对剪刀式举升机进行结构

第1章绪论选择背景、研究目的及意义近年来，我国汽车业蓬勃发展，尤其是轿车行业，多年来轿车进入普通家庭的梦想已经成为现实，汽车维修行业也随之得到大力发展，汽车举升机是现代汽车维修作业中必不可少的设备，无论整车大修，还是小修保养，都离不开它。在规模各异的维修养护企业中，无论是维修多种车型的综合类修理厂，还是经营范围单一的街边店（如轮胎店），几乎都配备有举升机。它的主要作用就是为发动机、底盘、变速器等养护和维修提供方便。举升机的重要性和普及性，决定了它是一种备受专业人士和经营管理者重视的设备。举升机一般有柱式、剪式的，其驱动方式有链条传动，液压传动，气压传动等。目前，使用的汽车剪刀式举升机可能发生汽车坠落的原因较多，有安装基础不牢、自锁装置失效、举升臂变形、两侧举升臂上升速度不等、液压油路爆裂、汽车拖垫打滑等，经过对失效的剪刀式举升机进行检测分析发现，这些事故的主要原因往往是设计上存在着缺陷，如果做工不好或者设计不好就容易导致台面不平、导致单边升降等危险发生，因此，进一步提高剪刀式举升机产品的性能与可靠T生，是国内举升机任重道远且亟需改进的地方。本设计采用计算机CAD/CAE对剪刀式举升机进行结构设计，提高产品的综合性能和安全可靠性。计算机CAD/CAE技术是一种崭新的产品开发技术，是国际上 20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展的一项计算机辅助工程技术。该技术一出现，立即受到了工业发达国家的有尖科研机构和企业公司的极大重视，许多著名的制造厂商纷纷将计算机仿真技术引入各自的产品开发，取得了良好的经济效益。计算机CAD/CAE技术在一些发达国家，如美国、德国、日本等已得到广泛应用，应用领域极广，如汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、医学及工程咨询等多方面。目前,计算机CAD/CAE技术已在我国得到了应用与推广，主要在汽车、航天航空、武器制造、机械工程等方面。而从我国目前的情况来看，计算机CAD/CAE技术主要在汽车制造业和武器装备制造业中应用较为广泛 ，但只停留在初步应用阶段。现今，在我国利用CAD/CAE技术对汽车举升机进行设计研究还尚未见成果发表。只有将汽车举升机的工程实践和计算机CAD/CAE技术结合起来，才能真正加快汽车举升机产品的发展历程，为此，本课题基于计算机CAD/CAE技术平台，利用当前CAD/CAE领域内应用比较广泛的三维软件Pro/E、有限元软件ANSYS进行汽车举升机的强度、刚度、稳定性及动态特性等方面的计算机有限元分析与研究，可以代替剪刀式举升机物理样机的前期试验，为我国汽车举升机产品的设计、技术开发方面提供更多的理论参考，进一步提高国产汽车举升机的稳定性和可靠性，提高产品的市场竞争力。该设计的研究方法，也可应用于汽车举升机及其他新产品的研究开发中，可以缩短新产品研制周期，减少研制经费，提高设计精度和效率，对于国内举升机的发展具有重大的现实意义O1.2国内外研究现状1.2.1举升机的发展历史汽车举升机在世界上已经有了70年历史。1925年在美国生产的第一台汽车举升机，它是一种由气动控制的单柱举升机，由于当时采用的气压较低，因而缸体较大；同时采用皮革进行密封，因而压缩空气驱动时的弹跳严重且乂不稳定。直到10年以后，即1935年这种单柱举升机才在美国以外的其它地方开始采用。发展至今经历了许多的变化改进，种类也比较多，一般有柱式、剪式，其驱动方式有链条传动，液压传动，气压传动等。其中剪式举升机使用方便，占地空间较小，受到很多实力雄厚的特约维修站的欢迎，这也是未来举升机的发展方向。在市场上可以看到的型式各异、尺寸不同的举升机中，有一些特别适合于从事特殊类型的维修作业，也有少数的举升机适合进行一些其它的维修作业。1.2.2国内外研究状况目前，发达国家（如美国）生产的汽车举升机质量较好、性能较稳定、设备操作简单，在经销商中口碑良好。我国的汽车举升机是20世纪90年代依据国外的产品技术生产的，国内最早研究剪式举升机的是上海宝得宝，1999年开始，宝得宝机型比较笨重，主要的质量问题集中在油管易爆和平台不同步，2000年后质量有了改进。但由于不是批量，所以价格偏高。到现在举升机市场已经拥有近百个中外品牌，产品系列成百上千。然而国内汽车举升机虽然也相对定型，但很多产品性能还不够稳定，故障多，可靠性差，夕卜观不够美观，在产品设计、技术开发等方面都还有很多地方有待改进。剪刀式举升机是一个使用较广的举升机，在最近几年所有新销售的举升机中，至少二分之一都是这种类型的。这种设计之所以很流行，有几方面的原因的：一就是这种举升机安装起来很快，不需要大范围的开挖，也不需要对维修厂的整体布局进行一些永久性的变动。二是功能的多样性，它适用于大多数轿车的维修和保养。三是剪式举升机使用方便，占地空间较小。四是经济实惠，剪式举升机较为精密o无论是维修多种车型的综合类修理厂，还是经营范围单一的街边店（如轮胎店）都适用。1.3研究内容及研究方法1.3.1研究内容本设计在考虑典型的汽车举升机的结构形式和实际工况条件基础上，依据有限元、虚拟装配技术及结构优化设计等理论，建立举升机Pro/E三维实体模型，并进行虚拟装配，将尖键零部件模型导入ANSY软件进行有限元分析，获得举升机在载荷工况作用下的应力、应变及变形状况，进一步提高举升机的稳定性及安全性o设计中我们研究的主要内容如下：剪刀式举升机工作原理与结构形式的研究与分析;剪刀式举升机二维结构设计；剪刀式举升机Pro/E三维建模与虚拟装配；剪刀式举升机尖键部件ANSYS有限元分析1.3.2研究方法撰写设计说明书第2章剪刀式举升机结构设计2.1举升机结构确定21.1举升机整体结构形式及基本组成此次课题设计的内容为剪刀式举升机，剪刀式举升机的发展较迅速，种类也很齐全按照剪刀的大小分为大剪式举升机（又叫子母式），还有小剪（单剪）举升机；按照驱动形式又可分为机械式、液压式'气液驱动式；按照安装形式又可以分为藏地安装，地面安装。因为此次设计所要举升的重量为3t以下的轿车，所以采用小剪式液压驱动举升机就完全可以。为了适合大小维修厂，对地基没有过多要求，地面安装即可。整体结构形式如图2.1所示图2.1剪刀式举升机整体结构形式剪刀式液压平板举升机由机架、液压系统、电气三部分组成。设置限位装置、升程自锁保护装置等以保证举升机安全使用，保障维修工人的生命安全。剪刀式举升机有两组完全相同的举升机构，分别放于左右两侧车轮之间，因两侧结构完全相同，可以左右互换。举升机由电气系统控制，由液压系统输出液压油作为动力驱动活塞杆伸缩，带动两侧举升臂同时上升、下降、锁止。举升机一侧上下端为固定钱支座，举升臂由销连接固定在钱支座上［2］。另一侧上下端为滑轮滑动，举升臂通过轴与滑轮连接O举升机在工作过程中，以固定钱支座一侧为支点，滑轮向内或向外滑动，使举升机上升下降，当达到适当的举升位置时，利用液压缸上的机械锁锁止。剪刀式举升机使用方便，结构简单，占地面积小，适用于大多数轿车、汽车的检测、维修及保养，安全可靠⑶02.1.2举升机各零部件之间的连接矢系举升机的工作是靠液压缸活塞杆的运动实现举升下降的。 液压缸固定在下外侧举升臂上通过轴连接，活塞杆作用在上端轴上，轴直接连接两举升臂。如图 2.1所示，活塞杆向外伸出时，带动举升臂向上运动。各举升臂必须相互联系，采用螺栓连接，图中左侧用轴连接，因各较接处均有摩擦，所以采用润滑脂润滑。举升臂向上运动时，通过轴带动滑轮滑动，举升臂、轴与滑轮之间需使用键进行周向固定，力才能相互传递，滑轮轴上还放有套筒，并采用锁止螺钉进行轴向固定，轴两端用弹性挡圈固定，防止臂和滑轮外移；连接螺栓处用止动垫圈固定锁止；固定较支座处用销链接，销通过锁止螺钉锁止；底座通过地脚螺栓固定于地面上；这样举升机才能正常工作。2.2确定剪刀式举升机的各结构尺寸2.2.1建立轿车模型为使举升机使用范围广，本设计首先建立了一个轿车模型 ⑴0根据表2.1所列车身参数信息。 表21参数信息车身信车型长丰帕杰罗3.0GLS手动上海大众劲取车身长/宽/高（mm）4830/1895/18854200/1650/1465刖轮距15751460后轮距15601460轴距27752460刖轮规格215/60R16195/55R15后轮规格215/60R16195/55R15根据丰田和大众轿车的车身信息确定一个使用较广的车模：它的车身参数是：车身长4.7m，宽1.75m,高1・5m,轴距2.1m，前后轮距平均为1・5m，车自重1・5t，该轿车模型集丰田轿车外型，奥迪外型，大众车系于一体，具有较广的代表性。2.2.2剪刀式举升机主要结构尺寸确定1、剪刀式举升机已知的主要技术参数如表 2.2所示表2.2主要技术参数技术数据数值单位举升車暈3T举升高度350-2000Mm提升时间60S要求举升机的提升速度是经1min时间内举升机能升高到2m,实际升高1.65m，并且举升机在各高度工 作 时 ，都 能 自 锁。设计过程中参考了广力牌GL3.0/A小剪式举升机，上海繁宝剪式举升机，JumboLiftNT剪式举升平台。2、举升机压缩到最低位置时各部分尺寸1）支撑平台尺寸因剪刀式举升机放于两轮胎之间的下部，所以举升机在使用过程中要保证举升机不能与轮胎发生干涉⑵。根据轿车轴距为2.6m，轿车轮胎直径一般不超过700mm，为避免干涉，举升机平台两端与轮胎边缘要有一定距离，取平台边距轮胎边缘之间距离为150mm，则平台外型长La=2600-3502-1502=1600mm。平台宽一般为500mm〜600mm左右，我们取平台宽为Bp=550mm。举升时，重量作用在整个平台上，力并不集中，所以平台不宜过厚，增加举升机重量，取外型高为70mm，实厚为15mm，只在四周加工凸台边缘，平台尺寸如图2.2所示。■'11.*******■••••••••••••••«*»«****•*•■■■■■・•••••・■・•••••••••■•■•・■・・■・・•■■■1■•1500图2.2平台尺寸2）举升臂尺寸因平台长La=1600mm,固定较支座和滑动滚轮分别放于平台下， 降低到最低点时举升臂不能超出平台边缘，与汽车相干涉，所以固定钱支座和滑动滚轮要与平台有一定的距离，取支座距平台边缘的距离为 150mm。则固定钱支座与滑动滚轮之间距离Lb=1600-1502=1300mm。举升机压缩到最低位置时，举升机高为 350mm,（底座到平台面的距离）。如图2.3所示底座厚为15mm，滚轮直径D=50mm，滚轮处轴径Dz=24mm，为了避免滚轮直接磨损底座，设计时，加工滚轮滑道，滑道厚为10mm，滑道宽35mm，滑道长为750mm。上下两滚轮之间的距离为 Hd=350・152-352=250mm根据勾股定理求举升臂长L,L二（Lb2（号°）2求得L=1306mm,举升臂宽110mm，厚为20mm。图2.3举升机压缩到最低点时的状态3、举升机升高到2m时尺寸变化举升机向上举升时，滑轮向内侧滚动，液压系统向上伸缩，固定钱支座和滑动钱支座之间距离缩短，平台与底座之间距离越来越大。举升机升高到 2m时，举升机上下两滑轮之间的距离为Hg=2000・15怙35*2=1900mm因举升臂长L=1306mm,固定钱接处与滑轮之间的距离为Lb,由勾股定理得Lb二」L?（|罗o）2,则Lb=896.15mm,;t动轮滑动距离Lx=1300-896.15=403.75mm举升机升高到2m时，结构状态如图2.4所示图2.4升高到2m时举升机主视图和左视图因我们的举升臂宽为110mm，所以连接处螺栓轴径适当取Ds=30mm,滑动滚轮处轴径取Dz=24mm,滑轮总宽为30mm，与滑道实际接触尺寸为25mm，另外5mm为阶梯凸台，直接与举升臂接触，减小摩擦。2.3举升机在地面上安装尺寸考虑到维修厂的地面情况，剪刀式举升机平放于地面就可以，采用地脚螺栓固定，6060举升机两端各焊接一二角台，便于汽车上升根据轿车宽为1・75m,刖后轮距平均为1・5m,左右两轮台内侧边缘之间的距离为800mm,举升机之间要有一定的距离供维修工人走动，为了满足以上尺寸要求，举升机平台之间的距离取900mm,平台长1600mm，举升机左右结构完全相同，设备控制箱可以左右互换。如果举升机平台直接与汽车底盘接触，对汽车底盘磨损严重，所以平台上端放硬质橡胶，硬质橡胶块距边缘为20mm,则硬质橡胶长Lj=510mm，宽Bj=150mm。举升机在地面安装情况如图2.5所示。930图2.5举升机占地情况及安装示意图2.4电机的选用剪刀式举升机举升重量3t，举升机自身及其附件的重量再加上一部分的余量为 0.7t，所以取W=3.7to(2.1)举升平台上方放有汽车时，设计上升速度为 Vw=s(2.1)tS=2000-350=1650(mm)165由公式(2.1)得 Vw=1162=0.0275m/s=1,65m/min60FwVw载车板上升功率： Pw=(2.2)Fw=m(2.3)其中m=3.7kg,g=10N/kg由公式(3.3)Vw取1.65m/min由公式Vw取1.65m/min由公式(2.2)得Pw=3zXxg5=102(KW)602.5剪刀式举升机各部件重量查《工程材料手册》所知，举升、起重机械的板形材料多用 0275钢。Q275钢的材料性能如下： 表2.3Q275钢材料性能弹性模量泊松比抗拉强度密度200-220/GPa0.3490—610/MPa7.85g/cm3质量基本计算公式【9]:1WFL(2.4)1000式中：w(kg)……表示钢的理论质量F(mm2)…型钢截面积L(m) 钢材的长度p(g/cm3)-一所用材料钢的密度1、 平台的质量Wp7.85(1.61555025580.552250.5421.54530220.81035)"1000116.37kg因平台加工有较薄的边缘，所以计算时数据较多，后续计算中我们取平台质量为Wp=120kg2、 举升臂的质量1,,Wb7.85(1.30611020) 22.55kg1000在实际运用中，连接处都加工有加强肋，连接处还携带一些附件所以取举升臂质量为23kg。左侧和右侧举升机完全相同，每侧共有八个举升臂，则举升臂重量和为Wbz238 184kg3、底座重量在实图中举升机底座并非实体，但为了计算方便，我们按实体计算，则1Wd7.85(1.615550) 103.62kg，我们取底座重量为Wd=104kg°举升机总重1000Wz2Wp2Wb2Wd800kg。整理前面计算的数据如表2.4表2.4剪刀式举升机主要技术参数举升車量3000kg举升高度350—2000mm实际上升高度1650mm总宽2000mm总长2060mm平台长/宽1600/550mm举升臂长1306mm平台间宽900mm上升时间50s下降时间40s电机功率1.2KW电源220V/380V/50HZ额定油压18MPa整机重暈800kg滑轮移动距罔896.15mm2.6本章小结本章主要将剪刀式举升机的外型尺寸，各部分结构尺寸，各结构的安装位置确定出来，为后续的设计工作做好准备。在设计过程中我们参考了广力牌 GL3.0/A小剪式举升机，上海繁宝剪式举升机， JumboLiftNT剪式举升平台的设计，并根据现今社会上使用普遍的轿车种类的车身结构尺寸，确定了我所设计的剪刀式举升机的组成结构，包括控制机构、传动机构、执行机构，还有所需的零部件。本章还叙述了剪刀式举升机是如何运动的，实现举升，将车举到我们希望的高度。第3章剪刀式举升机机构建模3.1剪刀式举升机构力学模型剪刀式举升机构具有结构紧凑、承载量大、通过性强和操控性好的特点，因此在现代物流、航空装卸、大型设备的制造与维护中得到广泛应用。剪刀式举升机构作为举升平台钢结构的尖键组成部分，其力学特性对平台性能产生直接影响o对于剪刀式举升机构来说，影响其力学性能的尖键因素是举升油缸的安装位置。 计算、分析剪刀式起升机构的传统方法通常为手工试算或整体有限元分析方法。但手工试算法精度不高 ，效率低;整体有限元分析法较适用于后期的验算分析，但在设计分析初期，存在建模困难和较难快速调整模型参数的问题。在建立力学模型时，我们利用 MATLAB软件所具有的强大矩阵计算功能，对影响剪刀式起升机构力学特性的矢键参数展开研究 ,从而得到剪刀式举升机构的力学模型⑹。3.1.1举升机构力学模型建立与分析举升机之所以斜置，是因为举升机右侧为固定钱支座，左侧为滑动钱支座，平台上放有荷载，举升机上升过程中，荷载重心相对前移，在高空中容易前翻，对工作人员十分危险，斜置安装可以抵制荷载前翻的情况。安装情况如图3.1，图中F4与F6作用点分别对应平台和底座的固定较支座位置，F3与F5作用点分别对应平台和底座的滑动钱支座位置。为分析方便，我们将平台钢结构和平台有效载荷之和简化为 W1，剪刀式举升机构自重载荷为W3,油缸自重载荷为Wcy根据分析，假设举升臂机构自重载荷为W3和油缸自重载荷为Wcy忽略不计。如图所示，根据上一章所定举升臂两端销孔中心连线长度为L,L=1306mm其与水平线夹角为"淀义d为液压缸下安装点与举升臂中心销孔距离（平行于举升臂），f为上安装点与举升臂端销孔的距离，定义上下两钱接点高度为Hg,定义滑动较支座与固定较支座之间的距离为 Lb,根据几何矢系，液压缸轴线与水平线夹角B与"有以下函数尖系：LdtanLtancfLf （3.1）2由式（3.1）可知，液压缸轴线与水平线夹角B是d、f、的函数，而当d、f这2个参数确定时，在举升机构升降过程中B随a变化。平台和剪刀式举升机构建立其力学模型如图 3.2所示。为平台简化模型⑹。图3.2平台简化模型假定W1作用于平台中心位置，则当平台起升，剪刀机构变幅带动滑轮内移时，则W1、F3>F4和"有如下矢系「佰（B近似等于L/2）F3F4W1(3.2)F3LeosF40W1B(3.3)图3.2和图3.3为剪刀举升机构力学模型图。剪叉举升机构外载状况如图3.3所示。

为计算剪刀式举升机构内每个支架钱接点的内力和油缸推力,以研究该机构各内力、油缸

推力与"角之间的矢系，并找出其最恶劣工况，我们将该机构拆分为4个独立的隔离体，分

0100000000F010100000K1000-LcLs0000cosK2Pcos01000100sinK3010000100(1一)sin(+)K4F0000LcLs00FcosK5F000010-100K6000001010K700000LcLs000K8Fcos00100010sinPF00010001cos000LcLs00002s.. 、・Fcos—sin(+)在上面的矩阵中，设Lc=cosa,Ls=sina。由于油缸的自重忽略不计，故设F=F3=F4=F5=F3=W1/4。以上矩阵给出了外载、剪刀式举升机构几何参数与油缸推力及各剪刀举升臂受力的相互矢系，为剪刀式举升机构的设计计算及尖键参数的研究提供理论依据。通过编写的MATLAE程序矩阵解以上多元方程得以下结果：别对应该机构从上到下的各段剪叉杆⑸，如图3.4所示。图3.4各剪杆受力分析图该图使用的符号说明如下：Kx为剪叉机构各钱接点内力=1,2,3??8淇中奇数为该钱接点丫方向受力，偶数为对应钱接点X方向受力；Fx为作用在剪刀式举升臂机构上的外力,x=3,4,5,6;P为液压缸的推力o据此,在不考虑摩擦力的情况下，建立力学平衡方程如下面矩阵所示⑸:(3.4)4Lcos(3.4)2sin()fsin()Lsin()L

3.1.2举升机构矢键参数研究与确定分析前述剪刀式举升机构，发现Pmax和油缸轴线与支架梁之间的夹角（9■“）有较大尖系。给定载荷下，起升油缸夹角越小，则所需推力越大。由式（3.4）可知,起升油缸的最小夹角由d,f这2个尖键的几何参数决定⑸。因此，上述4个矢键参数可在一定范围内调整而不产生干涉。根据剪刀式举升机构力学模型式及编制的 MATLAB运算程序，在d,f这2个矢键几何参数允许调整的范围内进行计算，研究它们与起升油缸推力Pmax的矢系。经对d,f这2个尖键参数的研究，结合防止机构几何干涉，并且不发生死角现象及制造工艺方面的考虑，确定其值:d=170mm,f=500mm。3.1.3计算液压缸的推力1、举升机升高到2m时液压缸的推力Hg举升机升高到2m时，tana=2=950 46.67丘由式（3.1）得72.78。Lb896举升机的重心不变F3和F4之间的距离为896mm，由式（3.2）和（3.3）求得F3=11.7509KN,则F4=4.45KN将=11.7509KN,则F4=4.45KN将f=500mm、d=250mm、46.675。、72.78。、F=F3=11.7509KN代入式（34）中，我们得到P=136.643KN。2、举升机在最低点时液压缸的推力根据图（3.3）所示的举升机结构尺寸,根据图（3.3）所示的举升机结构尺寸,可求出a角度,tana=竺1300a5.49。再丄d根据式（丄d根据式（3.1），tan-—2tand2f将a=5.49° 9=16.22°、L=1306mm解得tan諏區XT©tan5.4922。f=500mm、d=250mm代入到式（3.4）中，解液压缸的最大推力为P=324.08KN由前面分析可知，举升机在最低点时，此时液压缸的推力是整个举升过程中所需推力最大值，选择液压系统时根据推力最大值确定。3.2举升机的力学分析与计算剪刀式举升机是一种可以广泛用于维修厂的举升机，具有结构紧凑、外形美观、操作简便等特点，只需用此种安全可靠的举升设备将汽车举升到一定的高度，即可实现对汽车的发动机、底盘、变速器等进行养护和维修功能。随着我国私家车保有量越来越大，此种型式的举升机需求量也会日益增大。本机主要性能参数为：额定举升载荷 3t；在载重3t情况下，由最低位置举升到最高位置需60s；当按下下降按钮使三位四通阀右位接通，车辆

由最高位置降到最低位置需40s；电动机功率1,02kW;举升机在最低位置时的举升高度为350mm，最大举升高度为2000mm,工作行程为1650mm。剪刀式举升机的结构型式有多种，本设计中的举升机结构系指液压驱动的小剪式举升机构。举升机构的传动系统为液压系统驱动和控制，由举升臂内安装的液压油缸实现上下运动，推动连接两侧举升臂的轴，使安装在上下位置的滑轮沿滑道滚动，实现举升机的上下移动。设备的主要部分有：控制机构、传动机构、执行机构、平衡机构和安全锁机构。分析剪式举升机不同举升高度的受力情况可知，在给定载荷下，举升机举升到不同高度时，所需油缸推力不同，各举升臂与轴所受的力也不同。为分析方便，在计算过程中，我们只分析举手机最低点和举升到最高位置的受力情况即可。3.2.1举升机最^状态时，各臂受力情况1、 与平台接触处的两钱接点的力学分析与计算由前一节分析可知，举升机在最低点时，举升机重量均匀的分布在平台上，平台钢结构和平台有效载荷之和Wz1所产生的重力直接作用在滑动钱支座和固定钱支座上。在最低点时，举升臂并不水平放置。存在一很小的角度a。 tana二丄25a5.49。1300因a很小，所以计算过程中我们可以将 WZ1近似看成作用在平台中心位置，WZ1为举升重量与平台重量之和，即Wz1（3tWp）g（3 0.122）10N/kg32.4kNg取（10N/kg）因举升重量和平台质量之和由两侧举升机共同承受，所以代入式（ 3.2）和（3.3）中的W1只是Wz1的一半，W仁16.2kN解得F3F48.1kN2、 计算各举升臂的受力14f14f图3.5举升臂受力图图3.5为杆1的受力情况，F3作用处为滑动钱支座，根据受力分析图列力和力矩平衡方程。方程如下:

k18.1k5k284.2410.4k5k18.1k5k284.2410.4k5k5k5k684.24 10.4k5k1k5F3 解得F3650k5650k662.5，］'F31300k262.5k1I650分析计算结果，我们可以看到，k1,k2,k6三个未知量都与k5有尖，只要确定出k5,其他就都能解出。观察图3-1力学方案示意图，我们能够很快分析出，举升重量全部作用在平台上，在举升机起升瞬间，a5.49。，则k5较接孔处竖直方向分力很小，几乎为零，对杆件只起连接作用，我们将k5取0N。则我们将k18.1kNk284.24kNk684.24kN。K2K4K3图3.6举升臂2受力情况图3.6为举升臂2的受力图，液压缸的推力直接作用在连接两侧举升臂之间的轴上，间接作用在举升臂2上。k3,k4,F4x为未知量，P=324.08KN列力和力矩平衡方程F4k1Psink3k4F4xk2PcosPcosfsinPsinfcosk262.5k1650F4x125F41300k374.21kN解得k413.397kNF4x381.96kN通过计算结果，我们可以看出液压缸在瞬间举升时，水平方向的分力和固定钱支座处的水平方向分力都很大。所以举升机的刚度强度一定要满足要求，否则维修工人在作业时将很危险。3+TKfB3+TKfB图3.7举升臂3受力图举升臂3在实际工作过程中，对整个举升机受力情况没有太多影响，主要起连接件的作用。F5和F6支撑上面所有的重量Wz也心8“00.92 18.5kN式中的20.92KN为液压缸重量产生的重力(初步确定)。图中k7和k8为未知量。列方程如下：F5F6WzF5F69.25KNF5FA解得k79.25KNk5k7F5k884.24KNk6k80图3.8举升臂4的受力图举升臂4的力F6作用处是固定较支座，所以有两个方向作用力。液压缸的固定端作用在连接举升臂的轴上o举升臂承受液压缸的重力，并不承受液压缸的推力。液压缸的推力有输入的液压油来平衡。在这个受力图中，只有F6x是未知的。k413.397KNk884.24KN 解得 F6x70.843KNk4k8F6x03.2.2举升机举升到最高位置时，各臂受力情况举升机升高到2m时，举升机向内滑动 403.75mm，两脚支座之间的距离为46.675液896.15mm。上下两滑轮之间的距离为1900mm46.675液压缸与水平方向夹角为72.78°，液压缸推力P=136.643KN。压缸与水平方向夹角为分析和计算方法同上。先求举升臂1的受力情况如图3.5,由式(3.2)和(3.3)解

得F311.75KN，F44.45KN因举升到2m时，举升臂与水平方向夹角为46.675。，所以竖直方向力和水平方向力k2k60k123.051.06k6k5k1F3解得k2k6F3448k5448k6475k6k6F3896k2475k1448k51.06k611.75k116.69KN应近似相等。取k66KN。则k26KNk55.39KN举升臂2的受力情况如图3.6所示，F4k1Psink3k4F4xk2Pcosk2475k1448F4x950F4896PcosfsinPsin cosk2475k1448F4x950F4896k3109.35KN解得k433.89KNF4x12.56KN举升臂3的受力情况如图3.7F5F6WzF5F6解得K73.25KNK85.39KNk5k7F5k6k80举升臂的受力情况如图3.8，k433.89KNk85.Q9KN解得F6x28.5KNk4k8F6x03.2.3剪刀式举升机构主要受力杆件强度校核计算1、位于上端的滑轮轴的强度校核滑轮轴通过滑轮与平台接触，作用在滑动端的力F3均匀作用在两个滑动轮上。滑动的两轮之间距离为405mm。滑动轮外侧与举升臂接触。举升机最低点时，对于滑轮轴而言，与举升臂接触处，相当于固定支点，即被约束。图 3.9是滑轮轴的受力图、剪力图、弯矩图。由图可知，滑轮轴只受竖直方向力，没有水平方向的力，所以滑轮轴不发生扭转变形。我们从剪力图和弯矩图中还可分析出，在长度为405mm的线段内横街面上的剪力FQ=0,而弯矩M为一常数，这种只有弯矩的的情况，称为纯弯曲。所以长度为405mm的线段内只发生弯曲变形，而没有发生剪切变形。是弯曲理论中最简单的一种情况。由上面的计算可以知道，上滑轮轴在举升机升高到2m况。由上面的计算可以知道，上滑轮轴在举升机升高到2m时，受力最大,F311.75KN，所以我们只校核举升机升到2m时的滑轮轴强度即能说明轴的强度是否合格F3/FFQjy卜：r?忙 /rnTm[||[]|[|111411[||[||[||[|111[|]|11[||[||[1\图3.9滑轮轴的剪力图与弯矩图对滑轮轴进行强度校核，轴的材料为45钢，抗拉强度b600MPas355MPa弹性模量E为196:216GPa，一般取E21OGPa。轴的直径d=24mm。查《机械设(1)轴的弯矩图如图3.9所示。F3由图可知、最大正弯矩M=27.55.875kN27.5mm161.56N?m2(2)轴的强度校核maxMmaxMM讪・56 npMpnd30.1d311b.ooMra0.12432b600MPa式中：M——为横截面上的弯矩W——轴的抗弯截面系数经校核可以看出，轴的截面强度足够。2、 位于下端的滑轮轴的强度校核S最下端轴的校核和最上端轴的校核方法一样，下端滑轮轴最低点和最高点时受力情况一样。受力图、剪力图、弯矩图如图 3.10所示。SIlII'I阿「怖吊Hill用门IIHIIHIH川川11门川氐图3.10下滑轮轴的剪力图与弯矩卜滑轮轴旳叼料也足43钢，航拉理度dbuuivirao卜滑半蛰田支旳刀％:9.25KNF52=29.25KNF52=2弯矩图如图3.10所示4.625KN，轴的直径d=24mm。F5由图可知最大弯矩2由图可知最大弯矩227.5 127.187N?m(2)下滑轮轴的强度校核MMmax 3WndMMmax 3Wnd3M0.1d30.124392MPab600MPa32校核后可得出轴的强度足够。3、对举升臂1和2进行强度校核举升臂1和2位于举升机的上半部分，轴液压缸的作用点直接作用在连接举升臂2的上，举升臂2和1又通过中间螺栓相连，只所以2和1的受力情况比较恶劣。在校核时，对这两个举升臂进行校核即可。举升臂1的强度校核F3y 1*ccsct垂直辛升骨方向旳为kZ+ccsa沿璋升胃方向的力FQLLUX小 F3/Z*CQ5*L/2FN轴力囤图3.11举升臂1的剪力图与弯矩图因举升臂为板材，近似梁。所以分析过程中，我们按梁的强度校核方法来分析举升臂。由图3.11举升臂1的受力图可以看到，举升臂既有水平方向的力，又有竖直方向的力，并且两个方向的力在同一平面， 属拉伸(压缩)与弯曲组合变形"卩。我们将力进行分解，沿举升臂轴线方向和垂直轴线方向最大正应力为宝最大正应力为宝12400 5.64MPa22举升臂1的受力图、剪力图、弯矩图、轴力图如图3.11所示。由图所知，举升臂

在中间截面组合变形最大E11］。举升臂的材料为Q275钢，抗拉强度 b490-61OMPa,弹性模量E=200-220GPa丄为举升臂长L=1306mm。举升臂在最低状态时（ 5.49。），校核过程如下:）举升臂的弯矩图如图3.11所示举升臂最大负弯矩M空cos- 81COS5.46653 2632.52Ngm222）确定举升臂1中性轴的位置截面形心距底边为 y—"°—5555mm20110因举升臂1结构可近似一方钢，所以通过截面中心的中心线 Z即为中，性轴3） 截面对中性轴的惯铠3lz20-110 2.218106m4124） 举升臂的最大弯曲应力为2.6321035510彳2.2185）最大轴向正应力2.2185）最大轴向正应力(k2cosk1sinF3sin)FN2截面积为A110202200mm2，则正应力为6）校核举升臂的强度两种变形产生的总应力 max—A结果表明最大弯矩处截面强度足够。举升机升高到2m时的强度校核情况:空cos653空

22——2.63210355103最大弯曲应力为6 65.26MPa2.218106527MPa■(84.24cos5.49°8.1sin5.49°8.1sin5.49。)彩7kn19.40MPa220019.4065.26 84.67MPab490MPa( 46.675。)cos46.675653 2632.27Ngm轴力为：f(k2cosk1卜n2sinF3sin) (6cos46.675。16.69sin46.675。11.75sin46.675。)124KN

总应力为A2200Fnmax—A5.6465.2670.89MPab490MPa强度充分满足条件举升臂2的强度校核8^ina® TJa1nanClY垂直举升臂方向的力inaOLFQ总应力为A2200Fnmax—A5.6465.2670.89MPab490MPa强度充分满足条件举升臂2的强度校核8^ina® TJa1nanClY垂直举升臂方向的力inaOLFQFNp5*31n9 1ncip*c-osH专poSa沿举升臂方向的力弯距图1nacosa(p4.0QtB«po«C抽.労圍心ffi3.12举升臂2的弯矩图和剪力图、轴力图在勇刀举升机构屮，连接举升骨2的轴，要7氏受液压缸的推丿J,推丿J间接作用在举升臂2上。所以举升臂2的工作条件最为恶劣，要求最高。对举升臂 2进行强度校核。考虑到制造工艺性，所以举升臂2的材料暂都选用Q275钢。观察图3.12举升臂2的受力情况，可以看出举升臂2也受水平和竖直方向，我们同样将水平方向的力与竖直方向的力进行分解。举升臂在最低点时的校核情况如下从图中可以看出中间较接点的变形最为严重值1)最大弯矩由弯矩图可看出举升臂2存在最大负弯矩和最大负弯矩情况k4Msk4Ms(sin2222cos)500( sin5.49° cos5.49°)50018.787KNgm2）确定举升臂2中性轴的位置截面形心距底边为 y20110_5555mm20110因举升臂2结构可近似一方钢，所以通过截面中心的中心线Z即为中性轴3） 截面对中性轴的惯铠3I201103 64lz 2.218106m4124） 举升臂的最大弯曲应力为18.78710318.78710355103465.86MPa2.2181065）轴向正应力5）轴向正应力Pcoscos碍Sin(k/1论k3sin)仃9.51KN179510A220081.59MPab490MPa:610MPaMS谭Sink32COS)500(33丁sin46675o10935179510A220081.59MPab490MPa:610MPaMS谭Sink32COS)500(33丁sin46675o10935cos46.675°)50024.920KNgm最大弯曲应力24.92010355IO?2.218106617.94MPa轴向最大应力PcosgosPsinsin(k4cosk3sin)241.20KN截面积为A110202200mm2，则正应力为6）校核举升臂的强度两种变形产生的总应力FNmax81.59465.86 547.45MPa最大截面处的强度虽符合Q275钢的强度要求，但从值可以看出，实际应用时很可能发生危险。举升臂升到2米时的校核情况最大负弯矩为则正应力为多;0 18-73MPaFnmax617.9418.73636.67MPab61OMPa强度已经不满足条件。通过以上计算，我们可以看出，液压缸的推力通过轴直接作用到举升臂上，会导致比的强度不足。我们在举升臂2的中间焊接一方钢作为加强肋，肋上加工有支座，液压

缸通过轴放置在支座上，如图3.13所示。活塞杆的推力直接由轴承受，并且轴变形不会直接影响举升臂。下面对主受推力的轴进行校核•卜181口门•卜181口门I11廿4 011 1••••图3.13方钢加强肋与支座主推力轴校核FQd•剪FQd•剪IMI力图11P-弯矩图图3.14活塞杆推力轴弯矩图和剪力图因此轴只承受液压缸推力，推力垂直于轴线方向，为示图方便，我们将力竖直作用到轴上，两端固定处为支座处o因轴只受推力作用，属于纯弯曲情况，所以轴只发生弯曲变形。受力如图3.14所示：轴的材料为40Cr，抗拉强度blOOOMPas981MPa，轴径为60mm。举升机在最点时，推力最大只校核此刻强度即可。(1)轴的弯矩图如图3.13所示。P32408由图可知‘最大正弯矩 M=—81一kN91mm14745.64N?m22轴的强度校核根据第三强度理论 根据第三强度理论 11.814.257.56MPa[]98MPamaxMncP32M0.1dmaxMncP32M0.1d314745.640.1603682.668MPablOOOMPa经校核轴的强度足够，加工加强肋合理。3.2.4连接螺栓的校核螺栓在举升机中起连接作用，主要承受剪切变形。校核时只考虑剪切变形就可以。以下是对图2.4中的1、3、4处的螺栓进行强度校核。螺栓材料为 Q235-A钢，许用剪切应力[]=98MPa。1、1处螺栓受的剪切力如图3.15所示kl/2kl/2水平方向承受的应力为FQn21水平方向承受的应力为FQn21A・Q.2rl4k1竖直方向承受的应力为Q22AQ-d24(1)举升机在最低点时螺栓剪切力强度计算k?根据第三强度理论1£ 53.89MPa[]98MPa图3.151处螺栓所受剪切力图8424 3103丄 59.62MPa3024811032 5.73MPa—3024满足强度要求。(2)举升到2m时螺栓剪切力强度计算輕103k2水平方向承受的应力为2/11.81MPaAQ—d243024竖直方向承受的应力为k12§1032AQ-d24匚302

经计算满足强度要求[]98MPa2、3处螺栓受的剪切力如图3.16所示[]98MPafqk6T8424水平方向承受的应力为・d24/AQ—3024Fq-d2竖直方向承受的应力为AQ4OMPa(1)举升机在最低点时螺栓剪切力强度计算根据第三强度理论259A2MPa310359.62MPa图3.163处螺栓所受剪切力图经计算满足强度要求(2)举升到2m时螺栓剪切力强度计算k66103水平方向承受的应力为fq2之 4.25MPa1A・.2302Qd44fQk5竖直方向承受的应力为23.81MP2AQ-d24根据第二强度理论20.44MPa[]98MPa经计算满足强度要求3、5处螺栓受的剪切力如图3.17所示k7/2图3.175处螺栓所受的剪切力图(1)举升机在最低点时螺栓剪切力强度计算k88424 3103水平方向承受的应力为“ Q2—2 59.62MPa1%930244k7竖直方向承受的应力为c Q26.55MPa99Cd4根据第三强度理论彳953A7MPa1乙[]98MPa经计算满足强度要求(2)举升到2m时螺栓剪切力强度计算Fqk85.39[Q3水平方向承受的应力为“ Q223.81MPa1Aq-d2—30244Fqk73・25103竖直方向承受的应力为o Q222.3MPa2aQ-d2-30244根据第三强度理论1 21.51MPa[]98MPa经计算满足强度要求。校核后的结果表明螺栓材料为 0235钢是符合要求的3.3结构加强措施由前面的力学模型中，我们能够看到，举升臂较接孔处都受水平和竖直方向的力，这些力将对举升臂的强度造成严重影响。因举升臂无论是在最彳氐位置还是在最高位置，都与水平方向成一定角度。分析时，我们沿举升臂轴线方向和垂直举升臂轴线方向进行力的分解，垂直举升臂轴线方向的力使举升臂产生弯矩变形(正应力)沿举升臂轴线方向的力使举升臂产生拉伸或压缩变形(拉或压)。两种应力变形使举升臂的弯曲强度受到严重影响。通过结构加强措施提高举升臂的弯曲强度。1、举升机上载荷作用的位置进行加强经前面的计算可知，举升臂较接点处弯曲强度较集中，磨损严重，对结构进行改进。町以在载荷作用点处，加一厚度为3mm的青铜衬套，套在钱接轴上，可有效地减小最大弯矩值，提高钱接点的强度，减小摩擦；在钱接孔处加工凸台，使举升臂厚度加厚，增大举升臂的横截面积，减小举升臂压缩变形或拉伸变形。提高弯曲强度；液压缸作用处不直接作用到举升臂上，中间通过焊接加强肋进行补偿。液压缸下端固定处轴上放有套筒，这样可以减小轴的磨损；放置轴处的举升臂加工凸台，加厚举升臂尺寸，增大承载面积，并加工加强肋3.4本章小结通过分析剪刀式举升机的结构特点，建立剪刀举升机机构的力学模型，并通过该模型对决定起升油缸最大推力的矢键参数进行研究，得到合理的结果。本章还通过对各举升臂、主受力轴的受力分析与强度计算，来校核设计内容是否合理。并提出一些加强措施，使结构强度刚度充分满足条件。以上的计算与分析对提高剪刀式举升机系列化设计的效率和质量有明显的效果。第4章Pro/E三维建模与整机装配Pro/ENGINEER软件简介Pro/ENGINEER是美国参数技术公司（PTC1988年首家推出的使用参数化的特征造型技术的大型CAD/CAE/CAM集成软件［⑵。近年来在我国大型工厂、科研单位和部分大学得到了较为普遍的应用，深受广大从事三维产品设计和研究人员的喜爱。是一个全方位的三维产品开发软件，集成了零件、产品装配、模具设计、数控加工。飯金设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机构仿真、应力分析、电路布线、装配管路设计等功能模块和专有模块于一体，可以实现 DFM?面向制造设计）・DFA（面向装配设计）、ID（逆向设计）、CE（并行工程）等先进的设计方法的特性［恒：Pro/ENGINEER参数化设计的特性：3D（三维）实体模型：三维实体建模可以将用户的设计思想以最真实的三维模型在Pro/ENGINEERS用户可以方便地对设计模型进行旋转、平移、缩放等操作，可以从各个不同的角度观察模型o另外，借助于Pro/ENGINEER系统参数，用户还可以随时计算出产品体积、重心、重量、模型大小，极大的方便了设计人员。单一数据库：Pro/ENGINEER是建立在单一数据库上的。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部俩字一个库，在整个设计过程的任何一处发生变动，都会反应在整个产品设计制造过程的相尖环节上，这样确保报数据的正确性、避免反复修改。这种特性的数据结构与工程设计制造的结合，使得整个产品的设计制造严谨、有序，大大缩短了产品的开发周期，优化了整个设计过程。能更快的对市场需求做出反应。基于特征：Pro/ENGINEER是一个采用参数化设计、基于特征的实体模型系统。在设计过程中，采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型。正是因为一特征呢个需哦为设计单元，用户可以随时对这些特征作出合理的修改和调整。这一功能特性给工程设计人员提供了前所未有的简易和灵活。参数化设计：在Pro/ENGINEER中，配合单一数据库，所有在设计过程中所使用的尺寸都保存在数据库中，修改模型和工程图不再繁琐。设计人员只需要更改三维零件的尺寸，则二维工程图、三维装配图、模具等就会依照零件修改过的尺寸作出相应变化，避免了人为修改出现的疏漏情况。参数化设计还使得设计人员可以利用强大的数学运算方式，建立各尺寸的尖系式，使得零件的设计更加简捷。4.2利用Pro/E进行三维建模Pro/ENGINEEF是一个基于特征的三维建模软件，它不同于 AutoCAD等二维制图软件，也不同于注重模型效果的三维制图软件 3DStudioMax等，Pro/ENGINEEF注重于对三维实体的精确建模，包含了产品模型的体积、面积、重心、重量、惯丿性大小等 〔12】。Pro/ENGINEEF中零件模型的构造是由各种特征来生成的，零件的设计过程就是特征的累积过程。4.2.1轴的建立轴为回转体，建立方法使用旋转，之后建立整体造型后，利用拉伸特征，建立定位孔即可。具体步骤如下：第一步建立回转体新建〉零件〉输入文件名＞取消缺省＞选择mmns＞进入零件模式旋转〉放置〉进入草绘〉建立中心线，按照顺序建立如下尺寸＞对号完成〉旋转360度图4.1轴的草绘图形完成基础特征如下，同时对两端倒仔卫上工「些二图4.2加工倒角后的效果图第二步建立定位孔采用拉伸命令：创建基准面DTM1与FRONT面平行，距离为所建定位孔轴段半径12mm＞作为定位孔的放置面＞在基准面上建立一孔径为10mm的圆后，确定＞拉伸距离7.5mm＞去除材料〉确定。如图形状效果。图4.3加工定位孔后的效果图4.2.2举升臂2的建立举升臂为板材，建立方法使用拉伸。建立好整体造型后，之后采用拉伸和去除材料建立孔和加强肋。第一步建立草绘图形新建〉零件〉输入文件名＞取消缺省＞选择mmns＞进入零件模式拉伸〉放置〉进入草绘〉建立中心线，按照顺序建立如下尺寸＞对号完成1盅09图4.4举升怦草绘后的图形完成基础特征，拉伸长度为20mmo图4.5拉伸实体第二步建立连接孔采用拉伸命令：在FRONT面先绘制两端的孔直径分别为24mm、36mm，确定〉拉伸距离20mm＞去除材料〉确定，出现两端孔。中间的钱接孔有加强肋，所以先在距TOP面为20mm的表面上向外拉伸30mm,直径为52的圆柱，再在此圆柱上去出材料36mm的通孔，图中红色的位置为放置承受液压缸推力作用的轴的孔，孔径为50mmo效果如图o图4.6建&连接孔的效果图4.3整机装配我们将利用Pro/E将三维建模后的举升机各结构和零部件尺寸根据加强措施加以修改后进行整机装配。4.3.1装配概述装配是零件形成组件的过程，其实是一个通过 Pro/E指定零件间约束的过程。通过指定零件间的约束，确定零件的装配位置尖系来完成装配图。利用 Pro/E，在约束不足或是约束过度时，同样能进行零件装配。在 Pro/E的装配模块中，可以将生成的零件通过相互之间的定位尖系装配在一起，并检查零件之间是否有干涉以及装配体的运动情况是否合乎设计要求〔22】。同时在生成装配体过程中，用户可以根据需要添加生成新的零件和特征。1、装配操控板Pro/ENGINEER各零件显示设置、约束条件定义、参考特征选择、装配状态显示等整合为一个对话框，通过装配操控板如图 4.7,用户可以更简单地进行零件间的装配。L麗匙即农*樹*2D匝10$營昌啓妙昶剑・A图4.7装配操控板2、装配约束对零件进行约束，从空间角度来说，即是在X，丫，Z三个方向限制零件，约束零件的6个自由度o确定零件的约束形式有十几种，当引入元件放置到组件中时，默认设置将选择自动”放置约束o从组件和元件中选择一对有效参照后，系统将自动选择适合该指定对参照的约束类型。可从约束列表中选择需要的类型。也可在选择任意参照前改变约束类型，以约束允许的参照类型。约束类型有以下11种：自动、匹配、对齐、插入、坐标系、相切、线上点、曲面上的点、曲面上的边、固定和缺省。4.3.2Pro/E实体建模后的整体装配图1、举升机底座图4.8底座实体模型2、上、下举升臂图4.9内侧上臂 图4.10外侧上臂图4.11外侧下臂图4.12内测下臂3、举升机整体装配图图4.13装配下侧举升臂图4.15装配液压缸后的图形图4.14装配上侧举升臂图4.16整体装配图4.3.3干涉检查剪刀式举升机装配后需要进行干涉检查。干涉检查可以检查零件之间是否有干涉以及装配体的运动情况是否合乎设计要求。干涉界面如图4.17'4.18所示°IfiwwtigJIf；FttlPBJn.E[UnUErRT_J 弓的HEUEFIEiU«cmm <1J^kOLMAEIWra jXC畑和iEJAEEKEiVnK-F・LJEH13 M日rw5k£JEPCTU及装配体的运动情况是否合乎设计要求。干涉界面如图4.17'4.18所示°IfiwwtigJIf；FttlPBJn.E[UnUErRT_J 弓的HEUEFIEiU«cmm <1J^kOLMAEIWra jXC畑和iEJAEEKEiVnK-F・LJEH13 M日rw5k£JEPCTU：L：JI口mrmFUJAcujmrei 彳*★i4i»uxnncr」評muEUsJ —MCkAI：VIicEWumM>±91恥KTvLnrumIJiiDtninaIumL-uFCjiAronnlHllUBHKmici™»pw4.17干涉界面

即可解除干涉。其他装配均合理。4.4本章小结rgWKHf：nrr.iKzrnrakJi_JaUZKih.j-fclI4£LuJ.tl2-FHttfiIn?Pinncrh..NLU-hJI・n!40.4bMSwgh>・M=EEn丄Jm3TJT—i FBI4Lnr?TKTIQLCB心!t.T•Ir•IyXI4.18加入干涉命令图干涉检查结果表明：零件XIAQIANBI2和LUOMU相互干涉，将螺母向外调动3mm本章首先通过Pro/ENGINEER寸剪刀式举升机的各零件进行三维建模，并进行渲染，然后将Pro/ENGINEEF所建的零件模型利用自动、匹配、对齐、插入、坐标系、相切、线上点、曲面上的点、曲面上的边、固定和缺省等11的点、曲面上的边、固定和缺省等11种约束进行整机装配。通过对装配后的零件进行全局干涉检查，说明我们所设计的结果是否合理。第5章举升机有限元分析ANSYS有限元分析软件介绍ANSYS是一种应用广泛的通用有限元工程分析软件［⑶。开发初期时为了应用与电力工业，现在其功能已经广泛应用于航空、电子、汽车、土木工程等各个领域，能够满足各行业有限元分析的需要。ANSYS有限元分析软件包括三个模块：前处理模块、分析计算模块、和后处理模块。功能完备预处理器和后处理器（又称与处理模块和后处理模块）使ANSYS具有多种多样的分析能力，包括简单的线f生静态分析到复杂的非线性动态分析。可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答o它还包括优化、估计分析等模块将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为解决现代工程学问题必不可少的工具［皿。Pro/E与ANSY接口的仓U建利用ANSYS对结构进行有限元分析时，通常需要将 Pro/E建立的三维模型，导入ANSYS中进行分析。所以需要将Pro/E三维实体模型通过专用的模型数据转换接口导入到ANSYSt,Pro/E与ANSYS之间的接口技术常用的有以下两种：1、Pro/E与ANS丫集成接口ANSYS在默认的情况下是不能直接对Pro/E中的prt（或asm）文件进行直接转换的，必须通过以下对ANSYSS置连接过程进行激活模块1131:鼠标点击“开始一程序一ANSYS8.0—Utilities—ANS_ADMIN,出现如下图5.1的对话框，选择configurationoptions—OK接下来的对话框顺序选取°ConfigurationConnectionforPro/E—OK,ANSYSMultiphysics&WIN32-OK。图5.1完成后ANSYS提示已在自己的安装目录中成功生成config.anscon文件,如下图5.2所示，记完下config.anscon的路径。在接下来出现的对话框中“Pro/EngireerInstallationpath"选项后输入Pro/E的起始安装路径如“C:\ProgramFiles\proeWildfire3.0":LanguageusedwithPro/Enginee提示在Pro/E目录下建立了一个protk.dat文件。C：\Frogr»Files\An3ysInc\v\00UKSYS\ac4\dataMntel\conf1g.ansconsuccessfullycreated.晞定图5.2点击确定完成配置，运行Pro/E工具菜单后面出现了ANSYS10•说明连接成功了。运行Pro/E打开某零件三维模型图，点击ANSYS10.0F的ANSYSGeom按钮(如下图5.3所示)，则模型自动导入到ANSYS"，此时ANSYS10.C软件自动打开，点击Plot下的Volume，则模型导图5.32、通过IGES(*.igs格式文件导入首先，在Pro/E环境下建立好零件模型或者完成零部件的装配，然后，选择主菜单【文件】下的【保存副本】子菜单，弹出保存副本对话框后,文件类型选择IGES(*.igs),在【新名称】框内为模型输入新名称，点击【确定】按钮会弹出输出IGES对话框，在输出IGES对话框中可以设置输出图元的类型、参考坐标系以及IGES文件结构。输出的图元类型有：线框边、曲面、实体、壳、基准曲线和点，缺省输出图元是曲面，缺省是输出所有面组，点击【面组…】选择特定面组输出。可以选择多种图元类型进行输出 ，但是不能同时输出曲面和实体或者曲面和壳。单击【定制层…】按钮设置各层的输出特性。文件结构类型有：平整、一级、所有级别、所有零件，默认输出为平整。平整：将组件的所有几何输出到一个IGES文件o导入到另一个系统时，该组件就担当一个零件的角色。应将每一个零件分别放到一个层上，以便在接受系统中能加以区别。一级：输出一个组件的IGES文件，该文件只包含顶级几何(如组件特征)。所有级别：输出一个组件的IGES文件。用它可创建带有各自的几何和外部参照的元件零件和子组件。该选项支持所有层次。所有零件：将一个组件作为多个文件输出到IGES,这些文件中包含所有元件和组件特征的几何信息。零件使用相同的参照坐标系，使接受系统中的重新装配更加容易。本次技能训练选择实体特征，然后点击【确定】完成。ANSYS导入IGES(*.igs)文件的方法有两种：一种是通过ANSYS软件的用户界面操作导入；一种是通过输入命令导入。本次技能训练可采用第一种方法。通过用户界面操作导入 IGES的步骤是:选择主菜单【File〕下的子菜单［Import］的次级子菜单【IGES..】，弹出导入IGES属性设置对话框，在导入IGES属性设置对话框中可以设置：是否导入所有数据，是否合并图元，是否创建实体，是否删除小面。点击【0K】按钮弹出文件路径选择对话框，在文件路径选择对话框中选择好所需精度,输入IGES文件路径后，点击【0K】按钮完成IGES文件导入。5.3利用ANSY对举升机进行有限元受力分析由前面的分析可知，滑轮轴和举升臂2是举升机机构中重要的结构件，受力条件较恶劣。所以利用有限元进行分析时，主要分析滑轮轴和举升臂 2即可。5.3.1滑轮轴有限元受力分析上滑轮轴受力情况如图5.4,图中加深位置为力的作用面。支点为约束。图5.4滑轮轴受力情况1、定义属性单元属性主要包括：单元类型、实常数、材料常数。典型的实常数包括：厚度、横截面面积、高度、梁的惯性矩等。材料属性包括：弹性模量、泊松比、密度、热膨胀系数等。本训练中定义属性只用到其中的几项。Preferences/Structura;Preprocessor/ElementType/ADDEditDelete/LibraryofElementType第一对话框选择StructuralSolid,第二对话框选择Tet10node187；Preprocessor/MaterialProps/MaterialModels/Structural/Linear/Elastic/lsotropic/输入EX弹性模量)值，输入PRXY泊松比)值。轴的材料我们选用45钢，轴的属性如下：弹性模量泊松比抗拉强度密度210/GPa0.3600/MPa7.85g/cm3弹性模量取E=2.10e5 泊松比卩=0.32、网格划分ANSYS为用户提供了两种常用的网格划分类型：自由和映射o自由划分，体现在没有特定的准则，对单元形状无限制，生成的单元不规则，基本适用于所有的模型O自由网格生成的内部节点位置比较随意，用户无法控制。映射网格划分要求面或体形状满足一定规则，它生成的单元形状比较规则，适用于形状规则的面和体。本训练中主要采用自由网格划分，轴模型自由划分可采用以下两种途径，大家可以观察划分的网格有何区别。途径一：划分网格：Meshing/MeshTool选中SmartSize复选框(精度从1到10，1为最高，网格最细，但划分耗时长，一般设为5)，单击Mesh/PickAll;途径二：划分网格：Meshing/SizeCntrls/ManualSize/Global/Size密度 为 2 0此次分析采用途径一对轴进行划分，为了提高划分速度，精度取 8,划分后效果如下图5.5所示ANJTLH19ZDQ?Oil301图5.5网格划分结果3、加载求解ANSYSA载荷(Loads包括边界条件和模型内部或外部的作用力。在结构分析中，载荷主要有：位移、力♦压力、弯矩、温度和重力。载荷主要分为六大类： DOF约束(自由度约束)、力(集中载荷)、表面载荷、体载荷、惯性力及耦合场载荷。 DOF约束(DOFconstraint)：用户指定某个自由度为已知值，在结构分析中约束是位移和对称边界条件。力(集中载荷)(Fome):施加于模型节点的集中载荷，如结构分析中的力和力矩。表面载荷(SurfaceLoad)作用在某个表面上的分布载荷，如结构分析中的压力。体载荷(Bodyloads):作用在体积或场域内，如结构分析中的温度和重力。惯性载荷 (Inertialoads):结构质量或惯性引起的载荷，如重力加速度、角速度和角加速度，主要在结构分析中使用。耦合场载W(Coupled-fieldloads):它是一种特殊的情况，从一种分析中得到的结果用作另一种分析的载荷，如热分析中得到的节点温度可作为结构分析中的体载荷施加到每一个节点。对剪刀式举升机结构进行分析时我们进行面力分析，即加的为表面载荷O加载步骤如下：Solution/AnalysisType/NewAnalysis/Static（2） Solution/DefineLoads/Apply/Structural/Displacement/OnAreas;选择轴的两个端面进行约束，这里有ALLDOF全约束）、UX（X方向位移）、UY（丫方向位移）、UZ（Z方向位移）、ROTX（X方向旋转）、ROTY（丫方向旋转）、ROTZ（Z方向旋转），根据实际分析，两端应用ALLDOF全约束）；（3） Solution/DefineLoads/Apply/Structural/Pressure/Onareas选轴与滑轮接触的上半面/输入加载压强的大小（注意方向），因举升机举升到2m位置时的受力最大输入的为F3 11750F3 11750,, V!•tftJVF3,, V!•tftJVF3最大时严生的压强值：20.36MPa约束和受载如图5.6。5654.87 50 288.5132 490AMHAY134EDO?XJ-iC4B03图5.6约束及加载求解Solve/CurrentLS/Ok/Close4、查看结果及分析查看变形结果：GeneralPostProc/PlotResults/DeformedShape/Ok变形结果可动画演示：PlotCtrls/Animate/DeformedShape/Ok,可直观观察轴的变形情况 [GeneralPostProc/PlotResults/PlotResults/ContourPlot/NodalSolu/DOFSolution；XYZ总变形如面分析下图ID^riOu•DggjlO/>.-皿］】•3£.加叫MEIi0n.lTTCOI■uouaiuniuflPUB-jTHtfalijnj■mrpDBS・.#EJJB|腑・f«Ht~.HXL2ANWT15XTWP:34=41—HK・J粧IfIEft；・0AN■LXJIHIMdJlEYU■.IUXJ-VRJlfl-14CLA«4i jcwaa.MJK^aaVlMrhViiew0 remain.aM.W ..edE■cA1abiangsJia'ji.IKM».w>aiUHH4L3UTM1W»O«iKp4?mW.5D1UT3Uentrnj.sie-1TCN |MTG|KTf-0MCI10RMbK>-B.-is.MB-TTtSi-6.421U.IM图5.11X方向应力状况fIBilli<475MMMa图UTM1W»O«iKp4?mW.5D1UT3Uentrnj.sie-1TCN |MTG|KTf-0MCI10RMbK>-B.-is.MB-TTtSi-6.421U.IM图5.11X方向应力状况fIBilli<475MMMa图5.12Y方向应力状况ANBDMK-I90QE.HEI>：i|▼ni・2劇・・D)im图5.13Z方向应力状况图5.14综合应力情况图5.9Z方向变形图5.10总变形情况变形量分析：从图中可以看出 X方向的最大变形量为 0.001112mm,丫方向0.010816mm,Z方向最大为0.00019mm，总方向最大变形为0,010816mm总方向变形量与丫方相同，可见轴的变形主要为竖直方向变形。变形量很小，充分满足刚度要求。（2）查看应力结果：GeneralPostProc/PlotResults/ContourPlot/NodalSolu/Stress/SX（X方向应力）、SY（丫方向应力）、SZ（Z方向应力）、SEQV（综合应力）；x最3ISMM应力结果分析：数值显示，蓝色部位应力值最小，红色部位应力值最大。大应力为21.411MPa,y方向最大应力11.486MPa,Z方向最大应力为8.331MPa，综合应力最大值为21.048MP&无论是单个方向的最大应力，还是综合应力值均充分满足强度要求。通过有限元分析可知，我们所设计的轴及选用的材料均符合要求。5.3.2活塞杆作用轴的有限元受力分析因我们在举升臂中间加了一方钢加强肋，所以举升臂变形和受力都很小，我们不对其进行，我们分析直接承受推力的轴的变形，分析方法与上述的分析方法一样。1、定义属性轴的材料我们选用40Cr,40Cr钢的材料属性如下：弹性模量泊松比抗拉强度密度200-220/GPa0.31000MPa7.85g/cm3弹性模量取E=2.10e5 泊松比卩=0.32、网格划分后的结果JUI112009IBILPI13】rahl图5.15网格划分结果(1)约束、加载轴的受力比较简单，主要承受液压缸推力，因举升机在最低点时的液压缸的推力最大，所以只分析受力最大即可。加载荷约束后的图5.16如下:VCIiLCTESTtEEWTXIVCIiLCTESTtEEWTXIANjimj百2CN19uBs20：l<5.17所RIODaL3OLCTT»N?rrBE=i0 >009333 ^0X0705 >0390^9 iO?74X5.17所RIODaL3OLCTT»N?rrBE=i0 >009333 ^0X0705 >03