高空作业车工作臂结构设计及有限元分析(有全套图纸）.doc

有全套图纸QQ1074765680目 录第一章 绪 论31.1高空作业车的概况及其发展方向31.2高空作业车组成31.2.1 工作机构31.2.2 金属结构31.2.3 动力装置31.2.4 控制系统31.3 GKZ型高空作业车的概况31.3.1整机结构简介错误！未定义书签。1.3.2高空作业臂错误！未定义书签。1.3.3 作业车作业状态主要技术参数错误！未定义书签。1.4 课题的提出错误！未定义书签。1.5 本课题所要研究的具体任务错误！未定义书签。1.6 本课题研究的意义错误！未定义书签。第二章 高空作业车的结构设计错误！未定义书签。2.1 材料的选择错误！未定义书签。2.2 计算上、下臂的长度错误！未定义书签。2.3 确定油缸铰点的位置错误！未定义书签。2.3.1 确定上臂油缸铰点的位置错误！未定义书签。2.3.2 确定下臂油缸铰点的位置错误！未定义书签。2.4 上臂截面尺寸的确定错误！未定义书签。2.4.1 对上臂进行受力分析错误！未定义书签。2.4.2 计算上臂截面尺寸错误！未定义书签。2.4.3 对上臂进行强度效核错误！未定义书签。2.5 下臂截面尺寸的确定错误！未定义书签。2.5.1 对下臂进行受力分析错误！未定义书签。2.5.2 计算下臂的截面尺寸错误！未定义书签。2.5.3 对下臂进行正应力效核错误！未定义书签。第三章 高空作业臂有限元分析错误！未定义书签。3.1 概述错误！未定义书签。3.2 载荷条件及分析工况说明错误！未定义书签。3.2.1 载荷条件错误！未定义书签。3.2.2 分析工况错误！未定义书签。3.3 上臂的有限元分析错误！未定义书签。3.3.1上臂的实体建模错误！未定义书签。3.3.2 有限元分析错误！未定义书签。3.4 下臂的有限元分析错误！未定义书签。3.4.1下臂的实体建模错误！未定义书签。3.4.2 有限元分析错误！未定义书签。第四章 总 结错误！未定义书签。致 谢3参考文献3高空作业车工作臂结构设计及有限元分析摘 要：高空作业车是用来运送工作人员和工作装备到指定高度进行作业的特种车辆。本文主要以“GKZ型高空作业车”上、下臂结构为研究对象，对上、下臂进行结构设计和ANSYS有限元分析。本文主要阐述了根据高空作业车的最大作业高度12米，在满足作业高度的前提下，进行高空作业臂的结构设计：首先根据使用要求选择作业臂材料的类型；其次根据最大作业高度确定上、下臂的长度；再经过受力分析利用强度来确定臂的截面尺寸及油缸的铰接位置；再进行强度、刚度、稳定性的校核，查看作业臂的尺寸是否符合要求；利用PRO/E软件进行上、下臂实体建模，通过PRO/E软件的输出端口和ANSYS软件的输入端口，将实体模型导入ANSYS软件中。在ANSYS软件中，先定义工作臂的单元类型为实体单元“Solid Brick 8 node 45”；其材料属性定义为：弹性模量为2.1e11，泊松比为0.3，钢的密度为。进行网格划分时，采用了ANSYS提供的最常用的网格划分控制工具“MeshTool”中的“SmartSize Controls”，网格划分的值越小得到的结果越好，但网格太细会占用大量的分析时间，造成资源浪费，由于上、下臂的尺寸较大，而厚度较小，为提高计算效率，在网格划分密度时，选取值为4。然后，施加均布载荷和约束，进行结构的强度和刚度分析，确定危险截面或危险点的应力分布及变形。根据有限元分析结果，找出结构设计中的不合理因素，提出改进方案，并对改进后的结构进行有限元分析，对两种分析结果进行比较。最后画出作业臂总装图及上、下臂零件图。关键词：高空作业车；结构设计；有限元分析；ANSYSAerial vehicle arm of Aerial work platform structuredesignand finite element analysis Abstract：Aerial vehicle arm of Aerial work platform is a special vehicle which carries operators and tools to the aerial appoint place for work，In this paper, “GKZ high-altitude vehicles in the” upper and lower arm structure of the research object, right, under arms, structural design and Finite Element Analysis. This paper elaborated on the basis of aerial vehicle operations largest 16 meters high, to meet the high operating on the premise that for high-altitude operations arm of structural design : First choice under the requirements of the use of operating arm of the types of materials; Second, based on the height of the largest operations to determine the upper and lower arm length; After Analysis to determine the intensity of use of the arm section size and fuel tanks articulated position; further strength, stiffness, Stability of Verification, check the operating arm size whether it meets the requirements; PROE software using the upper and lower arm entity modeling, PROE software through the output ports and ANSYS input ports, Entity Model into ANSYS software. In ANSYS, first definition of the modules work arm type of entity unit Solid Brick 8 node 45; material properties : the definition of elastic modulus of 2.1 e11, the Poissons ratio of 0.3, the density of steel. For mesh, ANSYS used for the most commonly used mesh control tool MeshTool of the Smar tSize Controls, mesh smaller the value the better the results. But mesh too small will occupy a great deal of analysis time, resulting in a waste of resources, since the upper and lower arm of a larger size. thickness and smaller, to increase the efficiency of the computation, the mesh density, the selected value of four. Then, impose uniform loads and constraints, structural strength and rigidity, identify hazardous or dangerous section the stress distribution and deformation. According to the finite element analysis, structural design to identify the irrational factors that improvement program also improved the structure of finite element analysis, the analysis of both results. Finally paint operations arm assembly diagram and the upper and lower parts arm map. Keywords：Aerial vehicle arm of Aerial work platform；Structural design；Finite element analysis；ANSYS第一章 绪 论1.1高空作业车的概况及其发展方向高空作业车又称登高平台消防车，广泛用于建筑、市政、电讯、机场、工厂、园林、住宅等场所，从事消防、抢险救灾、施工、安装、维护等工作。其中，供消防部门用于灭火、辅助灭火或消防救援，是最主要的一个功能。高空作业车是用来运送工作人员和工作装备到指定高度进行作业的特种车辆，是将高空作业装置安装在汽车底盘上组成的。高空作业装置包括高空作业臂、起重工作臂、起升机构、动力系统、液压系统、电气系统还有操纵装置等部分组成。 现在的高空作业装置具有操作平顺、工作稳定、自动调速、安全可靠等优点，大大提高了空中作业的工作效率。高空作业车按工作臂的型式，有四种基本型式，分别为：垂直升降式、折叠臂式、伸缩臂式和混合臂式。垂直升降式高空作业车的升降机构只能在垂直方向上进行运动。它的主要特点是结构简单，承载能力强，但作业范围小，作业高度低，这种结构型式应用比较少。折叠臂式高空作业车工作臂之间的连接全部采用铰接型式，所以国外又把它叫做铰接式高空作业车。折叠臂高空作业车结构适合于较低作业高度的车型，如要加大作业高度，必然要增加臂长或增加工作臂数量，增加臂长会使作业车体积庞大，降低灵活性；增加工作臂数量会造成操作繁琐，安全性降低。伸缩臂式的高空作业车在行驶状态时，工作臂缩回套叠，工作时伸出，可以有效增大作业高度，同时具有工作效率高、操作简单、动作平稳等特点。混合臂式高空作业车工作臂之间既有铰接，也有伸缩，是折叠臂式和伸缩臂式高空作业车的结合，它综合了两种结构型式的优点，工作性能最好，但结构也最为复杂。高空作业车是利用汽车底盘作为行走机构，具有汽车的行驶通过性能，机动灵活，行驶速度高，可快速转移，转移到作业场地后能迅速投入工作，因此被越来越多的应用在工程建设、工业安装、设备检修、物业管理、航空、船舶、石化、电力、影视、市政、园林等许多行业，是近几年来国内发展最快的专用汽车产品之一。高空作业车是高空作业机械是在工程起重机械基础上发展起来的，高作业设备广泛应用在建筑、消防等行业。随着高空作业车作业高度越来越高，振动所导致的大幅度摆动，严重的影响了定位的准确性，降低了工作效率，加之高空摆动给人的安全感极差，也降低了设备的宜人性，间接的影响了工作效率。因此对高空作业车进行动力研究，有重要意义。目前国内生产的高空作业车几乎全部是折叠臂型式的，有更大的市场需求。1.2高空作业车组成高空作业车正常进行作业，需要工作机构、金属结构、动力装置与控制系统四部分。这四个部分的组成及其作用分述如下：1.2.1 工作机构工作机构是为实现高空作业车不同的运动要求而设置的。高空作业车一般设有变幅机构、回转机构、平衡机构和行走机构。依靠变幅机构和回转机构实现载人工作斗在两个水平和垂直方向的移动；依靠平衡机构实现工作斗和水平面之间的夹角保持不变，依靠行走机构实现转移工作场所。高空作业车变幅是指改变工作斗到回转中心轴线之间的距离，这个距离称为幅度。变幅机构扩大了高空车的作业范围，由垂直上下的直线作业范围扩大为一个面的作业范围。高空作业车变幅机构一般采用液压油缸变幅。高空作业车的一部分（一般指上车部分或回转部分）相对于另一部分（一般指下车部分或非回转部分）做相对的旋转运动称为回转。为实现高空作业车的回转运动而设置的机构称为回转机构。它是由液压马达经减速器将动力传递到回转小齿轮上，小齿轮既作自转又作沿着固定在底架上的回转支承大齿圈公转，从而带动整个上车部分回转。有了回转运动，从而使高空作业车从面作业范围又扩大为一定空间的作业范围。高空作业车在工作臂起伏时，工作斗与水平面夹角必须保持相对稳定，才能保证工作人员正常工作。平衡机构就是为了实现这一功能。对于伸缩臂或混合臂型式的高空作业车，通常有自重平衡、液压伺服缸平衡、电液平衡几种方式。高空作业车的行走机构就是通用或专用汽车底盘。1.2.2 金属结构工作臂、回转平台、副车架（车架大梁，门架、支腿等）金属结构是高空作业车的重要组成部分。高空作业车的各工作机构的零部件都是安装或支承在这些金属结构上的。金属结构是高空作业车的骨架。它承受高空作业车的自重以及作业时的各种外载荷。组成高空作业车金属结构的构件较多，其重量通常占整机重量的一半以上，耗钢量大。因此，高空作业车金属结构的合理设计，对减轻高空作业车自重，提高作业性能，节约钢材，提高高空车的可靠性都有重要意义。1.2.3 动力装置动力装置是高空作业车的动力源。由于高空作业车采用汽车底盘作为行走机构，通常不再另外设置动力源，而是直接采用汽车底盘发动机作为整车的动力源。高空作业装置需要的功率不大，一般约 10-20kw，而载重汽车底盘发动机的功率根据载重量不同从 50kw 一直到 150kw 以上，且高空作业装置工作时不允许底盘行驶，因此底盘发动机的动力足以保证高空作业装置工作。因为高空作业装置需要功率不大，通常高空作业车采用变速箱取力方式，通过安装在底盘变速箱侧面的取力器取出发动机的动力，并驱动液压油泵向高空作业装置供油。取力系统中还设置控制装置，在底盘行驶时，取力器没有输出，液压油泵不工作，需要进行高空作业时，取力器输出，油泵工作。1.2.4 控制系统高空作业车控制系统是解决各机构怎样运动的问题。如动力传递的方向，各机构运动速度的快慢，以及使机构启动停止等。控制系统包括操纵装置、执行元件和安全装置。当今的高空作业车全部采用电气液压操纵，因此控制装置包括各种液压操作阀，电控装置等，以实现机构的起动、调速、换向、制动和停止。执行元件包括变幅用的液压油缸、回转马达、油泵等，用来推动结构件实现动作。安全装置包括各种传感器、行程开关、报警器、液压锁止阀，用来检测危险工况，保证工作安全。1.3 GKZ型高空作业车的概取得了以下的成果：1、分析了GKZ型高空作业车的基本结构，确定高空作业臂所涉及的相关参数。2、根据相关计算公式以及所知的参数进行计算，从而确定了高空作业臂的上臂长度、下臂长度，油缸铰点位置，以及作业臂截面尺寸等主要参数。3、在确定了高空作业臂的全部尺寸后，对其进行强度、钢度和整体稳定性效核，不满足时应进行修改。所以根据相关的效核公式进行强度、钢度和整体稳定性效核，效核结果是上、下臂的尺寸符合强度、钢度和整体稳定性的要求，所取尺寸能够达到要求。4、采用在CAD中建立实体模型，建立高空作业臂上臂和下臂的三维模型,是进行有限元结构优化设计的前提与基础,模型建立的基本原则是既要如实地反映结构的主要特征,又要尽量地降低模型的复杂程序,以保证优化结果既有较高的计算精度又有尽可能低的计算工作量。5、建好实体模型后，通过对高空作业车工作臂的结构特点及载荷情况的分析,根据有限元优化设计理论，将CAD实体模型导入ANSYS中，再进行有限元分析，得出了优化结果，同时也得出了上、下臂加载之后的变形，以及应力的大小。通过对高空作业臂的性能校核以及有限元分析，结果表明，本论文的高空作业臂的设计计算结果是正确的。但对于此设计的高空作业臂用于实现实际的高空作业时还必须再做大量的工作，必须通过实际的高空作业才能检验出设计的是否正确，如有差错，还必须进一步的分析，找出错误原因，进行改善，最终使设计的高空作业臂能够完成实际的高空作业要求。致 谢经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方。本论文是在导师蒋老师的积极鼓励和精心指导下完成的。蒋老师丰富的理论知识、实践经验和严谨的治学态度使我在专业知识方面受益匪浅，他的无微不至的关怀对我论文的完成起到了极大的帮助作用。在此对导师的悉心培养致以最衷心的感谢。我设计的是以徐州海伦哲工程机械有限公司研制开发 “GKZ型高空作业车” 为研究对象，对该车上的重要结构-作业臂进行结构设计和有限元分析。该型作业车的作业臂有上臂、下臂组成，下臂与回转转台铰接，上臂头部有工作平台。上、下臂通过升缩油缸调节臂的举升高度。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，既能满足设计要求，又能减轻臂重，降低成本。在这里首先要感谢我的蒋红旗导师老师。蒋老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从开始的查阅资料，到设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是蒋老师仍然细心地纠正图纸中的错误。除了敬佩蒋老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。在本课题的研究和试验过程中，我有很多不懂的地方，尤其是在对上下臂进行三维建模时，我有很多不会的地方，但通过蒋老师和同学们的指导，最终是顺利的完成了上下臂的三维建模。在导入有限元分析软件件中进行优化设计过程中，在蒋老师和同组同学邹雪花、赵羽毛的大力指导下，得出了最终的优化结果。顺利的完成了毕业设计，在此对各位老师和同学以及在设计期间，曾经对我的毕业设计给予帮助的领导、老师、同学表示最诚挚的谢意！最后，我要向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答辩的各位老师表示感谢！设 计 人：闫雪琴 日 期 ：2007年6月1日参考文献1 哈尔滨建筑工程学院主编,工程起重机,中国建筑工业出版社,1981年。2 北京工业学院，线性静动力结构分析程序SAP5使用说明书，1982。3 机械强度杂志，1980年3期。4 B.3.符拉索夫著，材料力学，结构力学与弹性力学中的若干问题，中国科学院出版。5 徐次达、华伯浩：固体力学有限元理论方法及程序，水利电力出版社，1993。6 孙正兴：汽车起重机转台结构有限元分析研究，南京航空学院硕士论文，1992。7现代机械设备设计手册，机械工业出版社。8机械工程手册，机械工业出版社，1982。9 戴冠军：汽车维修理论，人民交通出版社，1991。10 Bowden F P，Tabor DThe Friction and Iatbrication of SolidsI_ondoll Clarendon Press，1964。11 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