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高空作业
转台
结构设计
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徐州师范大学本科生毕业设计 高空作业车的转台结构设计及有限元分析高空作业车转台的结构设计及分析摘 要 本课题针对GKZ系列车型转台部分的要求工作装置，对GKZ型高空作业车回转机构进行设计及分析。高空作业车由液压马达、回转减速器及回转小齿轮、回转支承等组成。进行回转时，液压马达输出动力，通过回转减速器减速后带动输出轴上的小齿轮旋转，小齿轮与回转支承的齿圈啮合，由于回转支承的齿圈与车架刚性连接，因而回转减速器带动与之相连的转台回转。本课题确定了高空作业车回转机构的传动方案，采用的单排四点接触球式回转支承，此类支承的主要优点是同时承受轴向、径向力和复合力矩。适用子中小型起重机。转台的结构设计采用的是倒型结构，前后两个高强板，左右各一个支承板，再加两个加强筋形成。对转台采用PRO/E进行建模，将建好的模型通过转化放入ANSYS中进行有限元分析，分析出变形最大和受应力最大的接触面，对分析的结果的提出改进方案，对改进后的方案进行有限元分析比较, 确定最佳方案。本方案的设计为同类转台的结构设计提供了理论依据和分析方法。在课题设计的过程中使用的方法有：（1）在结构设计过程中主要对转台的的受力情况进行分析，计算出转台的受力大小和转台的自重，对传动齿轮的设计及强度校核，运用绘图软件PRO/E进行建模。（2）将模型导入ANSYS中，对转台的受力情况进行分析查看其分析的结果，确保转台的变形和所受的应力均能符合设计要求。关键词：高空作业车； 转台结构设计；有限元分析；ANSYS Constructional design and analysis for turn-table of aerial work platformsAbstractAccording to the requirement of working devices of turn-tables in the machine series type GKZ, this paper presented the constructional design and analysis for slewing mechanism of aerial work platforms. The aerial work platforms comprised hydraulic motors, rotary speed reducers, revolving pinions, slewing bearings and so on. When the turn-table slewed, the hydraulic motor transmitted power output which enabled pinions on the output shaft to revolve. Pinions were meshed with ring gear on slewing bearings. Due to rigid connection between the ring gear on slewing bearings and the chassis, turn-tables were rotated by rotary speed reducers. Gear plan for slewing mechanism of aerial work platforms and constructional design for turn-table were presented. Gear plans transmission for slewing mechanism of aerial work platforms was provided in which single-row four-point contact ball slewing bearings were adopted. The advantage of this type of bearing, which suited small and medium crane, was that it can bear axial force, radial force and compound moment at the same time. Configurations of anti type were adopted in constructional design for turn-table, in which there were two high strength plates in tandem, two eudipleural supporting plates and two stiffened panels. Modeling and simulation of turn tables were obtained using PRO/E. The obtained modeling was transformation and analyzed by ANSYS Finite Element Analysis software. Consequently, contact area in the maximum of deformation and stress were analyzed. According to the results, improved schemes were presented, which were further analyzed and compared by finite element analysis. Finally, the best scheme was founded. This project provided the approaches of constructional design for the similar type of turn-table in theory.The following methods were used in this project: 1) Force situation of turn tables were analyzed in constructional design, and force variation and mass of turn-tables were calculated. The design and intensity of transmission gear were checked. Modeling and simulation were obtained using drawing software PRO/E; 2) The modeling were imputed into ANSYS and bearing force of turn-tables were analyzed. The results ensured that the deformation of turn-tables and their bearing force would meet the design requirements.Keywords: Aerial work platform; Turn-tables; Constructional design; Finite element analysis; ANSYS目 录第一章 绪 论111 引 言112 高空作业车的国内外发展概况11.2.1高空作业车的国外发展趋势与动向21.2.2高空作业车国内现状、差距与如何提高的方法3 1.3 高空作业车的组成51.3.1工作机构51.3.2金属结构61.3.3动力装置61.3.4控制系统7 1.4 本课题研究的意义7第二章 高空作业车的转台的结构分析82.1 高空作业车的转台总体结构设计82.1.1转台的组成82-2 转台的受力分析132.2.1转台的自重G142-3 上下臂的受力分析及计算162.3.1上臂的受力分析172.3.2下臂的受力分析192-4 回转支承装置的计算212.4.1回转支承装置的计算载荷212.4.2转盘式回转支承装置的计算222.4.3按承载能力曲线选取合适的回转支承型号222.4.4转盘式回转支承装置的计算242.4.5按承载能力曲线选取合适的回转支承型号242.5 传动齿轮的计算25第三章 转台的有限元分析283.1 有限元方法的基础知识283.2 有限元分析软件ANSYS303.3 转台结构的有限元分析343.3.1 实体建模343.3.2计算模型343.3.3有限元模型36第4章 结 论43致 谢44参 考 文 献45第一章 绪 论11 引 言 工程机械广泛应用于经济建设的各部门，并且在整个经济发展中占有十分重要的地位。解放以后，我国的机械工业在十分薄弱的基础上，经过近五十年的艰苦努力，从小到大，从修配到制造，从仅仅仿造一般机械产品到能制造大型、中型、精密设备，从制造单机到制造重大成套设备，逐步形成了一个门类比较齐全，具有较大规模，较先进技术水平和成套水平不断提高的工业体系。 80年代以来，工程机械发展速度快。其主要原因:一是我国在改革开放政策指引下，经济发展快，对工程机械的需要增多;二是从中央到地方给与发展的优惠政策，增加资金注入，加以扶植;三是引进国外多项先进技术，经过消化吸收，产品技术水平提高;四是，企业经过组织结构调整，相互合作，并在竞争中促使相互提高。但是我国工程机械与国外工业发达国家相比较以及与国内建设要求相比还有不少差距，还有许多问题A待研究解决。随着目前高科技产业的发展，尤其是计算机的出现及其广泛应用，它带动了整个工业的发展，在机械行业更为引人注目，设计上的优化等使机器向高精密化发展，带来了一场新的变革。当然一向以笨重著称的大型工程机械，更有着广阔的发展余地。高空作业车作为一种大型的工程机械设备，日前广泛应用在船舶、建筑、市政建设、消防、港口货运等行业，是新兴的技术产业，有着广阔的发展前景。高空作业机械是在工程起重机械基础上发展起来的产业系统，只有二十几年的历史。尽管我国在高空作业车设计制造上取得了一些成绩，但是国内生产制造的高空作业机械同国外同类型高空作业机械产品相比仍有一定差距，土要表现为技术含量低、大型的较少、结构笨重、作业时微动性能差等问题。12 高空作业车的国内外发展概况高空作业车的分类方式有好多种，按臂架的展开方式分类，有折叠式和伸缩式及混合式三种;按臂架的形状分类有，直臂式和曲臂式;按驱动方式分类，有自动式、拖动式和手动式等等。1.2.1高空作业车的国外发展趋势与动向国外高空作业机械属新兴行业，是在工程起重机械基础卜发展起来的高新技术产业系统，只有二十几年的历史。目前，专业生产高空作业机械的公司比较少。近年来，由于汽车起重机销售量下降及市场平淡，一批汽车起重制造公司，相继发展高空作业机械，但总计年产量仍不能满足市场需求，正处于发展时期。11.2.1.1作业车的发展趋势 国外高空作业机械，发展迅速，技术水平不断提高。工业发达国家，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GROVE公司(格鲁夫)和GENIE(吉尼公司)、英国COLES公司、S I-MON公司(西蒙)、意大利RICO(利高)、芬兰BRONTO公司(波浪涛公司)、日本的多田野和爱知株式会社等。高空作业机械的底盘分通用型和专用型，采用通用汽车底盘的高空作业机械，机动灵活，能快速转移，作业高度较高，采用专用底盘的高空作业机械，即自行式高空平台车，适用于固定场所作业，具有微动行驶，扩大作业半径等特点。 为了满足实际工程的需要，高空作业车的作业高度越来越高，随之作业半径也越来越大。 操作越来越简单可靠，自动化程度不断提高。如GENIE(吉尼公司)的自行式直臂式高空作业车、自行式曲臂式高空作业车、自行式剪型高空作业车。由于采用自动化控制，高空作业车的微动性能好，定位也来越来越准确。但根据不同的工况条件，考虑到造价等原因，拖动式和手动式很有实用价值，目前在一些场所仍被广泛使用。此类高空作业车有拖动式曲臂高空作业车和手动式物料升降机。 1.2.1.2作业车的发展动向 高空作业车的发展主要动向是实现六化、三性，以提高高空作业机械的适用性。 六化:即液压化、最优化(采用计算机辅助设计)、轻量化(采用高强度材料减轻构件重量)、机电液一体化(如安全保护、报警装置等)、通用化、系列化。 三性：可靠性、安全性和舒适性。 各大公司产品技术水平、品种、数量、质量均有较大发展和提高，竞争激烈，不断向世界各地推销，占领市场。 1.2.1.3新技术及其作用 为了满足高层建筑的复杂情况，要求人们不断改进举高车，以适应施工、灭火等需要，以及举高车制造公司间日趋激烈的竞争，促进了举高车技术的发展。 新技术的采用，使发达国家80年代的举高车在性能和安全上有较大的提高，这主要体现在三个方面： (1)在公安消防上，提高救生和灭火能力。在80年代，发达国家通过改进举高消防车的臂架结构和液压系统，使其救人和灭火能力有了大幅度的提高。登高平台消防车，70年代的最大工作高度是40m, 80年代后期，芬兰波浪涛公司又推出67.5m的登高平台消防车，而且这两种车的登高平台载重能力达450 kg，显著地提高了救生能力。 (2)提高应付不利环境的能力。在高层建筑火场上或在施工现场上，有时会遇到地面不平、场地狭窄等情况。如何在这些不利情况下使举高车充分发挥救生和灭火能力或载人施工的能力，也是举高车新技术开发的主要方向之一。在这方面比较突出的日本森田泵公司，在新一代云梯消防车上采用了电子计算机调平技术。 (3)提高安全性。如在80年代德国的马基路斯、麦茨、森田和芬兰的波浪涛公司等纷纷采用了靠电子计算机控制举高消防车的支腿梯架的操作和显示等技术，这种技术提高了云梯操作自动化程度，从而避免了因操作人员的失误而导致的危险。1.2.2高空作业车国内现状、差距与如何提高的方法国内高空作业机械发展刚刚起步，只有十几年的发展历史，虽然起步晚，由于高空作业机械制造企业的努力，已逐步走向稳定的发展轨道。231.2.2.1现状 从80年代开始抚顺起重机总厂、武汉起重机厂、四川度岩机械厂、长江起重机有限责任公司、杭州园林机械厂、北京攀尼高空作业车有限公司、徐州重型机械厂等开始着手研制高空作业车和登高平台消防车，投放市场。抚顺市起重机总一生产的CDZ32型登高平台消防车已出口泰国。最近四川长江起重机有限责任公司，研制的QZC5120JGKS25型高空作业车是最近向推向市场的一种新产品。该产品采用现代设计手段设计，填补了国内25m伸缩臂式高空作业车的空白。 1.2.2.2差距 尽管我国在高空作业车设计制造上取得了一些成绩，但是国内生产制造的高空作业机械同国外同类型高空作业机械产品相比仍有一定差距，主要表现为技术含量低、大型的较少、结构笨重、作业时微动性能差等问题。在开发研制过程中，应采取有效措施、试验研究，逐项加以解决，以缩小差距。同时对目前存在的技术关键，有待于组织力量攻关解决，其关键是电液比例操纵、微动性能问题，支腿调平技术问题，数显微机自动程序控制以及机电一体化问题等。为了提高我国高空作业的生产水平，从目前的状况来看应首先从如下的几个方面来进行。1).解决工程汽车底盘问题，这样才可使高空作业车轻便、可靠，使用上既灵活又可承担繁重的工作任务；2).提高液压元件的制造质量，这样就可以提高使用寿命和可靠性，相应的也就提高了高空作业车的质量；3).改变高空作业车的生产方式，向规模化发展，这不但可保证质量还可降低成 本；4).要扩大新型高空作业车的使用范围，可刺激本行业的发展，并投入力量加强对新产品的开发；5).应用现代的设计方法和手段对现有的产品进行改造。据不完全统计，国内各企业高空作业机械的总产量，远远不能满足国家经济建设的需求，供需矛盾突出，其表现： 船舶行业，当前我国造船业发展迅猛，己逐步进入了国际船舶市场。船舶产量从80年代初的30多万，提高到现在的200多万，约占世界船舶市场份额的6%。船舶的设计和建造，从建造万吨级散货船开始，发展到能建造六万吨级巴拿马型船舶和十五万吨级大型油船。最近几年，又开始建造高速集装箱船、成品油船、液化气船和自卸式散货船等技术难度大、附加值高的船舶。随着船舶行业的发展，大型船舶增多，造船和修船中越来越多的需要高空作业，因此高空作业车的应用也是与日增加Usl。中国船舶系统，需要直臂式16-25m高空作业平台大约80-100台左右。 公安消防系统，随着大中城市高层建筑增多，消防设施“滞后”，登高平台消防车己属紧迫需要。 我国百万人口城市30个，以平均每个城市需要作业高度30-50 m大型登高平台消防车4台计算，需要量为120台左右。全国几十万人口以上的城市近500个，以平均每个城市拥有1620 m中型登高平台消防车2台计算，需要量为1000台左右。 全国大型油田、炼油厂、大型储油库系统，对大型登高平台消防车的需要量约70台左右。 城乡电业部门。电站、变电所、各种低压输电线路的建设维修带电作业迫切需要有绝缘性能的高空作业车，预计电力部门需要各类绝缘高空作业车(12 m -3 0 m)大约200台左右。 城市路灯园林部门。需要6 -16m中小型高空作业车大约1000台左右。 国防军工系统。对20 -40m越野高空作业车需求量也较大，主要用于用于航天、导弹发射等。 综上所述，在目前的高空作业车的生产水平上，改进高空作业车的工作性能，开发研制机动灵活、技术含量高安全、可靠的高空作业机械具有重大的意义。 1.3 高空作业车的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：451.3.1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。1.3.2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。1.3.3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 1020kw，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。1.3.4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。 1.4 本课题研究的意义 高空作业车作为一种工程机械设备，目前广泛应用在船舶、建筑、市政建设、消防、港口等行业，有着广阔的发展前景。本课题以徐州海伦哲工程机械有限公司研制开发 “GKZ14型高空作业车” 为研究对象，对该车上的重要结构-回转机构转台进行结构设计和有限元分析。高空作业车转台回转机构由液压马达、回转减速器及回转发小齿轮、回转支承等组成。进行回转时，液压马达输出动力，通过回转减速器减速后带动输出轴上的小齿轮旋转，小齿轮与回转支承的齿圈啮合，由于回转支承的齿圈与车架刚性连接，因而回转减速器带动与之相连的转台回转。转台是高空作业车的主要承载构件之一，构造及受力复杂。转台结构的合理设计对高空作业小车在工作时有着极为重要的作用。转台传统的手工计算方法，通常是将转台底板作为固定，臂铰点轴孔受力的一个简支悬臂梁来计算。一般取几个截面来计算其强度、刚度，计算复杂，且未考虑变幅集中力等载荷的影响，误差大，难以反映转台真正的受力状况。随着有限元理论的不断完善和有限元软件功能的不断提高，有限元法在工程实践得到越来越广泛的应用。以有限元方法为工具对转台进行强度和刚度有限元分析，其分析结果对产品开发设计具有指导意义。 第二章 高空作业车的转台的结构分析2.1 高空作业车的转台总体结构设计回转平台，俗称为转台，它是构成轮式全回转起重机的三大承载结构件之一。常见的转台形式有:框架式、单板加肋式、单墙大箱式、箱形立板式和箱形积木式等。转台结构为高空作业车组成的重要组成部分,属于金属结构部分在设计的过程中要综合考虑转台的结构大小、转台的选材、以及转台受到的力的大小。2.1.1转台的组成转台的结构主要有：底板、转台的回转支承、传动齿轮、以及转台组成。一 底板：不论转台采用何种结构，都必须具有很大的整体刚度，以保证它所承受的载荷能有效的传递，起重机可以平稳地工作。而转台底板的平面刚度则对保证回转支承的转动灵活及转台整体刚度起着至关重要的作用。在高空作业小车中底板放在固定转塔上。在此不做详细的介绍一般均采用圆盘型结构。如下图：图2-1 转台的底板转盘的大小通常根据设计者对转台设计的尺寸来确定，根据不同型号的作业小车所需要的不同结构的转台来设计底板的大小67。二 转台的回转支承：转台的回转支承属于回转机构。回转机构由回转支承装置和回转驱动装置两部分组成。前者将起重机的回转部分支持在固定部分上，后者驱动回转部分相对于固定部分回转。8回转支承装置简称回转支承，主要分为柱式和转盘式两大类，根据不同的使用要求各种回转支承的特点以及制造厂的加工条件等合理地选定。回转支承保证作业车回转部分有确定的回转运动，并承受作业车回转部分作用于它的垂直力、水平力和倾覆力矩。1 柱式回转支承装置(1)定柱式回转支承装置定柱式回转支承装置结构简单、制造方便，起重机回转部分的转动惯量小，自重和驱动功率较小，能使起重机的重心降低。(2)转柱式回转支承装置转柱式回转支承装置结构简单，制遣方便。适用于起升高度和工作幅度较大而起重机的高度尺寸没有严格限制的起重机(如塔式、门座起重机)。2 转盘式回转支承装置现代转盘式回转支承装置主要有滚子夹套式和滚动轴承式(过去中小吨位起重机上使用的滚轮式回转支承已由滚动轴承式取代)。(1)滚子夹套式回转支承装置(图2一2) 图 2-2 滚子夹套式回转支承装置1转盘 ；2转动轨道；3一中心轴枢；4一固定轨道;5一拉杆;6滚子7一反抓滚子它由许多圆锥或圆柱形滚子装在上下两个环形轨道之间.固结在转台底面的轨道通常在受力大的前后方制成两段圆弧形。圆锥滚子用于轨道直径较小的情况，可以避免附加的摩擦阻力与磨损。由于圆锥形滚子产生轴向力，因此滚子装在由许多拉杆构成的保持架上。在轨道直径较大的情况下，可以采用圆柱形滚子。圆柱形滚子可制成单轮缘或双轮缘装在由槽钢制成的保持架上。这种保持架应该有足够的强度和刚度。滚子夹套式回转支承装置已逐渐被滚动轴承式回转支承装置所取代。(2) 滚动轴承式回转支承装置(图2326) 图2-3 单排四点接触球式回转支承 图2-4 双排式回转球轴承 图2-5 单排交叉镶柱式回转支承 图2-6 三排滚柱式回转支承图2-3它由两个座圈组成，结构紧凑、重量轻、高度尺寸小。内外座圈上的滚道是两个对称的圆弧面，钢球与圆弧面滚道四点接触，能同时承受轴向、径向力和覆复力矩。适用子中小型起重机。图2-4它有二个座圈，采用开式装配，钢球和隔离块可直接排入上下滚道，上下两排钢球采用不同直径以适应受力状况的差异。滚道接触压力角较大(60度90度)，因此能承受很大的轴向载荷和倾覆力矩。适用于中型塔式起重机.汽车起重机。图2-5它由两个座圈组成，滚柱轴线1：1交叉排列，接触压力角为45度,由于滚柱与滚道间是线接触，所以承载能力高于单排钢球式。这种回转支承制造精度高。装配间隙小，安装精度要求较高，适用于中小型起重机。图2-6它由三个座圈组成，上下及径向滚道各自分开。上下两排滚柱水平平行排列，承受轴向载荷和倾覆力矩，径向滚道垂直排列的滚珠承受径向载荷，是常用四种形式的回转支承中承载能力最大的一种，适用于回转支承直径较大的大吨位起重机。在本设计中采用的转台辅助支承是单排四点接触球式回转支承，其与上部转台的底板的连接方式如下图：图2-7 转台与支撑的联结 采用此种支承的主要优点是：结构紧凑、重量轻、高度尺寸小且能同时承受轴向、径向力和复合力矩适用于中小型起重机。由上图可以看出转台的 底板与下部的回转支承之间采用的是螺栓连接。当液压马达输出的转矩带动传动轴做回转运动时，这时传动齿轮与传动轴之间也用了几个小螺钉连接，将动力传给了传动齿轮，传动齿轮带动回转支承上的齿轮，支承上的齿轮的外圈与上部转台底板用了6个螺栓联结将动力传给了转台，而齿轮的内圈上则用螺钉与底盘连接固定。三 传动齿轮：在起重机机构中应用最多的是齿轮传动，蜗杆传动使用较少，链传动只在个别情况下使用。 齿轮传动分开式传动和闭式传动，电动起重机的所有机构都采用闭式齿轮传动(减速器)，开式齿轮传动只在特殊情况下使用(如回转机构的布置，要求末级传动为开式齿轮传动，设计机构时无合适的减速器可供选用)。使用开式齿轮传动时，齿轮圆周速度一般不超过1 .5 m/s。8齿轮传动还有定轴传动(或普通齿轮传动，齿轮的几何轴线固定不动)和行星传动齿轮的几何轴线可动之分。平行轴传动多采用圆柱直齿或斜齿轮:相交轴传动多采用锥齿轮或蜗杆传动;两轴不平行不相交时，可采用双曲面齿轮、蜗杆传动、交错轴斜齿轮和曲线锥齿轮传动等。在齿轮传动中，如果从动齿轮直径很大(一般大于3 m),或者从动部分为大模数齿条(模数大于16mm)，齿轮圆周速度又在0. 6 m/s以下，为了简化制造，可使用针轮柱销传动。门座起重机的回转机构和变幅机构有时采用针轮柱销传动。链条传动只用子传动距离较大、不便于采用齿轮传动的场合(如某些门式起重机的大车运行机构)。在本次设计的过程中传动齿轮与固节在转台支承的齿轮是开式传动，采用的是外啮合由小齿轮的转动来带动外啮合齿轮转动，由于外啮合齿轮和转台之间是用螺栓联结从而来带动转台运动，最后带动杆臂工作。所以这里的传动齿轮起着重要的作用，通过传动齿轮才能把动力传给转台，来控制臂工作的时候所需要的条件。四 转台结构910 （方案1）转台结构的主要作用是连接下部传动齿轮与杆件，也也是此次设计的重点。转台结构采用前后两个高强板，在前后高强板上再加上加强筋形成倒型结构，底部采用圆盘形结构。如下图2-8 图2-8 转台的外部结构图1由图可以看出转台上圆孔主要用于装下臂的销轴，下圆孔用来装升缩缸的销轴。上下盖板及两侧与高强板构成了箱形结构，在外侧加了两个加强筋以提高强度、刚度和稳定性。在本图中没有涉及到底板与回转支承的连接。两个加强筋均采用的是三棱形，又省材，体积和重量均比较小。前后加强筋的在中间位置开有小孔，主要是省材和减轻重量，来减小转台支承承受的重量。（方案2）转台同样采用前后两个高强板，在前后高强板之间采用再加上加强筋形成倒型结构，底部采用方板形结构。如下图2-9 图2-9 转台的外部结构2 2-2 转台的受力分析转台受到的力是我次此设计中的重点部分，所以我们应该重点关注受力分析。高空作业小车转台作为一个复杂的空间结构体系受到的力包括拉力、压力及扭矩的组合作用。 图2-10 转台的受力图在转台结构上受到装下臂销孔的的铰支座的正交力F2x和F2y,和装伸缩缸受到的力F6，以及转台的自重G。由于可以通过计算材料能够得到，而其他的力均是未知必须通过上下臂的受力来进行计算。2.2.1转台的自重G（方案1）根据所给的尺寸及重要参数来计算转台的自重，由于转台前后高强板的厚度为20mm 1 前后板的自重计算已知：长=500mm；宽=600mm；厚=20mm；=7850kg/m3查手册可得采用45#钢 (采用四棱柱的体积) （截去右边的空缺部分） （连接下臂的孔）现在知道了前板的体积了根据密度来求出质量 mm=V= kg(一块前板的重) 注：g=9.8m/s2前后两块的重量为583N，则到此前后两高强板的重量已经算出了。那么接下来要计算的是三块加强筋的重量。2 前后加强筋的自重的计算采用的为三角形的肋板则可以算出三棱形的体积，从而来近一步计算出加强筋的自重已知：底=140mm； 高=400mm；厚=150mm; （三棱柱的体积）三棱柱也才用的材料为45#刚，在此说明本转台的材料均采用的是45#钢则密度均为7850kg/m3 则 由于前后加强肋板在中间位置开有小孔来减轻重量，所以在此也应该把小孔的重量算出来，这样算出来的重量才相对精确。根据上述说明：已知：小孔的直径为100mm，柱高为100mm时; 前后加强肋板的重量为 3 左侧板的自重 已知：长=360mm；宽=400mm；厚=20mm 挖去的小圆柱体： 则左侧的板的自重为：4 右侧板材的自重已知：长=360mm；宽=100mm；厚=20mm；5 底板的自重已知：底板采用圆盘形时D=760mm;H=20 mm综合上述计算可得整个转台部分的自重 （方案2）根据所给的尺寸及重要参数来计算转台的自重，由于转台前后高强板的厚度为20mm 1 前后板的自重计算 由于方案2和方案1中的前后板采用的是相同的结构所以自重和方案1相等前后两块的重量为583N。2 中间加强筋的自重的计算采用的为三角形的肋板则可以算出三棱形的体积，从而来近一步计算出加强筋的自重已知：底=140mm； 高=400mm；厚=100mm; （三棱柱的体积） 三棱柱也才用的材料为45#刚，在此说明本转台的材料均采用的是45#钢则密度均为7850kg/m3 则 由于前后加强肋板在中间位置开有小孔来减轻重量，所以在此也应该把小孔的重量算出来，这样算出来的重量才相对精确。前后加强肋板的重量为 3 左侧板的自重 左侧板和方案1的结构是一样的则自重相等。则左侧的板的自重为：4 右侧板材的自重同方案1则自重为：5 底板的自重已知：底板采用方形时长500 mm；宽400 mm;H=20 mm综合上述计算可得整个转台部分的自重 2-3 上下臂的受力分析及计算由于转台上的三个力是未知的必须通过上下杆臂的受力分析才能够计算出下部的力的大喜哦所以在此有必要对上下臂进行受力分析。在分析的过程中可以采用整体式力的分析也可以采用分离式，在此选择了后者。整个转台与杆件之间有联系的受力情况如下图所式：图2-11 上下臂的受力图由图上可以看出上下臂的受力情况,由于图上杆件的尺寸以给出那下面将分别介绍上下力臂的受力情况.2.3.1上臂的受力分析单独把上臂拿出来进行受力分析由图可知上臂一共受到5个力的作用分别是外作用里Q、杆件1的自重G1、铰支点6受到的力F4，以及铰支点5受到的正交二分力、 图2-12 上臂的受力分析根据设计要求高空作业小车的平台的承载能力为 则高空作业小车平台受到的力为 由于上臂采用的是方钢机构且截面积尺寸也是已知如下图：图2-13 方钢截面由上图可以得到上臂的自重 其计算过程如下：方钢的截面积 上臂的体积 上臂的自重 下面对上臂的受力进行分析尺寸图形如下： 图2-14 上臂受力尺寸下面进行受力分析的计算： （方向与图示方向相反）2.3.2下臂的受力分析下臂的受力情况及相应的尺寸见下图： 图2-15 下臂的受力及相关尺寸根据本图要求解F2Y、F2X、F6还是具有一定的难度，必须把下臂与转台之间的连接部分相应的画出来，才能把以上三个未只量求解出来，所以就必须附加相应的图形具体如下所示：在本图三角形中500的长度是根据转台两销孔之间的距离进行运算得到的，在此做一下说明，而图中的各个角度不代表其真实性只是用来示意:图2-16 杆的受力图已知：根据已知条件可算出未知力的大小，由于下臂和上臂一样都是同样采用的方钢结构以及45#钢由此可得到下臂的自重： ； ； 将往X轴和Y轴上投影可得知其夹角为20 ； 2-4 回转支承装置的计算 在本章的第一节中讲到转台的结构时候提到过回转支撑的概念以及相应的类型在本章节中将会着重介绍回转支承的的选用以及相应的计算。2.4.1回转支承装置的计算载荷在高空作业小车中转台的工作情况一般可饿分为一下四种分别是8： 载荷工况A为起重机静载试验工况，通常按此工况计算回转支承装置的静容量。 载荷工况B为起重机在最小幅度起吊最大起重量G的作业工况，承受工作状态下的最大风载荷,钢丝绳偏斜角为。载荷工况C为起重机在最大幅度起吊格应的额定起重量Q的作业工况(可能等于Q，也可能小于Q，视起重机类型及起重性能而定)。载荷工况D为起重机在非工作状态时承受非工作状态最大风压R产生的风载荷,风向按不利于回转支承装置受载的方向洗取。如下表2-4-1所示：（方案1）1 总轴向力工况A： 工况B； =工况C： =工况D： 2 总径向力3 总力矩 2.4.2转盘式回转支承装置的计算1 作用在回转支承上的载荷：主要工作条件：进行高空作业。2 确定回转支承的结构形式：采用单排四点式。3 计算回转支承当量载荷：2.4.3按承载能力曲线选取合适的回转支承型号根据设计可知： 不同工况下的回转支承受到的力也是不一样的。1 考虑八级风力时的最大工作载荷=-94532 不计风力、考虑实验载荷的最大工作载荷=-112633 不计风力最大工作载荷 （工况1为动态容量计算载荷，工况2为静态容量计算载荷）回转支承考虑采用单排四点式（01）系列。工况参数和饿载荷换算系数如下： 回转支承当量载荷为静态： 动态： 螺栓计算载荷：（方案2）1 总轴向力工况A： 工况B； =工况C： =工况D： 2 总径向力3 总力矩 2.4.4转盘式回转支承装置的计算1 作用在回转支承上的载荷：主要工作条件：进行高空作业2 确定回转支承的结构形式：采用单排四点式。3 计算回转支承当量载荷2.4.5按承载能力曲线选取合适的回转支承型号根据设计可知： 不同工况下的回转支承受到的力也是不一样的 1 考虑八级风力时的最大工作载荷=-94532 不计风力、考虑实验载荷的最大工作载荷=-112633 不计风力最大工作载荷 （工况1为动态容量计算载荷，工况2为静态容量计算载荷）回转支承考虑采用单排四点式（01）系列,基本号为（010.20.224）如下图2-17： 图2-17 回转支承的结构图工况参数和饿载荷换算系数如下： 4 回转支承当量载荷为静态： 动态： 螺栓计算载荷：2.5 传动齿轮的计算齿轮传动是现代机械中应用最广的一种传动形式。其主要的优点是：传动准确可靠，可传递空间两轴之间的运动和动力；适用的功率和速度范围广；传动效率高；工作可靠寿命长；外廓尺寸小结构紧凑。齿轮传动的主要形式有外啮合和内啮合传动。在高空作业小车转台的结构设计中，转台若想能进行工作，必须要通过传动齿轮将下部连接的液压马达的输出功率传给转台。转台才可以带动作业臂正常起升及转向。故齿轮的计算是转台设计中的重要部分不可缺少，在此设计者将对下部传动齿轮进行设计。本设计所采用的传动形式为外啮合传动。由外啮合之后将所得的动力通过螺栓的联结传给上部转台的底板，来带动转台做相应的转动。11根据液压马达的输出可知：马达的输出转矩：T=7350 ；马达的输出转速为：；选转速为10r/min，由转台设计条件可知转台的转速为2 r/min，故将齿数比选择为。由已知条件可得：1 选择齿轮材料因载荷平稳，传递的转矩较小，小齿轮选钢，调质处理，齿面硬度为，大齿轮采用45钢，调质处理，齿面硬度为220HBS。表2-5-1表2-5-1 2 选择齿轮齿数和齿宽系数初定齿数为：齿宽系数3 确定轮齿的许用应力根据两齿轮的齿面强度，由下图可得两轮的齿面接触疲劳强度极限和齿根弯曲疲劳强度极限分别为： 图2-18 接触疲劳强度极限 图2-19 弯曲疲劳强度极限查相关手册可得安全系数：有 4 齿面接触强度设计（1） 小齿轮所传递的转矩为液压马达的输出转矩是马达的输出转矩：T=7350 （2） 根据齿轮传动条件得载荷系数K=1.1 查相关机械设计手册8（3） 确定小齿轮的直径 （取为60）5 确定模数和齿宽模数： 查下表有模数为3的固选择的正确表2-5-2 齿轮的模数 则 齿宽： 6验算齿根的弯曲强度 由设计手册可得： 齿形系数 应力校正系数 由计算可得两齿轮的轮齿的弯曲强度足够。7 轮传动的几何尺寸两轮分度圆直径： 两轮的中心距： 两轮的齿宽： (按所选型号取为60)其他尺寸略。第三章 转台的有限元分析 3.1 有限元方法的基础知识有限元法(或称有限单元法)是在当今工程分析中获得最广泛应用的数值计算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。伴随着计算机科学和技术的快速发展，现已成为计算机辅助工程和数值仿真的重要组成部分。在工程或物理问题的数学模型(基本变量、基本方程、求解域和边界条件等)确定以后，有限元法作为对其进行分析的数值计算方法的要点可归纳如下12:1.将一个表示结构或连续体的求解域离散为若千个子域(单元)，并通过它们边界上的结点相互联结成为组合体。2.用每个单元内所假设的近似函数来分片地表示全求解域内待求的未知变量。而每个单元内的近似函数由未知场函数(或及其导数)在单元各个结点上的数值和与其对应的插值函数来表达(此表达式通常表示为矩阵形式)。由于在联结相邻单元的结点上，场函数应具有相同的数值，因而将它们用作数值求解的基本未知量。这样一来，求解原来待求函数的无穷多自由度问题转换为求解场函数结点值的有限自由度问题。3.通过和原问题数学模型(基本方程、边界条件)等效的变分原理或加权余量法，建立求解基本未知量(场函数的结点值)的代数方程组或常微分方程组。此方程组称为有限元求解方程，并表示成规范化的矩阵形式。接着用数值方法求解此方程，从而得到问题的解答。从有限元法的上述要点可以得到有限元法的几个优点：（1）对于复杂几何构形具有很强的适应性，由于单元在空间可以是一维、二维或三维的，而且每一种单元可以有不同的形状，同时各种单元之间可以采用不同的联结方式，因此工程中遇到的非常复杂的结构或构造都可能离散为由单元组合体表示的有限元模型；（2）对于各种物理问题的可应用性，由于用单元内近似函数分片地表示全求解域的未知场函数，并未限制场函数所满足的方程形式，也未限制各个单元所对应的方程必须是相同的形式，所以适用于各种物理问题的分析；（3）建立于严格理论基础上的可靠性，因为用于建立有限元方程的变分原理或加权余量法在数学上已证明是微分方程和边界条件的等效积分形式。只要原问题的数学模型是正确的，同时用来求解有限元方程的算法是稳定、可靠的，则随着单元数目的增加，即单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度数目的增加及插值函数阶次的提高，有限元解的近似程度将不断地被改进。如果单元是满足收敛准则的，则近似解最后收敛于原数学模型的精确解；（4）适合计算机实现的高效性，由于有限元分析的各个步骤可以表达成规范化的矩阵形式，最后导致求解方程可以统一为标准的矩阵代数问题，特别适合计算机的编程和执行。随着计算机软硬件技术的高速发展，以及新的数值计算方法的不断出现，大型复杂问题的有限元分析已成为工程技术领域的常规工作。有限元计算的步骤主要有以下三个步骤：前处理(PREPROCESSION)，求解(SOLUTION)，后处理(POSTPROCESSION)。13前处理包括产生一个有限元模型的几何体的全过程，输入物理特性，描述边界条件和载荷，以及检查模型。求解过程在I-DEAS SIMULATION的模型求解模块中进行，或在一个外部有限元分析程序中进行。I-DEAS求解能够解答线性和非线性的，静态的，动态的，屈曲，热传导和势位能分析问题。至于其它类型的分析，有限元模型信息对于一个外部有限元求解问题可写成所要求的格式，如MSC 、NSATRAN,ANSYS, ABAQUS等。 后处理包括描绘出偏移和应力，利用失效准则，诸如允许的最大偏移，材质的静态和疲劳强度等等来比较这些结果。对于连续体的力学分析，有限元分析的一般过程如下：1.原连续体(几何上)的逼近离散2.单元特性的研究3.离散单元的装配和集成求各单元内的应力、应变和支反力，这样就完成了整个有限元分析过程。3.2 有限元分析软件ANSYS 本论文采用先进的有限元分析软件ANSYS，根据高空作业车的转台的结构，综合考虑ANSYS的功能、工作量、微机内存和硬盘空间等等因素。力图选取一个较合理的建模方案，对转台进行结构分析。1415ANSYS是一个通用的有限元计算机程序，其代码长度超过100 000行。我们能够应用ANSYS进行静态、动态、热传导、流体流动和电磁学分析。在过去20多年里，ANSYS是最主要的FEA程序。当前的ANSYS版本带有图形用户界面(GUI )的窗口下、下拉菜单、对话框和工具条等，与过去相比已经焕然一新。现在，ANSYS已经被广泛应用在许多工程领域中，如航空、汽车、电子、核科学等。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I-DEAS, AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。7一、软件功能简介 软件主要包括三个部分:前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型;分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的祸合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力;后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC, SGI, HP, SUN, DEC, IBM, CRAY等。启动ANASYS，进入欢迎画面以后，程序停留在开始平台。从开始平台(主菜单)可以进入各处理模块:PREP7(通用前处理模块)，SOLUTION(求解模块)，POSTl （通用后处理模块），POST26(时间历程后处理模块)。ANSYS用户手册的全部内容都可以联机查阅。 二、前处理模块PREP7 双击实用菜单中的“Preprocessor，进入块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。1实体建模 ANSYS程序提供了两种实体建模方法:ANSYS的前处理模块。这个模型有：自顶向下和自底向上。 自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱体等。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。ANSYS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。ANSYS程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即:用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。2网格划分 ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。包括四种网格划分方法:延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像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，生成映像网格。ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，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。三、求解模块SOLUTION前处理阶段完成建模以后，用户可以在求解阶段获得分析结果。点击快捷工具区的SAVE-DB将前处理模块生成的模型存盘，退出Preprocessor，点击实用菜单项中的Solution，进入分析求解模块。在该阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。ANSYS软件提供的分析类型如下：1.结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。2.结构动力学分析结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括:瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。3.结构非线性分析结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。4.动力学分析ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。5.ANSYS还具有热、电磁场、流体动力学、声场和压电等强大的分析功能。四、后处理模块POSTl和POST26 ANSYS软件的后处理过程包括两个部分:通用后处理模块POST1和时间历程后处理模块POST26。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、应力、应变、速度及热流等，输出形式可以有图形显示和数据列表两种。五、有限元法进行工程分析的一般过程16 ANSYS分析过程中包含三个主要步骤：1. 创建有限元模型（1）创建或读入几何模型；（2）定义材料属性；（3）划分网格（节点及单元）。2. 施加载荷并求解（1）施加载荷及载荷选项、设定约束条件。（2）求解。3. 查看结果（1）查看分析结果。（2）检验结果（分析是否正确）。用有限元法进行工程分析的一般过程如图3-3所示： CAD软件三维建模输入材料参数 前置处理给定载荷及约束修改网格生成有限元分析程序有限元分析后置处理显示输出N满意 Y结 束 图3-3 有限元法进行工程分析的一般过程六、ANSYS软件的质量认证ANSYS软件是第一个通过IS09001质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会(ASME )、美国核安全局(NQA)及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院十七个部委推广使用。3.3 转台结构的有限元分析转台结构的设计在前一章以及设计过，为了看设计的结构是否符合要求以及强度能达到工作的要求，就必须采用有限元进行分析，在此特使用ANSYS分析软件进行分析,首先说明本图形的建模没有在ANSYS中进行，而是在PRO/E中，然后通过格式转化后转入到ANSYS的界面中对所设计的图形实体进行的分析，具体分析过程如下17181920： （方案1）3.3.1 实体建模采用的是PRO/E建模然后从CAD系统中传入实体模型。ANSYS提供了强大的与其它CAD系统的接口。用户可以在其它CAD系统中创建有限元模型，然后再把它传入到ANSYS中进行分析。利用ANSYS本身的实体建模功能建立实体模型很不方便，特别是对结构较复杂的实体模型，坐标系和工作面需频繁转换，建模难度很大。但ANSYS可与多种CAD软件集成并有接口，利用ANSYS提供的数据接口，可精确地将CAD系统下生成的几何数据传入ANSYS中，并对其求解。由于作业臂结构较复杂，因此，本课题采用在PRO/E中建立实体模型，然后通过SAT格式导入，其优点是用 SAT 文件转换方便，而且一般不会有转换问题。在实际导入过程中，通过模型检查，也未发现有错误信息。3.3.2计算模型1、单元选取 对一个结构建立模型，特别是对于一个复杂结构来说，肯定有许多种建模方案，因此要合理选择方案，使之既要满足精度要求，又要节省资源，降低工作量，也是应用有限元法的主要研究课题之一。在此也有两种方法： 第一种方法:选用实体单元(solid element)建立有限元模型； 第二种方法:选用板壳单元(shell element)建立有限元模型。 对于方法一来说，因为ANSYS强大的建模功能，运用实体单元建模,可以很直观的反映实际生产中的转台结构，而且，又由于ANSYS强大的后处理功能，其建立的模型，经过网格划分和ANSYS软件的分析计算，可以直观的显示转台结构受载后变形云图和应力云图等。然而，利用实体单元来建立模型，进行网格化和有限元计算需要占用计算机很大的内存等资源，要求高性能的计算机资源。对于方法二来说，因为采用板壳单元的方法建立模型，用平面来描述实体模型，占用相对较少的计算机内存，从而大大减少了有限元计算对计算机资源的消耗，因而可以在相同的计算机资源的基础上，可以将模型网格划分更细致和建立能够反映尽量贴近实际工程中的转台结构(即可以执行更加少的模型简化操作)，因而可以得到更加精确的结果。然而，同样由于用平面来描述实体模型，而导致所建立模型的直观性较差，不能形象地反映分析结果。所以在本次分析过程采用了第一种方法进行分析：2、结构简化 实践证明，对于一个复杂结构在不影响计算精度的前提下，做些适当的简化工作是必要的。一则可以减少许多繁琐的工作，大大减少工作量；二则可以通过忽略一些由于工艺上的细小结构和无关紧要的小细节，可以使得有限元模型网格化时可以生成质量比较好的网格，从而可以使得有限元软件计算结果更准确；三则可以充分利用有限的计算机资源，着重在关键部位进行计算和分析。 对于转台这样的结构，基本上是按照自然结构形状进行的。本文在结构简化时考虑以下几条原则： 1.不考虑钢板焊接应力及焊缝型式的影响。 2.忽略两高墙板左上角的圆角，代之以直线形式。因为考虑到此处的实际应力值比较小，采用直线的形式可以改善网格的质量。实际结果证明也是如此。 3.对于变幅油缸的铰支座处，仍旧采用板壳单元。尽管支座宽厚之比不太大，不太满足板壳元的条件，然而由于此处受力情况不太复杂，而 且对此处加强，在技术上和工程上都是非常容易的，再者依据圣维南原理，此处计算产生的误差不会影响到转台结构的整体分析结果。4.略去铰支座处的对铰支座起加强作用的加劲肋。因为这些细小部件将使模型有限元网格的划分变得极其困难，造成大量的形状失效单元，甚至可能导致无法正常计算。5.忽略结构中细节部分如倒角、圆角以及由于构造等原因而需要开的小孔之类。在下图显示的是转台结构的实体模型图：由本图可以看出以下特点：实体采用的是前后高强板，前后加上加强筋来加强强度的设计，在转台的左右加薄板进行加强的，而底版则采用的是大型圆盘形结构。前后加强板以及加强筋之间采用的是刚性连接。在此进行ANSYS分析时不考虑焊接的应力影响。 图4-1 转台结构的模型图3.3.3有限元模型1、单元选取单元选取按照ANSYS软件提供的单元库，结合高空作业小车转台结构的特点，力求准确反映原结构力学特性的原则.由于转台结构主要是由大型钢板焊接而成，故选用ANSYS单元库中实体模型的BRICK45单元。2、网格划分 有限元分析中经常遇到的问题是单元网格应划分如何细致才能获得合理的结果.这个问题到目前为止并没有一个确定的答案，不过可以利用以下方法来测定是否当前的网格划分可以认为是合理的： (1)利用自适应网格划分产生可满足能量误差估计准则的网格； (2)与先前独立得到的试验结果或已知解析解进行对比，对已知和算得结果偏差过大的地方进行网格细化； (3)执行一个自认为是合理的网格划分的初始分析，再在危险区域利用两倍多的网格重新分析并比较两者的结果。如果这两者给出的结果几乎相同，则网格是足够的。如果产生了显著不同的结果，应该继续细化网格直到随后的划分获得了近似相等的结果。另外，网格划分密度尺度很重要，假如网格过于粗糙，那么结果可能包含严重的错误;如果网格过于细致，将花费过多的计算时间，浪费计算资源，使模型占的计算机内存过大至于不能在计算机上运行。 图4-2 转台的单元分析3 加载和约束（1）、材料参数 弹性模量为: 泊 松 比: 0.3; 材 料 密 度: 重力加速度: （2）、 加载和约束加载方式为：采用集中力的方式加载。转台手到下臂传来的集中力和伸缩油缸的集中力的作用在转台的-Y方向加以约束来对转台进行加载和约束。由于采用的外部载荷主要是针对的半圆上受到的集中力如若想要得到半圆上的均匀受力则必须进行一定的计算： 由于2点和6点的半圆面积是不一样的，在此进行计算： 转 台 的 工 况 一受 力 要 求受 力 方 向2 点 受 力6 点 受 力受200kg外力
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