番禺高空车出租，南沙高空车出租，白云高空车出租 如何采用有限元的方法分析高空车的伸缩臂？ 高空车的伸缩液压缸布置在箱形伸缩臂内, 伸缩臂共4节, 采用高强度钢板焊接而成。由液压缸实现变幅, 采用1个双作用液压缸和链条机构实现4节臂的同步伸缩。臂与臂之间通过滑块连接。高空车工作范围。为防止倾覆, 在各个角度下伸缩臂所允许的最大伸出长度有一定限制。在水平位置下允许最大伸长为9.2m。变幅角度为66°～85°时, 允许4节臂伸至总长17.793m。所有角度下允许吊篮中的最大载荷是相同的, 故判断危险工况有3个, 即水平位置时伸缩臂最大伸长情况, 以及变幅角度分别为66°和85°时伸缩臂最大伸长情况。考虑66°(工况A)和0°工况(工况B), 此时飞臂与地面保持水平。工况A受力分析伸缩臂全伸, 工作角度66°, 载重量最大, 飞臂与地面水平, 突然制动。飞臂重量设为G1, 吊篮重量设为G2, 最大载重量设为G3, 飞臂的长度设为L1, L2为吊篮的宽度。图1高空车工作范围（双人)、L1=2.3m、L2=0.8m。由于高空车还没有完备的设计准则, 其工作情况与起重机类似, 故分析计算时参照《工程起重机》和《起重机设计手册》。进行有限元分析时, 将吊篮和飞臂的作用力跟载重量一起等效转化到臂头, 等效力:φ2为起升状态级别系数, 此时伸缩臂已到达最大变幅, 仅飞臂绕臂头旋转。圆周运动取平稳工况, 则取φ2=1.22。根据力的转化原则将力平移到臂头会产生力矩工况。因为考虑伸缩臂起升离地有中度冲击, 取φ2=1.66, 则等效力FBy=5368.44N, 等效力力矩MBz=7516.6N·m。
采用Pro/E建立伸缩臂和滑块的三维实体模型。建模时省略伸缩液压缸、链罩、拖链、电缆等结构, 仅考虑自重对伸缩臂的影响, 忽略模型中所有的小特征, 包括圆角、倒圆、小孔以及凸台等, 以避免这些小特征和小结构在进行网格划分时, 产生大量的有限元单元, 加大计算机的计算时间。这些小特征也会造成网格质量下降, 影响结构分析的精度。将建立的模型直接导入Ansys中, 通过布尔操作中的Overlap运算将模型刚性化, 以保证滑块与各伸缩臂之间的可靠连接。进行静态分析时伸缩臂和滑块皆选用Solid92单元, 这种超单元能够很好地适应复杂形状的网格划分。考虑到第4节臂的臂头同样受弯矩的作用, 故为该单元增加绕3个坐标轴的转动的自由度ROTX、ROTY和ROTZ。 由于材料属性有2种, 故在划分网络前需对伸缩臂有限元模型进行单元指定。经过布尔操作后查看体单元, 体积号92-98为4节臂和3个连接套件;体积号10-91为滑块。采用自由网格方法划分网格, 通过多次试分析, 发现伸缩臂的单元边长取30, 滑块的单元边长取15, 既可满足精度要求, 又考虑了计算机的运算能力。
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加载有限元建模时对伸缩臂结构进行了简化, 使有限元模型的结构自重略低于伸缩臂实际重量, 因此在有限元前处理过程中需增大材料密度以补偿结构自重。起升载荷对承载结构和传动机构将产生附加的动载作用, 由于建模时未考虑吊篮和飞臂, 而是按照力的转化原则进行转化, 使其作用在臂头, 故也作为起升载荷处理。其影响可通过将起升载荷乘以起升载荷动载系数进行处理。在加载过程中, 将起升载荷作为面压力加载到臂头, 臂头圆孔的直径50mm, 臂头钢板的厚度14mm, 因此, 臂头的作用面积S=2×50×14=1400mm2。 工况A和工况B作用在臂头的面压力分别为PA=FAyn/S≈1.1463MPaP。 B=FBy/S=3.8346MPa。 由于是对静止时高空车的有限元分析, 故不考虑水平载荷。由手册知起升高度在20～100m时, 风载荷为1100Pa, 与工作载荷相比较小, 故实际计算时不考虑风载荷的影响。在Ansys中, 通过施加加速度的形式来施加重力及惯性力, 根据惯性力的特性, 其方向总是与加速度方向相反。因此本文中, 重力是沿着Y、Z轴的负方向, 重力的正方向应与重力加速度方向相反, 所以添加约束在基本臂尾部与转台铰接处, 约束3个方向平移自由度UX、UY、UZ, 以及2个方向的转动自由度ROTY、R0TZ, 释放绕销轴中心回转的转动自由度ROTX, 变幅液压缸上铰接处做同样处理, 从而更接近实际的工况。 工况A更危险, 伸缩臂的最大应力值达到236.394MPa, 最大应力发生在液压缸与基本臂的连接处, 应对伸缩臂进行优化。本文优化原则是在满足强度、刚度要求的情况下尽可能减小整个臂架的质量。通过对基本臂在A工况下进行参数化建模进行优化, 确定基本臂截面尺寸, 并由优化前各节臂之间的间隙确定其余各节臂的截面尺寸, 然后在A和B工况下进行校核。设计变量设计变量取为伸缩臂截面的5个尺寸, 长度和厚度, 通过几次预优化和设计要求, 确定它们在优化过程中的上下限。状态变量伸缩臂设计中, 为保证强度、刚度, 可设定应力和变形为状态变量, 控制应力和变形的大小来满足伸缩臂的强度和刚度要求, 基本臂最大等效应力:2.84为优化中所使用基本臂的长度。状态变量的上下限:最大变形0～8mm, 最大应力50～250MPa。目标函数目标函数是伸缩臂结构最轻, 若伸缩臂的质量最轻则伸缩臂的体积最小, 故将目标函数记为Volume。
本文选择Sub-Problem方法进行优化。可以看出, 臂架的整体尺寸有小幅度减小, 臂厚变化较大。在基本臂截面尺寸优化确定后, 可根据每节臂间的间隙(滑块厚度尺寸)推出第2、3和4节臂的尺寸。根据各臂尺寸重新建立A、B工况下的模型并重新进行有限元分析,。 优化后的最大应力值有所增加, 达到256.183MPa, 接近许用应力260MPa。最大应力依然发生在液压缸与基本臂的连接处, 伸缩臂的上盖板和下盖板受力也相对较大。在实际制造生产中可以加强液压缸铰接处的强度, 如局部加强钢板厚度, 增加肋板等。分析了高空车的各工况, 对伸缩臂进行建模和有限元分析, 得出伸缩臂在A、B工况下的最大应力和整个臂架的最大变形, 并对基本臂截面进行参数化建模和优化, 根据优化结果重新进行建模分析。虽然优化后最大应力接近许用应力, 且最大变形也有所增加, 但仍在许用范围内, 达到了优化的目的, 减轻了伸缩臂的重量, 降低了整机的成本, 为高空车的生产制造提供了理论依据。
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