臂架式高空作业平台伸缩臂设计方法

基于ＣＡＤ／ＣＡＥ的自行臂架式高空作业平台伸缩臂设计方法南京林业大学机电学院郑燕萍冯谦邵海南京金现代科技实业有限公司陈建一摘要：本文基于ＣＡＤ／ＣＡＥ方法，对自行臂架式高空作业平台２９ｍ长的伸缩臂进行有限元分析。该方法可根据有限元计算结果，完成某工况整体和局部的刚度校核、强度校核和稳定性校核，省时省力。同时试验和传统设计方法均证明，本文关于伸缩臂的ＣＡＤ／ＣＡＥ设计方法是正确的，对今后伸缩譬的设计具有一定的指导意义。关键词：伸缩臂；设计方法；有限元；ＣＡＤ／ＣＡＥＡｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＨｅｓｓ，ｓｔｒｅｓｓｏｎｅｐ印ｅｒｃａｒｒｉｅｓｏｕｔｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｏｆｈｉｇｈｌｉｆｔｐｌａｔｆｏｒｍｔｒｕｃｋｗｉｔｈｔｗｅｎｔｙ—ｎｉｎｅｍｅｔｅｒｏｎａｍＬＳｔｉｆｆ－ａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｃｈｅｅｋｃａｎｂｅｅａｓｉｌｙｐｅｒｆｏｒｍｅｄｂａｓｅｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓ．ＴｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔａｎｄｔｈｅｆｒｏｍｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅＦＥＡｍｅｔｈｏｄｍｅｎｔｉｏｎｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｒｉｇｈｔａｎｄｏｆｇｕｉｄｉｎｇｓｉｓｎｉｎ・ｃａｎｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃａｒｍ；ｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ；ＣＡＤ／ＣＡＥ１引言自行臂架式高空作业平台用于高空作业，运输少量的人或物。根据工程需要，需设计伸缩臂长２９ｍ的高空作业平台。由于伸缩臂较长，没有图１结构组成示意图１．作业平台２．第３节伸缩臂３．第２节伸缩臂４．第１节伸缩臂５．车架相关的参考资料，无法用类比的方法进行设计，其安全可靠性无法保证。因此对自行臂架式高空作业平台的伸缩臂进行整体和局部应力计算及稳定性分析显得十分重要。本文基于ＣＡＤ／ＣＡＥ的方法，对２９ｍ的伸缩臂进行有限元计算旧“Ｊ。通过臂的伸缩运动和旋转运动。本文将计算工况按伸缩臂与水平面夹角分别为０。、２９．５。、４１．５０、４７．５。、５７．５。、７０。时作业位置，分成６种工况，如图２所示。计算，可正确选择伸缩臂各部件的连接形式和各截面的尺寸，对今后伸缩臂的现代设计提供了经验。２结构形式与计算工况分析伸缩臂设计要求自重轻、抗弯能力强，因此初步设计采用矩形截面的箱形三节臂结构，矩形截面是由翼缘板和腹板焊接而成的，第１节臂长１０．２ｍ，第２节臂长１０ｍ，第３节臂长１０．８ｍ，第３节臂的外端铰接用于载人和物的工作平台，第１节臂根部铰接在车架上，靠近第１节臂根部装有变幅液压缸，用于支承伸缩臂，而各伸缩臂之间通过滑块连接，其结构组成示意图如图１。自行臂架式高空作业平台作业时，包括伸缩一３６一图２工况图＜起重运输机械＞２００８（１２）万方数据３伸缩臂三维模型的建立与验证为了方便建模和有限元分析，本文首先利用ＵＧ软件建立伸缩臂的三维ＣＡＤ模型，建模时做了必要的简化，省略伸缩液压缸、链罩、拖链、电缆等结构，只考虑其自重对伸缩臂的影响，然后通过ＡＮＳＹＳ软件输人接口读人模型，生成三维模型。经分析和实践，模型采用具有６个自由度的ｓｈｅｌｌ６３单元，分别用６７７２５个单元和６８２３３个节点代替原实体模型。为了模拟伸缩臂作业时的支承情况，对第ｌ节臂２个支承位置处共１２个接触面进行Ｘ、ｙ、ｚ方向平移和旋转自由度的约束。伸缩臂及作业平台的自重按输入密度和重力加速度的方式加在模型上，载重、风力作用和伸缩缸、链罩、拖链、电缆等结构件的重量按集中载荷加在模型的相应位置，有限元模型如图３所示。图３有限元分析模型众所周知，有限元模型是否正确将直接影响计算结果的正确性，特别是分析单元和约束形式的选择是否恰当，模型简化是否合理。由于２９ｍ长伸缩臂的自行臂架式高空作业平台尚处于设计阶段，若生产出样车进行试验，成本太高。为了验证模型的正确性，建立了已投产车型，即伸缩臂为１６Ｉｎ长的自行臂架式高空作业平台的有限元模型，并进行了实车试验，应变片的布置如图４，取伸缩臂与水平面夹角分别为００、３００和４５。３种工况，１６ｍ长伸缩臂的有限元计算结果与测试结果比较见表１。图４应变片贴片截面与位置示意图《起重运输机械》２００８（１２）万方数据表１应力比较工况００工况００工况３００工况３００工况４５０测工况４５。测试计算测试计算点测试计算结果结果结果结果结果结果ｌ１１９．５１０８．５５９６．８２７１．５２ｌ７４．１６７５．４１２１１３．３１１７．９ｌ９０．６４７０．９９ｌ６７．９８７９．０２３１０３７１．６９８４．４６８１．５８６５．９２６０．１７４１ｃｒ７．１７８．１１５８４．４６８７．５１６７．９８６９．３１５１４８．３１５５．３６１３３．９１２１．８９１０５．８８４１１７．３５６１５０．４１３３．２３１２９．７８１２２．５９１１２．４７６１０８．０３７１４４．２１４７．８６１２７．７２１２４．７６１０９．５９２１００．４７８１４０．１１４３．７９１２５．６６１２２．５９１０５．４７２９８．８８９２２．６６１８．６９２０．６１４．６６３ｌＯ．６０９１０．６９７１０１８．５４２４．５３１６．４８１１．７０４８．３３９．４７８１１１３６．０１３１．５３１２１．５４１１２．４２１１４．１２４９０．８５１２１３８．０１５０．０５１２３．６１２８．２５１１８．２４４１０３．６４由表１可知，计算结果与试验结果吻合较好，相对误差为２０％左右，因此可以证明１６ｍ长伸缩臂的有限元模型是正确的。由此类推，选用同样建模方法、同样分析单元和同样约束形式及模型简化方式的２９ｍ伸缩臂的有限元模拟也是可信的。伸缩臂的设计计算包括计算工况下的刚度校核、强度校核和稳定性校核，其中还包括整体和局部的校核，若按传统的经验公式方法，计算工作量大，费时费力。但若采用ＣＡＥ方法，则容易了解在６种工况下伸缩臂上各点的位移和应力分布，并能根据某个工况的计算结果，一次性完成该工况下整体和局部的刚度校核、强度校核和稳定性校核。因此本文利用有限元模型，进行６种工况下的有限元计算，得到伸缩臂上各节点坐标、节点等效应力、各方向的应力和节点位移等计算结果。分析计算结果得到，伸缩臂与水平方向成４１．５。工况较其他工况的应力和位移均大。因此以此工况为例，‘对伸缩臂刚度、强度和稳定性进行校核。一３７—４伸缩臂的设计４．１伸缩臂的刚度校核有限元计算完成后，根据位移分布图（略），伸缩臂的位移最大值为２５５．６ｍｍ，在伸缩臂最外端。根据箱形伸缩臂的刚度校核的经验公式…，许用位移阴＝【揣】＝ｏ．５８９式中Ｌ。——缩臂臂长，ｉｎ可见用有限元计算出的伸缩臂位移最大值＜５８９ｍｍ，即伸缩臂的刚度校核满足要求。４．２伸缩臂整体稳定性和强度的校核分析应力云图（略）和应力列表的结果表明：伸缩臂上有３部分应力较大，超过许用应力值，而其他部分的应力均满足强度要求。应力最大值是发生在靠近第ｌ节臂根部装有变幅液压缸位置处，由于有约束和应力集中的影响，显示的等效应力数值１８６２Ｎ／ｍｍ２仅供参考，而伸缩臂材料的许用应力［ｏ－Ｊ＝２１９Ｎ／ｒａｍ２，忽略以上因素的影响，此处应力值也是超过许用应力的，结论是此处的设计需要修改，强度校核不满足要求。第２部分应力较大的位置在第３节臂外端与工作平台的连接处，其中应力较大节点为９０４２，坐标（１０，１２５，一１４８６０），其等效应力值为６９１Ｎ／ｒａｍ２，也已超过许用应力，此处的强度校核也不满足要求。第３部分应力较大的位置在伸缩臂根部，其应力最大值发生在截面角点位置，节点号为６５５５８，坐标为（１７３，２４５，１０３００），等效应力为２３４．１４Ｎ／ｍｍ２。根据传统设计方法可知，伸缩臂根部的应力值也是伸缩臂的整体稳定性校核的依据，因此该处的计算结果表明：伸缩臂的整体稳定性和此处的强度都不满足要求。为了说明结论的正确性，本文同时利用传统的经验公式进行了计算。忽略由于伸缩臂接合处间隙或制造误差产生的初始弯矩，则伸缩臂整体稳定性需满足以下条件…。ＡⅣ－＋『主１０．ｃ。隆…１Ｎ。］Ｍｙ巾，万方数据式中Ａ——吊架根部截面的几何面积，ｍｉｌｌ２札。——欧拉临界载荷，ｋ等Ａ山，再Ｎ。呵——欧拉临界载荷，卜轴向压力，ＮＮ啤＝警入，乱ｃ■每Ｍｚ，肘，——由横向载荷在结构中引起的最大弯矩，Ｎｍｍ眈，耽——截面的抗弯模量，ｍｍ弘其中，伸缩臂的计算长度Ｌ。＝ｐ。砌Ｚ根据ＧＢ３８１１—１９８３，与支承方式有关的长度系数ｐ。取１．８２，变截面长度系数段取１．８３，因此。Ｌｃ＝８３７５１ｍｉｌｌ，其他参数的数值分别为Ａ＝１１６１６ｍｍ２，眈＝１．７８４１ｘ１０６ｍｍ３，１ｔ７ｒ－－２．０５８０ｘ１０６ｍｉｌｌ３，＾ｋ＝１．２９１６×１０３Ｎ，Ⅳｃ。＝１．０５２１×１０５Ｎ，由公式计算得到在伸缩臂与水平方向成４１．５０时，伸缩臂根部的应力值为２５０．５７７１Ｎ／ｍｍ２，即伸缩臂不满足整体稳定性和强度的要求。结论与有限元的计算结果相吻合。伸缩臂局部稳定的条件是直臂不发生屈曲怛Ｊ。即在材料的弹性（欧拉）范围内，屈曲应力应小于矿Ｐ。．根据材料特性，盯Ｐ＝０．８，盯。＝０．８×４９５＝Ｎ／ｍｍ２而伸缩臂上各处的应力（不包括装有变幅液根据伸缩臂重叠处的应力计算结果，在第３０７Ｉ，２１０），等效应力为Ｎ／ｒａｍ２，满足局部强度要求。而在第２节臂与８００，坐标为Ｎ／ｒａｍ２，也满由此，伸缩臂局部稳定性和局