用有限元分析软件 a n s y s 对该高空作业车的作业臂结构进行有限元分析，得出的分析结果对该作业臂及 同类型产品的设计和改造有一定指导意义。此外，本文还对该自行式高空作业车的作业 臂进行了结构优化设计，并取得了具有一定参考价值的优化结果。 1 3 2 课题的主要研究内容 本文以某2 5 m 自行式高空作业车的作业臂为研究对象，采用有限元分析软件 a n s y s 建立臂架的有限元计算模型，对其进行结构静力( 刚度、强度) 分析及屈曲稳 定性分析，并借助a n s y s 软件的优化设计功能对该作业臂进行优化，具体的研究内容 包括： 1 在对该自行式高空作业车作业臂的结构形式及工作原理进行详细分析的基础 上，运用a n s y s 软件合理建立起作业臂的有限元计算模型； 2 运用a n s y s 软件，分别在六种典型工况下对该自行式高空作业车作业臂进行 静强度、静刚度分析及屈曲稳定性分析，获得各工况下作业臂的应力分布、应力危险部 位、变形分布以及稳定性，同时确定高空作业车作业时的最危险工况，为高空作业车的 结构设计提供参考依据； 6 长安人学硕士学位论文 3 利用a n s y s 软件的优化设计功能对该自行式高空作业车作业臂进行结构优化 设计，以达到减轻作业臂自重、节省钢材、降低制造成本的目的。 7 第二章有限元法理论及有限元分析软件a n s y s 第二章有限元法理论及有限元分析软件a n s y s 2 1 有限元法理论 2 1 1 有限元法概述 解析法( a n a l y t i c a lm e t h o d ) 和数值法( n u m e r i cm e t h o d ) 是处理各种力学问题的 主要方法。解析法是指经过“分析具体问题抽取数学模型解析表达式解决 问题 这一系列分析步骤来获得问题答案的求解方法。数值法是一种以现代数学和力学 理论为基础，借助计算机获得满足工程要求的近似解的求解方法。由于实际问题的复杂 性和影响因素众多等不确定性，绝大多数的工程计算问题是难以用解析法求得解析解 ( 即精确解) 的。因此，在满足需要的前提下，采用数值法求得近似解来替代解析解就 成为一种常用的解题方法【1 4 】。 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是一种应用最为广泛的数值解法，其基本思想是 将连续的求解域离散为有限个通过节点相互连接在一起的单元的组合体，由于单元形状 规则简单，比较容易通过平衡关系和能量关系建立单元节点量之间的函数关系式，所以 先对单元进行分析，然后将各个单元方程“组集”在一起而形成总体代数方程组，加入 边界条件后对方程组求解，也就是整体分析 1 5 , 1 6 】。由于是用较简单的问题代替实际问题， 所以这个解不是准确解，而是近似解。但是只要所研究的问题本身有解，并且对其建立 了合理的数学模型，那么就可以通过提高网格划分的细密程度来提高这个近似解的精确 程度，但与此同时，计算的复杂程度和所需耗费的时间也会相应提高。 这其中，节点、单元和自由度是构成有限元系统的3 个基本要烈1 6 j 。 1 节点( n o d e ) 节点是构成有限元系统的基本组成对象，它包含了坐标位置以及具有物理意义的自 由度信息。 2 单元( e l e m e n t ) 单元是由节点和节点相连而成，是构成有限元系统的基础。一个有限元系统必须有 至少一个以上的单元。单元和单元之间由各个节点相互连接。 3 自由度( d o f ，d e g r e eo ff r e e d o m ) 自由度包括系统自由度和节点自由度。整个系统的自由度，在分析中需要进行适当 的约束，系统中每个节点都有各自的节点坐标系和对应的节点自由度，对于不同的单元 8 长安大学硕十学位论文 上的节点，具有不同的自由度。 2 1 2 有限元法分析步骤 利用有限元法进行结构分析可遵循一个较为规范的流程，其步骤如下【1 6 , 1 7 ： 1 结构离散化 有限元法的基本思想概括来讲就是化整为零，分散分析，再积零为整【1 8 】。因此分析 的第一步就是结构离散，即将所要分析的结构分离成有限个依靠节点相互连接的单元。 在这个过程中，还需要对每个单元和节点进行编号，同时记录下每个节点的坐标值、每 个单元的类型及其所对应的节点号和单元物理特性等信息。 2 单元特性分析 单元特性分析就是将离散化后的每个单元看作一个研究对象，对节点位移与节点力 之间的关系进行研究。分析包括以下三个方面的内容： ( 1 ) 确定单元的位移模式 在有限元法中，可分别选择节点位移、节点力作为基本未知量，相对应的方法即称 为位移法、力法，也可将节点力和节点位移均选作基本未知量，这种就称为混合法。由 于位移法便于实现计算机自动化，所以其应用范围最广。 当采用位移法时，在完成结构离散化之后，可以用节点位移来表示单元中的一些物 理量，比如位移、应变和应力等。这时可以用一些逼近原函数的近似函数来描述单元中 位移的分布。在有限元法中，通常将位移表示为坐标变量的简单函数。这种近似函数就 称为位移模式，也称位移函数或插值函数。位移函数的假设是否合理，直接影响到有限 元分析的计算精度、效率和可靠性。 ( 2 ) 分析单元的力学性质 根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力 和节点位移的关系式。这是单元分析中比较关键的一步，需要应用弹性力学中的几何方 程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵。 ( 3 ) 计算等效节点力 物体离散化后，力是从单元的公共边界传递到另外一个单元中去。但是对于实际的 连续体来说，力是从单元的公共边界传递到另外一个单元中去。因此这种作用在单元边 界上的表面力、体积力或集中力都需要等效地移到节点上去，也就是用等效的节点力来 替代所有作用在单元上的力。 9 第二章有限元法理论及有限元分析软件a n s y s 3 单元组集 利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新集合起来，形成整 体的有限元方程： k u = f ( 2 1 ) 式中，k 是整体结构的刚度矩阵；u 是整体结构所有节点的位移列阵；f 是总的载 荷列阵。 4 求解未知节点位移 引入边界条件，根据不同的计算方法求解有限元方程，从而得出各节点的位移。节 点的边界条件有两种：一种是节点沿某个方向的位移为零，另一种是节点沿某个方向的 位移为一给定值。 5 计算单元内部应力与应变 根据求解的节点位移，采用所选定的位移函数，计算单元内部任意点的应力与应变。 2 1 3 有限元法发展概况 有限元法的基本思想最早是由c o u r a n t ( 柯兰特) 于1 9 4 3 年在文献 1 9 中提出的， 他第一次将有限元法应用于连续体问题的处理上。1 9 6 0 年，美国的c l o u g h ( 克拉夫) 在处理剖面弹性问题时，在文献【2 0 】中第一次正式提出并使用“有限单元法 的名称。 这使得人们对有限元法的认识更加清晰。此后，各领域的研究人员开始使用这一方法来 处理结构分析、流体分析、热传导、电磁学等复杂问题【2 1 1 。2 0 世纪7 0 年代以后，随着 计算机技术和软件技术的广泛应用和发展，有限元法进入了高速发展时期。我国学者对 有限元法的研究起步较晚，但也为其发展做出了杰出的贡献。在理论研究方面，胡海昌 提出了广义变分原理，钱伟长最先研究了拉格朗日乘子法与广义变分原理之间的关系， 冯康研究了有限元法的精度和收敛性问题，钱令希研究了余能原理等1 1 8 】；在理论实践方 面，陈文伟等曾应用有限元法思想对叶片截面几何参数进行计算。 有限元法能够灵活处理和求解各种复杂的问题。其深厚的理论基础使得解算结果较 为稳定，在大多数情况下都可以得出准确的误差估计【2 2 1 。此外，有限元法清晰的数据结 构和丰富的功能，使得将其开发为相关应用方向的专用软件成为可能。这些优点使得有 限元法的应用领域不断扩大，从最初的杆状构件问题发展到弹性力学平面问题，并进一 步扩展到空i b j 问题、板壳问题：由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和接触问题。 研究的对象从弹性材料扩展到弹塑性、粘塑性、粘塑性复合材料，由研究小变形问题扩 l o 长安人学硕士学位论文 展到研究大变形问题，由简单的线性问题扩展到复杂的非线性问题。从固体力学扩展到 流体力学、热传导、电磁学等连续介质领域。可以说，作为一种数值计算方法，有限元 方法已经渗透到科学、工程的方方面面，成为人们进行科学研究、工程计算、工程设计 的重要手段【1 8 l 。 2 2 有限元分析软件a n s y s 有限元软件是应用有限元法进行分析的数值计算软件，它是伴随着有限元法和计算 机技术的发展而迅速发展起来的。2 0 世纪7 0 年代后期，国际上较大型的面向工程的有 限元通用商业软件已经达到数百种，而引入我国的各种大、中型专用和通用有限元著名 软件也有数十种，主要包括：a n s y s 、a d a m s 、a d i n a 、i - d e a s 、m a r c 、n a s t r a n 、 s a p 等。其中，a n s y s 是最为通用有效的有限元分析软件之一【l 6 1 。 2 2 1a n s y s 软件概述 a n s y s ( a n a l y s i ss y s t e m ) 是由世界著名力学分析专家、匹兹堡大学教授j o h n s w a n s o n 博士创建的s a s i ( s w a n s o na n a l y s i ss y s t e mi n c ) 公司开发的一种集结构、热、 流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。a n s y s 的使用 范围涵盖了核工业、机械制造、航空航天、石油化工、汽车交通、国防军工、土木工程、 能源、电子、地矿、水利、日用家电、生物医学及教学科研等众多领域【2 3 2 4 1 。 经过3 0 多年的发展，a n s y s 软件已经成为能够紧跟计算机硬、软件发展的最新水 平，功能丰富，用户界面( 如图2 2 所示) 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。它的主要技术特点有：系统各个模块使用统一和集中式的数据库； 拥有强大的建模能力和求解功能；能够实现智能网格划分；具有强大的非线性分析功能 及良好的优化功能；可以进行多物理场耦合分析；提供与其它程序的接口，可实现数据 共享与交换；具有开放式的结构，支持用户对其进行二次开发【2 5 】。 第一h m 儿* g * 擞有限，c 分析戟件a n s y s 图21a n s y s 图形用户并面 i 应用菜单2 输 窗口3 快捷菜单4 图形窗口s 主菜单6 工具栏 2 , 22a n s y s 基本构架l 2 5 枷 a n s y s 软忭的基本构架可分为起始层 输入的操作命令通过起贻层过滤和分流后， 求解模块) 中。 i 起始层 ( b e g i nl e v e l ) 和处理层( p r o c e s s o rl e v e l ) 。 再进入到处理层不h 的程序求解器( 或称为 启动a n s v s 程序_ | 荷，所在位置印为起始层。起始层的功能足： ( 1 ) 把不周的操作命令分流进不同的处理器层； ( 2 ) 清除当前所有数招及命令，开始新任务； ( 3 ) 改变工作文件名称： ( 4 ) 退出a n s y s 程序。 2 处理屡 处理层主耍包括三个模块，分别是前处理模块、求解模块和后处理模块，其各自的 功能是； ( 1 ) 前处理模块 长安大学硕士学位论文 在前处理模块中，用户可以任选a n s y s 软件提供的4 种有限元模型建立方法创建 有限元模型。这4 种方法分别是：直接建模、实体建模、导入其它c a d 软件中所创建 实体模型以及导入其它c a d 软件中所创建有限元模型。每种方法都有各自的特性，在 创建有限元模型时可以根据所分析问题的具体情况选择适合的建模方法。 ( 2 ) 求解模块 求解模块是a n s y s 软件用来对所建立的有限元模型进行力学分析和有限元求解 的，在该模块中，用户可以定义分析类型和分析选项、施加载荷和载荷步选项，然后开 始有限元求解。 ( 3 ) 后处理模块 a n s y s 软件有两个后处理模块：通用后处理模块p o s t i 和时间历程后处理模块 p o s t 2 6 。通过友好的用户界面，可以很容易获得求解过程的计算结果并对其进行显示。 这些结果可能包括位移、温度、应变、应力、速度及热流等，输出形式有图形显示和数 据列表两种。 2 2 3a n s y s 分析步骤 a n s y s 分析过程主要包括以下3 个步骤2 7 ，2 8 2 9 】： 1 创建有限元模型 ( 1 ) 创建或读入实体模型 a n s y s 使用的模型可分为实体模型和有限元模型两大类。实体模型是用数学的方 式表达结构的几何形状( 类似于c a d ) 。该类模型既可以在其中填充节点和单元，也可 以在模型的边界上施加载荷及约束。有限元模型是专门供有限元分析计算使用的由节点 和单元组成的模型。实体模型只有在经过网格划分生成有限元模型后才能进行有限元分 析，而所有施加在实体模型边界上的载荷或约束也必须传递到有限元模型的节点和单元 上进行求解。在建立模型时，还应根据问题的具体要求和实际情况，对模型进行合理简 化，才能使建立的模型既简单又能比较真实地反映实体的力学特性。 ( 2 ) 定义材料属性和单元属性 a n s y s 软件在建立有限元模型的过程中，首先需要进行相关参数定义，主要包括 定义单位制、定义单元类型、定义单元实常数、定义材料模型和材料特性参数、定义几 何参数等。 a n s y s 软件提供了2 0 0 余种不同的单元类型，经常使用的有线单元、梁单元、杆 第一二章有限元法理论及有限元分析软件a n s y s 单元、弹簧单元、壳单元、面单元以及实体单元。不同的单元类型适用于不同的分析类 型、不同的材料以及不同的几何模型，单元的选择将影响其最终的分析结果。选择单元 的基本原则是在满足求解精度的前提下尽量采用低维数的单元，即选择单元优先级从高 到低依次为点、线、面、壳、实体。 ( 3 ) 有限元网格划分 网格划分是将几何模型转化为由节点和单元构成的有限元模型。有限元分析中，最 重要的一步就是将几何模型经网格划分为有限元模型，网格划分的质量在一定程度上就 决定了有限元模型与几何实体模型的逼近程度，因此网格划分的好坏将直接影响到最终 分析计算结果的准确性和计算精度，网格划分不合理甚至会导致计算不收敛。 a n s y s 软件提供了四种网格划分方法：自由网格划分、映射网格划分、延伸网格 划分和自适应网格划分。 自由网格划分方法没有单元形状的限制，网格也不遵循任何模式，因此适合于对复 杂形状的面和体进行网格划分，网格的密度既可以通过单元尺寸进行控制，也可以采用 智能划分。映射网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单 元属性和网格控制，生成映射网格，映射网格划分主要适合于规则的面和体，其网格密 度也依赖于当前尺寸的设置。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格，主 要是利用体扫略，从体的某一边界面扫略贯穿整个体而生成体单元。自适应网格划分是 在生成了具有边界条件的几何模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、 估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差， 直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。 2 施加载荷并求解 用户可以在求解阶段施加载荷并求解获得分析结果，a n s y s 软件提供的分析类型 有结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、运动学分析、热分析、流体动力 学分析、电磁场分析、声场分析以及压电分析等。 3 查看结果 ( 1 ) 查看分析结果 可以通过通用后处理模块p o s t l 来获得分析结果的图形显示和输出；通过时间历 程后处理模块p o s t 2 6 来查看在一个时间段或子步历程中的结果。 ( 2 ) 检查结果 无论输入的参数正确与否，a n s y s 软件都只会根据输入的数据进行计算，而不会 1 4 长安人学硕十学位论文 对数据和计算分析的结果作出判断，因此，使用者需要根据后处理模块生成的图表，结 合相关专业知识自行判断计算结果的正确性。 1 5 第三章自行式商空作业车作业臂有限兀分析 第三章自行式高空作业车作业臂有限元分析 3 1 自行式高空作业车简介 本文所研究的高空作业车采用自行式底盘，液压驱动，针对臂架收回和伸展两种状 态设有不同的最高行驶速度。工作装置主要由转台、作业臂、工作平台等组成。转台通 过回转支承安装在车架上，在回转机构的驱动下可实现3 6 0 。全回转。工作平台采用等 容积液压缸调平机构调平。作业臂采用三节伸缩箱形臂式结构，通过臂架的伸展、举升 可将工作人员和工作器材送至2 5m 高空进行作业。整机外观简图如图3 1 所示。 图3 1 2 51 1 1 自行式高空作业车外观简图 1 配重2 转台3 举升液压缸4 一节臂5 二节臂 6 三节臂7 工作平台8 调平液压缸9 底盘 该自行式高空作业车的相关技术参数如表3 1 所示。 表3 1 所研究自行式高空作业车相关技术参数 项目参数值 最高行驶速度( k m h ) 1 1 5 6 转台回转角度( 。) 3 6 0 作业臂俯仰角度( 。) 1 5 + 7 5 最人作业高度( m ) 2 7 平台底面最大高度( m )2 5 平台最人作业幅度( m ) 2 2 5 平台最人载荷( k g ) 3 4 0 平台同转角度( 。) 一9 0 - - + 9 0 1 6 长安大学硕士学位论文 3 2 所研究作业臂的结构与材料 3 2 。l 作业臂的结构 本文所研究的自行式高空作业车的作业臂为三节伸缩式箱形臂。一、二、三节臂均 由四块薄钢板焊接成箱形，其中，一节臂长9 4 m ，二节臂长9 4 2 m ，三节臂长9 1 4 7m 。 由于伸缩臂主要承受轴向压力、弯矩以及扭转，因此，采用箱型结构有利于臂架减轻自 重，提高抗弯能力。一节臂根部与转台立板铰接，二者之间可以相对转动，同时一节臂 下部还与举升液压缸铰接，通过举升液压缸的伸缩可实现作业臂俯仰角度的变化。各节 臂架之间可以相对滑动，靠它们搭接部分之间设置的滑块进行导向。当高空作业车处于 行驶状态时，二、三节臂收缩套叠在一节臂内；当高空作业车需要进行作业时，二、三 节臂在伸缩液压缸和钢丝绳的作用下同步伸缩，以满足不同作业高度的需要。本文所研 究作业臂的结构如图3 2 所示。 图3 2 所研究作业臂结构图 1 伸出钢丝绳一节臂固定处2 伸出钢丝绳3 伸缩液压缸4 一节臂 5 二节臂6 滑轮1 7 三节臂8 收回钢丝绳一节臂固定处9 收回钢丝绳 l o 伸出钢丝绳三节臂固定处 1 1 收回钢丝绳三节臂固定处1 2 滑轮21 3 伸缩液压缸活塞杆一节臂固定处 伸缩液压缸倒置安装在作业臂内，其安装中心线与二节臂的中心线重合。伸缩液压 缸活塞杆端部固定在一节臂的根部，缸体一端固定在二节臂根部，另一端与滑轮1 连接 在一起，悬空在三节臂内。此外，作业臂内还设有带动三节臂伸缩的伸出钢丝绳和收回 钢丝绳。伸出钢丝绳的一端固定在一节臂根部，另一端绕过滑轮1 固定在三节臂根部。 收回钢丝绳的一端固定在三节臂根部，另一端绕过安装于二节臂根部的滑轮2 ，最终固 定于一节臂头部。当作业臂展丌时，伸缩液压缸直接推动二节臂向外伸出，与伸缩液压 缸连接在一起的滑轮l 也随之伸出，绕在滑轮1 上的伸出钢丝绳逐渐张紧，带动三节臂与 1 7 第三章自行式高空作业车作业臂仃限元分析 二节臂同步伸出；当作业臂收回时，伸缩液压缸直接拉动二节臂向内收回，安装于二节 臂头部的滑轮2 也随之向内收回，绕在滑轮2 上的收回钢丝绳逐渐张紧，带动三节臂与二 节臂同步收回。为了保证臂架伸缩的平稳，伸出钢丝绳和收回钢丝绳均为两根，对应的 滑轮1 和滑轮2 也各有两个。 3 2 2 作业臂的材料 所研究高空作业车作业臂的材料为低合金钢1 6 m n ，其相关力学性能如表3 2 所示。 表3 21 6 m n 的力学性能 材料屈服强度c r ( m p a )抗拉强度o b ( m p a )特性 综合力学性能、焊接性及低温韧 1 6 m n 3 4 5 5 1 0 性、冷冲压性及切削性均好。 3 3 所研究作业臂有限元模型的建立 3 3