多功能高空作业平台设计及关键机构动态特性分析优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

学校代码 10289 分类号 th122 密 级 公 开 学 号 092020018 江苏科技大学江苏科技大学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 多功能高空作业平台设计多功能高空作业平台设计及及关键关键机构机构 动态特性分析动态特性分析 研 究 生 姓 名 江 伟 导 师 姓 名 李钦奉 申请学位类别 工 学 硕 士 学位授予单位 江 苏 科 技 大 学 学 科 专 业 机械制造及其自动化 论文提交日期 2011 年 12 月 15 日 研 究 方 向 先进制造系统及其使能技术 论文答辩日期 2012 年 3 月 12 日 答辩委员会主席 评 阅 人 2011 年 3 月 10 日 多 功 能 高 空 作 业 平 台 设 计 及 关 键 机 构 动 态 特 性 分 析 江 伟 江 苏 科 技 大 学 分类号 th122 密 级 公 开 学 号 092020018 江苏科技大学硕士学位论文 多功能高空作业平台设计多功能高空作业平台设计及及关键关键机构机构 动态特性分析动态特性分析 学生姓名 江 伟 指导教师 李钦奉教授 江苏科技大学 二 o 一二年三月 a thesis submitted in fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering design of multifunction high altitude platform and dynamic characteristics analysis of the key mechanism submitted by name jiang wei supervised by professor name li qingfeng jiangsu university of science and technology march 2012 论论 文文 独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是我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 也不包含为获得江苏科技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谢意 学位论文作者签名 日 期 学学 位位 论论 文文 使使 用用 授授 权权 声声 明明 江苏科技大学有权保存本人所送交的学位论文的复印件和电子文稿 可以将学位 论文的全部或部分上网公布 有权向国家有关部门或机构送交并授权其保存 上网公 布本学位论文的复印件或电子文稿 本人电子文稿的内容和纸质论文的内容一致 除 在保密期内的保密论文外 允许论文被查阅和借阅 研究生签名 导师签名 日 期 日 期 摘 要 i 摘 要 高空作业平台是高空维修的主要设备之一 能将工作人员和相关设备运送到指定 高度进行作业 具有操作简单 安全可靠等功能 广泛应用于城市电力 建筑等领域 由于变电站现场维修环境的特殊性 现有的设备并不能完全满足现场维修的需要 急 需一种新型设备来克服现有设备的缺陷 本文针对以上问题 以检修变电站某种类型 的互感器为对象 对现有的高空作业平台进行深入的研究 研制一种集高空作业平台 和起重机于一体的多功能高空作业平台 在分析整体方案的基础上 针对起重机的受 力特点 建立了承载多种载荷工况的几何模型 进行了有限元分析和优化 并对关键 机构进行动态特性的研究 为新产品的开发提供了一定的指导 论文主要研究了以下内容 1 针对变电站工作现场的特点 提出了多功能高空作业平台的设计参数 在分 析多种方案的基础上 选出了一种最佳方案 多节伸缩臂滑动式升降机构 体积小 轻巧方便 同时具有高空检修 吊装 梯子和重物搬运等功能 然后对起吊机构 变 幅机构 旋转机构和伸缩臂机构进行详细的结构设计 从而确定了整体结构模型 2 应用 hypermesh 软件对整机的三维模型进行网格划分 在此基础上运用 abaqus 软件进行有限元分析 得到了两种工况下各构件的应力和位移分布规律 并根据分析结果对应力集中处进行结构改进 3 根据改进后的分析结果 各处应力集中都相应的减小 但伸缩臂受力仍不均 匀 应用 optistruct 软件进行离散尺寸优化 使整机的重量和体积都相应减小 各构件受力均匀 获得了较为理想的结构 4 运用动力学仿真软件 adams 对多功能高空作业平台进行了动态分析 生成 一系列执行机构的动力学特性曲线 为设备的工作性能提供参照依据 同时为了防止 丝杆在作业过程中发生共振 对丝杆进行模态分析 得出其固有频率和振型 进一步 确定整机的安全可靠性 关键词 高空作业平台 起重机 结构设计 有限元分析 优化 动态分析 abstract ii abstract high altitude platform is one of the main high altitude maintenance equipment which can sent the staff to the designated height being of simple operation reliable safe and serving the city s energy and the building the existing equipment can t completely meet maintenance needs due to the complex environment so a new equipment needed to remedy the defect be aimed at above problem the article focuses on some kind of transformer and carrys deeply research on high altitude platform then we develop a new multifunction high altitude platform with functions of repairing platform and crane on the basis of analysis the whole project finite element analysis model under the load condition is established according to the load feature of crane and being finite element analysis optimization and dynamic characteristics which provide guidance for the new products main researches are as follow 1 according to the substation characteristics we introduce design parameters of the multifunction high altitude platform on the basis analysis of the whole project we choose the best project multiple class telescopic sliding and lifting mechanism compact and easy to use with functions of repairing platform crane ladder and handling hoisting institutions luffing mechanism slewing mechanism and telescopic jib institutions are designed in detail the whole structure are finally determined 2 finishing the dimensional gridding of the model by hypermesh software and using abaqus software to analysis the model we get the distributional regularities of stress and displacement under two work conditions and then make improvement to the structure under the results of analysis on the stress 3 according to the results of the improved structure the stress concentration decreased except non uniform load of telescopic jib we make discrete size optimization with optistruct software and get the desired structure of small size and light weight 4 being dynamic analysis on multifunction high altitude platform with adams software we get dynamic executive curve which provides a reference for working performance of equipment in order to prevent screw resonance occurred we need to make sure its natural frequency and mode shape and further to confirm high safety and reliability keywords high altitude platform crane structural design finite element analysis optimization dynamic analysis 目 录 iii 目 录 摘 要 i abstract ii 第一章 绪论 1 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 1 研究背景 1 1 1 2 研究意义 2 1 2 国内外研究现状及存在的问题 3 1 2 1 研究现状 3 1 2 2 存在问题 5 1 3 本文研究的主要内容与结构 6 1 3 1 研究内容 6 1 3 2 文章结构 7 1 4 本章小结 7 第二章 非线性有限元理论和动力学理论 8 2 1 非线性有限元分析理论 8 2 1 1 非线性有限元的力学基础 8 2 1 2 非线性有限元求解方法 11 2 1 3 接触单元分析理论 13 2 2 动力学理论 14 2 2 1 多体动力学的分析思想 14 2 2 2 多刚体系统动力学 14 2 2 3 多体系统动力学方程求解 16 2 3 本章小结 18 第三章 多功能高空作业平台的设计 20 3 1 概述 20 3 2 基本性能参数 20 3 3 整体方案分析 21 3 4 机械结构设计 21 3 4 1 基本结构和工作原理 22 3 4 2 起吊机构 22 3 4 3 变幅机构 26 3 4 4 旋转机构 27 3 4 5 立柱伸缩机构 28 3 4 6 行走机构 30 3 4 7 安全防护装置 31 3 5 电控系统设计 31 3 6 最终结构模型 32 3 7 本章小结 33 目 录 iv 第四章 多功能高空作业平台的有限元分析 34 4 1 载荷和抗倾覆稳定性计算 34 4 1 1 载荷计算 34 4 1 2 抗倾覆稳定性计算 37 4 2 有限元分析 37 4 2 1 单元的选择 37 4 2 2 有限元离散模型 38 4 2 3 材料性能参数 39 4 2 4 工况分析 40 4 2 5 约束处理 41 4 2 6 有限元分析结果 41 4 3 结构改进 46 4 3 1 改进结构 46 4 3 2 分析结果 47 4 4 离散尺寸优化 49 4 4 1 optistruct 优化理论 49 4 4 2 参数设计 50 4 4 3 优化结果 51 4 5 本章小结 53 第五章 多功能高空作业平台的动态特性分析 54 5 1 高空作业平台的动态分析 54 5 1 1 模型简化 55 5 1 2 虚拟样机模型 56 5 2 仿真分析结果 57 5 2 1 工作平台的速度和加速度 57 5 2 2 丝杆的转矩分析 59 5 2 3 丝杆频率分析 60 5 3 丝杆的模态分析 62 5 3 1 模态理论分析 62 5 3 2 丝杆的模态分析 63 5 4 本章小结 65 总结与展望 66 参考文献 68 攻读硕士学位期间发表的学术论文 71 致谢 72 contents v contents abstract 错误错误 未定义书签 未定义书签 chapter 1 preface 错误错误 未定义书签 未定义书签 1 1 background and significance of the research 错误错误 未定义书签 未定义书签 1 1 1 background of the research 错误错误 未定义书签 未定义书签 1 1 2 significance of the research 错误错误 未定义书签 未定义书签 1 2 current research status and problems 错误错误 未定义书签 未定义书签 1 2 1 research status 错误错误 未定义书签 未定义书签 1 2 2 existing problems 错误错误 未定义书签 未定义书签 1 3 research contents and chapters arrangement of the thesis 错误错误 未定义书签 未定义书签 1 3 1 research contents 错误错误 未定义书签 未定义书签 1 3 2 chapter summary 错误错误 未定义书签 未定义书签 1 4 brief summary 错误错误 未定义书签 未定义书签 chapter 2 basic theory of nonlinear finite element analysis and dynamics错误错误 未定义书签 未定义书签 2 1 nonlinear theory 错误错误 未定义书签 未定义书签 2 1 1 foundation of mechanics 错误错误 未定义书签 未定义书签 2 1 2 resolution method 错误错误 未定义书签 未定义书签 2 1 3 analysis theory of contact element 错误错误 未定义书签 未定义书签 2 2 dynamics theory 错误错误 未定义书签 未定义书签 2 2 1 the ideological of dynamics analysis 错误错误 未定义书签 未定义书签 2 2 2 multi rigid body dynamics analysis system 错误错误 未定义书签 未定义书签 2 2 3 keys to dynamic equations 错误错误 未定义书签 未定义书签 2 3 brief summary 错误错误 未定义书签 未定义书签 chapter 3 design of multifunction high altitude platform 错误错误 未定义书签 未定义书签 3 1 summary 错误错误 未定义书签 未定义书签 3 2 basic parameters 错误错误 未定义书签 未定义书签 3 3 analysis of whole project 错误错误 未定义书签 未定义书签 3 4 design of machines structure 错误错误 未定义书签 未定义书签 3 4 1 structure and operation principle 错误错误 未定义书签 未定义书签 3 4 2 hoisting institutions 错误错误 未定义书签 未定义书签 3 4 3 luffing mechanism 错误错误 未定义书签 未定义书签 3 4 4 slewing mechanism 错误错误 未定义书签 未定义书签 3 4 5 telescopic jib institutions 错误错误 未定义书签 未定义书签 3 4 6 travelling mechanism 错误错误 未定义书签 未定义书签 3 4 7 safety device 错误错误 未定义书签 未定义书签 3 5 design of electric control system 错误错误 未定义书签 未定义书签 3 6 final structure model 错误错误 未定义书签 未定义书签 3 7 brief summary 错误错误 未定义书签 未定义书签 chapter 4 finite element analysis of multifunction high altitude platform错误错误 未定义书未定义书签 签 contents vi 4 1 load and anti overturning stability 错误错误 未定义书签 未定义书签 4 1 1 load calculation 错误错误 未定义书签 未定义书签 4 1 2 anti overturning stability 错误错误 未定义书签 未定义书签 4 2 finite element analysis 错误错误 未定义书签 未定义书签 4 2 1 selecte element 错误错误 未定义书签 未定义书签 4 2 2 finite element discrete analysis 错误错误 未定义书签 未定义书签 4 2 3 material parameter 错误错误 未定义书签 未定义书签 4 2 4 analyzed in working conditions 错误错误 未定义书签 未定义书签 4 2 5 handle the constraints 错误错误 未定义书签 未定义书签 4 2 6 results of finite element analysis 错误错误 未定义书签 未定义书签 4 3 structural development 错误错误 未定义书签 未定义书签 4 3 1 improvement of structural 错误错误 未定义书签 未定义书签 4 3 2 analysis results 错误错误 未定义书签 未定义书签 4 4 discrete size optimization 错误错误 未定义书签 未定义书签 4 4 1 optimization theory of optistruct 错误错误 未定义书签 未定义书签 4 4 2 parametric design 错误错误 未定义书签 未定义书签 4 4 3 optimizes result 错误错误 未定义书签 未定义书签 4 5 brief summary 错误错误 未定义书签 未定义书签 chapter 5 dynamic analysis of multifunction high altitude platform错误错误 未定义书签 未定义书签 5 1 dynamic analysis of high altitude platform 错误错误 未定义书签 未定义书签 5 1 1 model simplification 错误错误 未定义书签 未定义书签 5 1 2 virtual prototype model 错误错误 未定义书签 未定义书签 5 2 results of simulation 错误错误 未定义书签 未定义书签 5 2 1 speed and acceleration of platform 错误错误 未定义书签 未定义书签 5 2 2 torque of lead screw 错误错误 未定义书签 未定义书签 5 2 3 frequency of lead screw 错误错误 未定义书签 未定义书签 5 3 modal analysis of lead screw 错误错误 未定义书签 未定义书签 5 3 1 modal theory 错误错误 未定义书签 未定义书签 5 3 2 modal analysis 错误错误 未定义书签 未定义书签 5 4 brief summary 错误错误 未定义书签 未定义书签 conclusion and prospects 错误错误 未定义书签 未定义书签 references 错误错误 未定义书签 未定义书签 enunciable academic paper during master education 错误错误 未定义书签 未定义书签 acknowledgement 错误错误 未定义书签 未定义书签 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 研究背景 变电站是电力网的重要组成部分 是电能输送及分配的枢纽 供电设备的健康运 行是保障供电可靠性的基础 其设备故障对系统安全运行的影响越来越大 随着社会 经济的快速发展 对电力系统的稳定经济运行提出了越来越高的要求 传统的计划停 电检修已不能满足电力发展的要求 即用最低的成本 建设具有足够可靠水平的输送 电能的电力网络 1 2 变电站设备的安全运行对整个电网系统的安全运行起着至关重 要的作用 由于变电站内相关设备的正常老化和非人为原因导致相关设备的损坏而不 能正常供电 所以变电站现场需要经常维修 对相关的检修设备也有着严格的要求 而不同吊装负荷和起升高度所要求的设备也不同 变电站的某些设备如互感器重量比 较重 则需要专用的吊装设备 由于变电站现场维修环境的特殊性 如现场线路错综 复杂 设备繁多 某些巡视路面宽度较窄以及维修地点往往不确定 若需要对损坏设 备进行更换和维修 则会带来一定的困难 可能导致无法及时维修 甚至会带来大面 积的停电 给电厂带来了更多的麻烦 某些变电站工作现场如图 1 1 所示 图 1 1 变电站工作现场 fig 1 1 the substation working site 为了保证变电站能够正常供电 必须使用相关维修设备 现有的高空作业平台基 本是液压驱动 体积大 重量重 只能进行小范围的检修 对相邻高空进行作业时 又得重新调整定位 给检修带来不便 现有的吊装设备基本是汽车车载 由于受变电 江苏科技大学工学硕士学位论文 2 站现场带电设备和复杂地形的限制 给吊装作业带来了一定的不便 若需要对在较复 杂地形和纵深拐角处的损坏设备进行维修 在保证吊装设备能够安全驶入工作地点的 情况下 则需要关停所有阻碍吊装作业的相关带电设备 给企业将带来很多不便和更 多的经济损失 尤其对于突发性变电设备的故障排除 吊装更换以及室内变电站设备 的安装 维修等问题更显突出 3 4 因此 企业用传统的方式来维护变电站正常运行 时将耗费更多的时间和较高的经济成本 甚至不能完全保证变电站现场的安全稳定 性 若需要同时对变电站设备进行高空维修和吊装 将给企业添加更多的经济成本和 不必要的麻烦 目前 电力销售已由卖方市场变为买方市场 各电力经营者都将进入成本独立核 算的管理模式 而厂网分离 竞价上网势在必行 5 所以 各变电站单位需要一种新 型设备来降低变电站维修过程中的经济成本 提高作业效率 力求在竞争中获得更多 的发展空间 1 1 2 研究意义 高空作业平台是高空维修的主要设备之一 能将工作人员和相关设备运送到指定 位置进行作业 主要包括伸缩臂机构 旋转机构 行走平台 驱动装置和操纵装置 具有操作方便 作业稳定和安全可靠等功能 本课题是与某电器有限公司合作 针对变电站某种类型互感器的吊装和高空维修 而联合开发的一种新型多功能高空作业平台 为了适应变电站现场的特殊环境 克服 现有设备的相关缺陷 考虑到经济成本 搬运和存储方便 操作简便 现场实用性强 等特点 基于现有高空检修设备的基础上 研制了一种集高空作业平台和起重机于一 体的体积小 轻型多功能高空作业平台 具有安装 高空检修 梯子 吊装以及重物 搬运的功能 本多功能高空作业平台是一种特殊的起重机 具有轻巧方便 性能好和适应性强 等特点 能更好的满足变电站现场维修需要 快速解决现场突发性故障等问题 主要 具有以下优点 1 多种功能 集高空作业平台和起重机两种功能于一体 同时具有梯子 重物 搬运小车等功能 性价比高 极大的方便了用户 降低维修成本 提高企业在市场的 竞争力 2 检修范围大 检修半径为 1800mm 行走平台的宽度为 900mm 大范围的维 修区域更方便作业人员进行高空检修 3 体积小 重量轻 检修装置采用伸缩 组装相结合的结构形式 在储存 移 动状态 收缩状态 时 体积为190011001500 mm3 较同类型的液压驱动检修平台和 起重机 其体积更小 重量更轻 从而达到方便移动 储存的目的 第一章 绪论 3 4 实用性强 该检修装置的检修平台高度为 4m 有效起吊高度为 3 6m 额定 起吊重量为 1000kg 同样适用于路灯检修 室内维修和园林作业等 5 工作效率高 极大提高工人的作业效率 缩短维修时间 提高检修过程中安 全可靠性 1 2 国内外研究现状及存在的问题 1 2 1 研究现状 高空作业平台是一种用来进行高空维修的机械 主要用于高空检修 设备的保养 和安装等 其涉及的领域非常广泛 如建筑物外部物体的安装 清洁和维护 室内房 屋的维修 电力架线和维修 消防救援及大型物体 船舶 飞机 维护检查等 6 8 我国高空作业机械起步比较晚 在 20 世纪 70 年代才得到初步发展 随着社会经 济的发展 其发展速度也随之加快 根据 2004 年和 2005 年 中国工程机械年鉴 2003 年高空作业机械工业总产值为 32139 万元 生产各类高空作业平台 1906 台 高 空作业车 740 台 2004 年高空作业机械工业总产值为 36340 万元 生产各类高空作业 平台 2500 台 高空作业车 800 台 行业几个骨干企业通过近几年的技术改造 其生 产规模不断扩大 形成了各自特色的产品系列 基本能满足国内市场高空作业机械的 需要 企业的各项主要经济指标逐步上升 经济效益也逐年提高 9 随着经济的快速发展和相关技术的突破 国内高空作业平台行业也得到快速的发 展 主要体现在以下几个内容 10 11 1 产品的种类不断得到补充 生产的规模不断扩大 为城市电力 船舶制造 房屋维修 机场以及建筑行业的护理和安装工程提供了多品种 多类型和不同起升高 度的高空作业平台 2 产品的性能得到不断的改进 通过引进国外成熟产品 消化部分关键技术 根据国内企业的实际需要 在现在产品的基础上进行改进 使国内产品的设计水平和 产品的质量得到不断提高 逐步接近国外同类型产品的技术水平 3 市场占有率进一步扩大 基于企业自身的优势 在原有产品的基础上开发出 更高的新品种 不断增加对技术开发的投入 通过技术的革新来提高自身的竞争力 扩大产品在国内市场中占有的份额比例 同时还积极走向国际市场 4 通过开发新产品来推动高空作业平台行业的技术改进 根据企业的技术 资 源和设备优势 开发更多的新产品 进一步推动行业的发展 国内高空作业平台行业的现代化设计较国外要晚很多年 从开始起步到现在也仅 有十几年的时间 迄今为止 由于受技术 生产规模等问题的限制 高空作业平台服 务的行业范围还是比较窄 难以被其他行业接受 特别是它在提高劳动生产率 操作 江苏科技大学工学硕士学位论文 4 稳定性 安全生产以及在维护 高空检修 安装工程中的应用 如在建筑行业中 很 多企业比较倾向于使用传统的脚手架搭建平台和使用各种类型的登高梯子来作为室 内 外装修和安装的主要工具 而不习惯使用高空作业平台来解决问题 这种情况主 要由于国内还没有为建筑行业生产专用的高空作业平台 与开发和使用的成本都有很 大的关系 随着城市建设脚步的加快和各行业的快速发展 对高空作业平台的需求将越来越 多 同时对高空作业平台行业也提出更高的要求 目前 国内高空作业平台的结构形 式主要有剪叉式 套筒油缸式 臂架式 桁架式和桅柱式 其中剪叉式 套筒油缸式 桁架式和桅柱式都是垂直升降式结构 如图 1 2 所示 因为垂直升降结构形式的高空 作业平台在操作时对地理位置要求较小 占用的工作空间也较窄 而且价格比臂架式 要低很多 所以深受众多客户的喜欢 然而 若工作地点处有相关的障碍物而无法移 动到指定作业地点或者在需要移动高空作业平台遇到有台阶和无法移动的障碍物时 垂直结构形式的高空作业平台就不能完全发挥其功能 甚至无法完成高空维修作业 客观上产生了高空作业区域的盲区 影响了垂直升降式高空作业平台在各个行业的应 用和推广 为了解决这一矛盾 杭州赛奇工程机械有限公司成功开发出了一种新型高 空作业平台 该平台增加了一底盘 升降装置和跨越装置 通过操作跨越装置的提升 器和抬升器 使高空作业平台升起一定高度并可跨越障碍物 从而在不可移动的障碍 物上方进行正常的登高作业 或跨越地面障碍物进入作业点进行高空作业 该平台主 要应用于影剧院 大会堂 大礼堂等有固定座椅或不可移动障碍物以及在地面上有台 阶等场合的登高作业 12 同时 其他国内的企业为了提高自身在市场的竞争力 也都 在积极通过改进设备和增加技术的投入 研发更多类型的高空作业平台 来满足各个 行业的需要 a 剪叉式 b 连杆与伸缩套筒组合式 第一章 绪论 5 c 轮载伸缩臂式 d 桅柱式 图 1 2 高空作业平台的类型 fig 1 2 the type of high altitude platform 发达国家由于其城市化进程比较早 各行各业都已经发展成熟 高空作业机械行 业也得到一定得发展 其高空机械的种类也非常多 已形成一个非常大的规模 并且 成立了专门用于管理的国际标准化组织 tc214 在完善功能的同时也扩大其服务范 围 满足不同行业的需要 在工业发达的国家中 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 jlg 公司 grove 公司 格鲁夫 英国 coles 公司 simon 公司 西蒙 意大利 rico 利高 芬兰 bronto 公司 布郎多无梯公司 日 本的多田野和爱知株式会社等 13 为了满足各个行业实际工程的需要 各种各样的高空作业平台被研发出来 自动 化程度也逐渐增加 被广泛的应用到各种登高作业中 由于国外的相关技术比较成熟 高空作业平台在建筑物的安装维修 清洁保养等应用较广 著名的英国希斯罗机场在 建筑施工过程中就投入了一百多台高空作业平台 大大提高了施工工作效率 随着科 技的发展 高空作业平台的精度和自动化程度都得到不断提高 如 genie 吉尼公司 的自行式直臂式高空作业平车 自行式曲臂高空作业车和自行式剪型高空作业车 由 于采用自动化控制 高空作业平台的微动性能更好 作业过程中也更加安全可靠 13 目前 国内外的高空作业机械的市场前景很有发展潜力 截至 2008 年高空作业 平台的全球市场销售额已达 60 亿美元 排名前二十家的企业销售额比前一年均有较 大幅度增长 随着科技的进一步发展 高空作业机械将得到更多企业的认可 产品的 质量将会进一步得到提高 种类也会进一步得到完善 1 2 2 存在问题 目前 由于国内生产高空作业机械的企业发展的时间较短 同类型产品的种类和 江苏科技大学工学硕士学位论文 6 质量与国外的产品相比还有一定的距离 主要表现在自主创新少 关键技术研发落后 自主开发的高技术产品少 产品结构需要创新 机器的稳定性能较低 核心技术拥有 少 自动化控制系统相对滞后等问题 因此 在新产品设计与研发的过程中 应组织研发人员对难点技术进行攻关 在 掌握最新的设计理念和先进设计方法的基础上 针对不同的机型 功能和工况要求 应用 cad cae 软件进行有限元分析和仿真 并以实验与测试的方式来收集相关参 数从而对模拟 仿真与预测结论进行验证 以便对产品的结构进行改进 从而为新产 品的设计提供指导 纵观近几十年高空机械行业的发展 高空作业平台朝着稳定性好 作业高度高 作业区域广和承载量大的方向发展 企业也不断开发新的产品 产品的功能也逐步得 到完善 不再仅具有高空检修平台功能 如 拆除行走平台后 在臂端增加吊钩便可 以当作起重机 在臂端添加一些辅助设备 比如探照灯等 便可进行高处照明 但是 高空机械行业仍需要从以下几个方向进一步进行完善 1 在提高产品质量的同时 进一步扩大高空作业平台的检修范围 满足不同企 业的需要 2 增加技术研发的投入 掌握关键技术 同时进一步加强安全措施和环保意识 3 零部件制造进一步朝专业化 精细化和个性化发展 4 产品进一步向创新型 轻便型 智能化和多功能方向发展 1 3 本文研究的主要内容与结构 1 3 1 研究内容 高空作业装置是变电站场所 建筑行业以及露天照明灯等各个场合的安装和维修 中必不可少的装备 高空作业平台在实现一定升降高度的前提下 还需满足产品刚度 和强度要求 以便获得较小的体积和较轻的重量 能够在一定工作范围内快速移动 安装和维护 本论文就是在研究现有高空作业装置基础上研发的一种集高空作业平台 和起重机于一体的多功能高空作业平台 具有安装 高空检修 梯子 吊装以及重物 搬运的功能 主要研究的内容如下 1 通过变电站工作现场和市场的调研 确定了多功能高空作业平台的整体方案 然后应用理论力学 材料力学以及相关知识完成各个机构的设计 并完成了电控系统 的原理图 由于变电站现场环境的限制和约束 该方案设计的难点在于满足刚度和强度的条 件下 同时要具备高空检修平台和起重机两种功能 该装置需具有较小的回缩尺寸 体积为190011001500 mm3 一定的工作高度 检修平台的高度不低于 4000mm 第一章 绪论 7 起重机的吊点不低于 3600mm 工作范围大 保证 360 旋转 整体重量轻 便于快 速移动 2 建立多功能高空作业平台的有限元模型 对最危险的两种工况下进行有限元 分析 得到整体设备以及各组成机构的应力和变形情况 从而验证设备的静态可靠性 3 根据有限元分析结果 对整机进行相关结构改进后 应力集中明显降低 但 各构件受力仍不均匀 需要进行离散尺寸优化 最终获得了较为理想的伸缩臂结构尺 寸 4 通过动力学软件对设备的各项动态性能参数进行研究 为设备的稳定运行提 供参照依据 同时防止丝杆在作业过程中发生共振 对丝杆进行模态分析 得到丝杆 的最小固有频率 确定丝杆不会发生共振 为今后进一步完善产品打下坚实基础 1 3 2 文章结构 本文主要章节将安排如下 第一章 介绍课题研究的背景和意义 分析了高空作业平台国内外研究现状及存 在问题 并介绍本文主要研究的内容及结构 第二章 阐述了课题研究所需要的非线性有限元基本理论和动力学理论 为后文 的分析和研究提供理论基础 第三章 根据变电站现场相关设备的检修和吊装的需要 从多种方案中选出了一 种最优方案 通过机械结构和电控系统两个方面 完成了多功能高空作业平台的设计 第四章 运用有限元法分析了整机在两种工况下的应力和位移分布规律 根据分 析结果对相关结构进行改进和优化 最终获得了较为理想的结构 第五章 利用动力学软件分析了高空作业平台的动态性能参数 并对丝杆进行模 态分析 进一步确定整机的安全可靠性 1 4 本章小结 本章介绍了课题研究的背景和意义 分析了高空作业平台国内外研究现状及存在 问题 并阐述了本文主要研究的内容及结构 江苏科技大学工学硕士学位论文 8 第二章 非线性有限元理论和动力学理论 2 1 非线性有限元分析理论 有限元分析主要利用数学模拟的方式来替代真实物理系统以便求解 主要将整个 求解域离散为有限元的小的互连子域 子域之间在相应的节点进行连接 分别对每个 子域内单元赋予一个较简单的数学函数 来模拟单元的物理量 如单元的应力或位移 通过结构的平衡条件来建立各节点的平衡方程组 基于整个结构力学理论的基础下建 立所有单元的平衡代数方程组 推导整个域满足的条件并引入边界条件进行求解 从 而得到代数方程组的解 有限元法是在结构力学基础上进行模拟的一种近似方法 主要表现在两个方面 1 单元与单元之间通过节点连结 作用力通过节点进行传递 2 每个单元上物理量的分布规律是近似假定的 在有限元分析中 导致结构非线性的因素有很多 主要有以下三种类型 1 材料非线性 由于材料非线性的应力 应变关系而引起本构方程响应的非线 性 包括加载工况 如在弹塑性响应状况下 环境工况 如温度变化 和载荷作用的时 间长短 如在蠕变响应状况下 等 2 几何非线性 结构在经过一定角度的转动和大挠度的变化 本身的几何形状 随之改变而呈现的非线性特征 3 状态非线性 由于结构在不同时刻呈现不同的状态 如钢索是稀松还是张紧 的 轴承套是接触的还是分离的等 而引起本构方程响应的非线性 接触问题就是 一种典型的状态非线性 当材料体现非线性的应力 应变关系时 刚度矩阵不是衡定的 与应变和位移响 应函数有关 结构的整体平衡方程为 14 16 0 ruuk 2 1 其中 uk为刚度矩阵 u为位移响应的线性函数 r为荷载矢量 2 1 1 非线性有限元的力学基础 弹性力学主要研究弹性体在载荷或外界因素 如温度变化等 作用下所产生的应力 和位移 为各结构的强度 刚度和稳定性等计算和验证提供必要的理论计算方法 弹性力学的理论主要由几何方程 平衡方程和本构方程三组方程构成 1 几何方程 应变位移关系 弹性体在变形状况下的应变 位移关系为 第二章 非线性有限元理论和动力学理论 9 2 ijjiij uu 2 2 式中 ij 应变张量分量 i u 位移矢量分量 应变 位移关系转换为矩阵形式为 u 2 3 式中 应变列阵 矢量微分算子 u 位移列阵 zxyzxyzyx zx yz xy z y x 2 4 其中 xy yz zx 为工程切应变 xz yz xy z y x 0 0 0 00 0 0 00 2 5 twvu w v u u 2 6 应变和位移分量的相互关系为 z w x u z w y v x v y u z w y v x u zx yz xy z y x 2 7 江苏科技大学工学硕士学位论文 10 2 平衡方程 图 2 1 单元内部受力分布 fig 2 1 element internal force distribution 微元体内部的受力情况如图 2 1 所示 根据微元体的平衡条件 可以求出平衡方 程为 0 ijij f 2 8 zyxi ffff 2 9 式中 ij 应力张量分量 i f 体力矢量分量 根据力的平衡条件为 0 0 0 z z yz xz z y zyyxy y x zx yx x x p zyx f p zyx f p zyx f 2 10 根据合力矩为零的平衡条件 作用在单元体上的力对 x y z 轴取矩 为 zyyz zxxz yxxy 2 11 3 本构方程 材料的应力应变关系 对于各向异性材料的本构方程为 klijklij d 2 12 式中 ijkl d 材料的本构张量分量 应力分量矩阵表达式为 第二章 非线性有限元理论和动力学理论 11 t zxyzxyzyx zx yz xy z y x 2 13 其中 为应力列阵 应变和应力的关系为 e x x 2 14 e x xzy 2 15 g 2 16 其中 e 为弹性模量 g 为剪切模量 剪切弹性模量和弹性模量之间的关系为 12 e g 2 17 应变和应力的相互换算为 zxzx yzyz xyxy yxzz zxyy zyxx g g g e e e 1 1 1 1 1 1 2 18 2 1 2 非线性有限元求解方法 非线性问题的求解主要有三种方法 即增量法 迭代法和混合法 1 增量法 增量法是将载荷分解为多个较小的增量 逐步增加每个载荷增量 假设在每个较 小的载荷增量中 方程呈线性关系 刚度矩阵 k是常数 在不同的增量步中 刚度 矩阵可以互不相同 每施加一个载荷增量 p 后 便产生一个位移增量 叠加 江苏科技大学工学硕士学位论文 12 后得到位移总量 如图 2 2 所示 i 1 i 2 i 0 i p 1 i p 2 i p p i p 1 i k 图 2 2 增量法 fig 2 2 incremental method 把载荷分解为 m 个增量 则总载荷为 m j j pp 1 2 19 在施加第 i 个增量步后载荷为 i j j pp 1 2 20 每施加一个载荷增量后便对应的产生一个位移增量和应力增量 所以在施加第 i 个载荷增量后 位移和应力分别为 i j ji 1 2 21 i j ji 1 2 22 2 迭代法 迭代法是将全部载荷一次性施加在节点上 根据应变和位移的要求进行逐步迭 代 最终满足非线性的应力 应变关系 如图 2 3 所示 i 1 i 2 i 0 i p 1 i p 2 i p p 2 i b 1 i b i b i a 1 i a 2 i a 图 2 3 迭代法 fig 2 3 iteration method 第二章 非线性有限元理论和动力学理论 13 在初次迭代时便建立刚度矩阵 0 t k 依次得到逆阵 1 0 t k 第 n 步迭代后为 ntnn k 1 0 1 2 23 将 式作泰勒展开 并保留线性项 得到 0 n n tn k 2 24 由式 2 23 和 2 24 反复迭代 便可求解 3 混合法 混合法综合运用了增量法和迭代法的优点 即总载荷同样分解为多个载荷增量 但增量的个数比较少 在每个迭代过程中都施加一个载荷增量 然后进行计算 加快 了收敛速度 计算过程如图 2 4 所示 图 2 4 中只体现了二次迭代过程 主要是更好表现出混合法的整个迭代过程 图 中第一次迭代中施加的载荷为 pi 荷载增量为 pi 2 第一次迭代后的不平衡荷载为 pi pi 而第二次迭代的荷载增量为 pi pi 2 i 2 i 0 i p 2 ii pp 2 i p p f eb a d c i p 图 2 4 混合法 fig 2 4 mixed method 2 1 3 接触单元分析理论 设局部坐标系 mnt 的原点设置在接触单元的形心处 接触的厚度为 e 则单元的 位移差为 17 e un w v u 2 25 式中 e u 单元内各节点的位移向量 n 形函数矩阵 任一节点的应变和位移的关系为 18 19 eun e kl 2 26 应力和应变