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National eleventh five-year plan 国家“十一五”科技项目折臂式擦窗机底座和立柱有限元分析Finite element analysis of base and column of goose-neck jib gondola奚卉1，马军星1，王进1，方小军1，李鹏2，刘玉建2，谢丹蕾2XI Hui, MA Jun-xing, WANG Jin, FANG Xiao-jun, LI Peng, LIU Yu-jian, XIE Dan-lei(1.长安大学，陕西 西安 710054；2.北京凯博擦窗机械技术公司，北京 100013)摘 要 擦窗机研发速度逐渐加快，需建立科学的设计和改造方法。本文根据折臂式擦窗机的工作原理， 推导出底座和立柱受力随工况参数变化的显式表达式，确定其危险工况；在危险工况下，对底座 和立柱进行有限元分析，找出了应力分布规律，为底座和立柱的设计提供了有价值的参考。关键词 擦窗机；底座；立柱；有限元底座和立柱是折臂式擦窗机的重要部件，因其结构比较复杂，一般材料力学方法只能得到特定截面上的应力，不能对整体变形和应力进行全面分析1。本文根据折臂式擦窗机工作过程，基于空间机构力分析原理，推导出底座和立柱受力随工况参数变化的显式表达式，找出其最不利工作工况，并在此工况下对底座和立柱进行有限元分析，得出整体变形和应力分布结果，为擦窗机的设计、改造提供科学依据。1整机结构折臂式擦窗机主要由底座1、立柱2、主臂5、折臂支撑7、油缸8、折臂9、小臂11和吊篮12组成，整机结构如图1所示。工作时，擦窗机放置于楼顶，通过其主回转3、上回转6、下回转10的回转和油缸8的伸缩，并配合钢丝绳收放，可使吊篮接近异型建筑立面任意预定位置，从而完成建筑外墙面的清洗、保养和维护作业。2受力分析与危险工况的确定由图 1 可以看出， 该擦窗机工作装置为 4自由度空间机构，可用4个参数，即下回转转 角q ， 上回转转角b ， 主回转转角 和折臂提 升角a 来描述其工况， 这 4 个参数的变化范围为： - 1 5 0 q 1 5 0 ， b 9 0 ， 0g90，0a60。擦窗机的底座和立柱承受了工作装置传递的所有载荷，根据空间任意力系的简化原理，这些 载荷可简化为作用在立柱顶端的力F和力矩M。显 然，力F是工作装置自重与吊篮负重的总和，为一 常量；而力矩M的大小则与q、a和b的取值有关， 其作用方向还取决于g ,可用其沿X轴和Y轴的分量 表示。F、MX和MY的计算公式由式1式3给出， 式中符号含义可参见图1和图2。FGiG1+G2+G3+G4(1)i=11-底座；2-立柱；3-卷扬机；4-主回转；5-主臂；6-上回转；7-折臂支撑；8-油缸；9-折臂；10-下回转；11-吊篮；12-小臂图1折臂擦窗机50 2010(07) CONSTRUCTION MECHANIZATION国家“十一五”科技项目 National eleventh five-year plan图2 4种典型工况位置图MXG1e1sin(qbg) G1(L1L2cosaL3)sin(bg)L4singG2(e2cosaL3)sin(bg)G2L4sing (2) G3e3sin(bg)G3L4singG4e4sing MYG1e1cos(qbg)G1(L1L2cosaL3)cos(bg)L4cosg G2(e2cosaL3)cos(bg)G2L4cosg (3) G3e3cos(bg)G3L4cosgG4e4cosg式中G1吊篮、小臂、下回转的总重量； G2折臂重量； G3油缸、折臂支撑、上回转的总重量;G4主臂、卷扬机、主回转的总重量； Li各构件几何尺寸参数；ei组合重心Gi至各铰接点距离。 分析可知，由于立柱结构具有轴对称性，合力矩M的作用方向并不影响立柱结构上的应力分析结果，因此，可取合力矩最大作为其最危险工况。但底座却不同，其应力计算值必然与合力矩 作用方向g 有关。为此，本文以合力矩最大，g 分 别取0、26、62和904个工况作为危险工 况进行分析。计算得出，q 28，a 0，b 90时合力矩值最大，为244 513Nm。在选定 的4个危险工况中，最大合力矩沿X轴和Y轴的分 量列于表1中。3实体建模与网格划分为降低计算成本，建立实体模型时可对原 结构进行必要的简化。这里忽略小于10mm的圆角，将其处理为直角，忽略焊接工艺边2。简化表1 4种典型工况力矩值工况g()X轴分量MX(Nm)Y轴分量MY(Nm)10-215504-115519226-143053-1982983620-244513490115519-215504后按照设计图纸，以板厚度方向的中间平面为基准，建立底座的三维实体模型。由于底座是由钢板焊接而成的复杂结构，因此在建模时选用Shell 181单元作为有限元分析单元。Shell 181单元适用于薄到中等厚度的弹性壳结构，该单元有4个节点，每个节点有6个自由 度，分别为沿节点坐标轴X、Y、Z方向的平动和转动。网格划分采用Shell 181三角形单元和四边形单元3，以四边形单元为主，得到46 925个单元，45 887个节点。有限元模型如图3所示。图3有限元模型4边界条件边界条件的处理力求接近实际。作用在立柱顶端的工作装置重力为98 999.6N，均匀施加在立柱贴板表面的2 162个节点上。另外，在销轴孔中心点连线AB左右对称选择52个节点，均匀施加擦窗机的配重载荷29 400N。立柱底面与底座上连接板通过螺栓紧密联接，工作过程无相对位移，因此，可将立柱和底座模型粘接在一起。为模拟工作装置作用于立柱顶端的力矩，在立柱贴板中心建立一关键点，用Mass21单元划分，将此节点和 贴板内外圈的节点进行自由度耦合，将X轴、Y轴转矩分量分别施加在此中心节点上。建筑机械化2010(07) 51National eleventh five-year plan 国家“十一五”科技项目a）工况1b）工况2c）工况3d）工况4图4 种工况应力分布图约束施加在底座上下夹板共8个销轴孔处。其中A、B两处的4个孔无轴套，模拟实际受力情况，将约束施加在上孔的里面半圆和下孔的外面半圆。考虑到C、D两处的4个孔内安装有刚性较大的轴套，故可对轴套施加完全约束。5结果分析图4为4种工况下底座和立柱正、反两侧的应力分布云图，在忽略局部应力集中现象的情况下，分析可得到以下结论。1）各工况下立柱的应力分布呈周向变化， 最大应力均出现在受压（M负方向）的一侧，为54MPa，分别见图4中的F、H、J、P点。2）底座应力分布随工况不同变化较复杂，工况1最大应力值出现在方管和下夹板交接处，如图4中的G点，为76.0MPa；工况2最大应力在方管和底板的交接处，如图4中的I点，为81.1MPa；工况3最大应力在方管内侧的K点，如图4所示，为85.5MPa；工况4最大应力在方管与底板的交接处，如图4中的Q点，为80.6MPa。可以看出，各工况下应力最大值点的位置随g 逆时针变化而呈现 逆时针变化趋势，应力分布规律与力矩施加方向相吻合。3）4种工况下，最大变形均发生在立柱顶端受压一侧，其中工况3变形最大，最大节点位移为4.074mm，在工程允许范围内，说明立柱和底座满足刚度要求。根据第三强度理论，以VON MISES应力计算结果作为评定准则，其最大值应小于材料的许用应力。国标GB19154-2003规定，擦窗机承载零部件采用塑性材料时，按材料的屈服点计 算，结构安全系数n不应小于24。底座和立柱材 料为Q235，在安全系数取n2.5，即许用应力为52 2010(07) CONSTRUCTION MECHANIZATION94MPa时，上述各工况下立柱和底座最大应力均小于许用应力，说明结构强度满足要求。可以认为，此擦窗机底座和立柱结构设计安全合理。6结束语1）本文基于4种工况参数，推导出折臂式擦窗机底座与立柱受力随工况参数变化的显式表达式，通过求解该表达式确定底座与立柱最不利工作工况及该工况时的受力大小，为底座与立柱的结构分析奠定了基础。2）提出了折臂式擦窗机底座和立柱结构有限元分析中接近实际的边界条件处理方法，并建立了有限元分析模型。3）在4个典型的危险工况下，对底座和立柱进行了结构有限元分析，获得其完整的变形和应力分布状态，找出了应力分布规律。分析表明，底座和立柱应力均小于材料许用应力，说明强度满足要求，结构设计合理。参考文献1姚兴佳，张晨晨基于ANSYS的风力发电机舱底盘的强度分析J.沈阳工业大学学报，2008，30（1）：38-412郭双宇，温立刚起重机底盘车架有限元分析与结构优