伸缩臂式高空作业车工作装置结构有限元分析及优化

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论文字数:35866 论文编号:sb2022042216524246436 日期:2022-05-14 来源:硕博论文网

本文是一篇机械论文,本课题结合高空作业车的实际作业工况,确定工作装置的约束方式和加载方式,确定两种典型工况。建立臂体与滑块的接触对,利用接触单元技术,分析工作装置各部件的应力分布情况,计算工作装置各部件的最大应力数值,并且校核高空作业车工作装置的强度,为高空作业车工作装置的结构优化做好了准备。
第一章 绪论
1.1 高空作业车概述
作为现代先进机械设备的特殊工程车辆,高空作业车是指根据实际作业需要,能够把工作人员以及工具设备输送到预定位置,从而完成一系列高空作业任务的专用机械[1,2]。由于高空作业车可以采用车载或者自驱等多种方式,因此,高空作业车通常具有工作速度快捷、转场活动便捷、适用范围广泛等特点和优点,它能够按照高空作业的实际需要,通过动力传动装置、工作装置以及液压系统,快速地、便捷地完成专场作业任务。除此之外,利用高空作业车的作业平台,能够到达通常难以或无法进入的高空区域,正是由于这种优势,它可以拓宽工作人员为完成高空作业时所必须的空间和高度。因此,与传统脚手架进行对比,高空作业车不仅具有便捷性、安全性、灵活性等多方面优势,而且广泛应用于各行各业,具有十分广阔的市场前景[5]。
高空作业车可以根据臂架展开形式、臂架具体形状、臂架驱动方式三种不同的标准进行分类,具体分类如表 1.1 所示。

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1.2 高空作业车发展现状
1.2.1 国外高空作业车发展现状
自上世纪 20 年代,国外发达国家对于高空作业车的研究开始启动,至今已有将近一百年的发展历史。由于高空作业车早期市场需求相对较少,因而研究开发速度缓慢,产品结构单一,应用范围狭窄。随着经济全球化不断发展深入,社会经济结构随之不断升级,对于高空作业车的市场需求量随之呈几何数级不断增加,从而不断地推动对高空作业车的研究开发和升级换代[11-15]。高空作业车市场的迅速发展和不断崛起,使得欧美等工业实力雄厚的国家成为高空作业车的主要生产地,同时涌现出一批高空作业车的知名制造商。表 1.2、表 1.3 所列分别为国外车载式高空作业车以及自行式高空作业车的主要企业和产品情况。
国外高空作业车的主要技术特点如下:
(1)采用电液比例控制技术、负载敏感控制技术。电液比例控制技术在液压传动系统中的应用,主要集中在利用电液比例多路阀实现对多个液压执行机构的比例控制,保证输出的流量和压力可以不受负载变化产生的影响[16]。负载敏感控制技术在液压传动系统中的应用,主要是指按照液压油流量的需求比例,通过单个液压泵,不仅可以同时驱动多个执行机构,而且保证各执行机构之间彼此独立,从而实现对多个执行机构同时精准控制。
(2)选用高强度材料和轻质金属材料。高强度材料和轻质金属材料不仅保证结构设计更加合理,而且能够增加高空作业车的作业高度和作业半径,同时降低高空作业车的整车重量,提高高空作业车的底盘使用性能[17]。例如,高空作业车的工作装置选取高强度钢作为原材料,并且进行外型结构优化设计,可以最大程度地降低高空作业车的质量。PALFINGER 公司采用铝合金臂架技术,实现高空作业车整车质量的降低。
(3)采用电控通信系统和安全保障系统。国外高空作业车,一般采用嵌入式技术,借助专用控制器,达到整车自动控制的目的;控制系统中广泛应用 CAN 总线技术,基于 CAN 总线技术进行硬件设备的设计,提高了控制系统的工作稳定性和安全可靠性。安全保障系统是指通过对各个执行动作实时监测,能够进行不同程度的自动控制,并且根据实际工作状况的需要不断地自动调整[18,19]。
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第二章 基于 ANSYS 参数化有限元模型建立
2.1 高空作业车模型分析
本课题以伸缩臂式高空作业车作为研究对象。它的整车结构比较复杂,不仅具有六节伸缩臂,同时还包括液压缸、滑块、链条等零部件。想要建立高水平、高质量的高空作业车有限元分析模型,其中,最为主要和关键的步骤是对于高空作业车的三维实体模型进行整体性认识,并且对于高空作业车的各零部件进行详细全面的分析。
根据高空作业车的结构组成,可以分为三个部分:伸缩机构、变幅机构、回转支撑机构组成。其中,伸缩机构的作用是改变伸缩臂的伸出长度,从而达到需要的工作幅度和工作高度;变幅机构的作用是改变伸缩臂与地面的角度,从而能达到需要的工作半径和作业高度;回转支撑机构的作用是保证回转部分围着回转中心线进行回转运动。通过伸缩机构、变幅机构、回转支撑机构三者的动作配合,保证高空作业车能够在其工作幅度和工作高度范围内到达任何位置,从而完成一些列的高空作业任务。
本课题分析的伸缩臂式高空作业车的三维模型,如图 2.1 所示。

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由图 2.1 可以看出,高空作业车可分为:下车部分和工作装置。下车部分主要包括:汽车底盘、车架以及支腿,这些零部件基本上是箱型结构的装配组合体,布置较为简单,结构比较单一。工作装置主要包括:转台、六节伸缩臂、连接件、工作平台以及液压油缸等零部件。对比高空作业车下车部分,工作装置在布置方式以及结构形式上更加复杂且多样。对于高空作业车而言,其工作装置决定高空作业车整车的工作效率和工作性能,因此,本课题重点分析研究伸缩臂式高空作业车的工作装置。

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2.2 建模方案
1、简化处理
本课题利用三维实体单元建立高空作业车有限元模型,建模难度相对较大。为此,在确保分析结果正确性的条件下,在建立模型过程中进行简化处理:
(1)焊缝连接处理。高空作业车的下车部分与工作装置之间,采用板筋进行焊接连接,同时,主体部件上存在焊接连接的加强结构板筋。因此,在建立有限元模型时,对焊接连接处的焊缝位置进行一体化处理,将筋板与主臂之间的焊接连接视为粘接连接。采用这种焊缝连接处理方式,不仅可以在保证分析结果准确性和正确性的前提下,建立更加真实的高空作业车有限元模型,而且可以避免在焊缝处出现应力集中的现象。
(2)孔、凸台等工艺结构。高空作业车在生产制造时,为装配附属零部件打孔,为高空作业车装配需要而设置凸台。孔、凸台等工艺结构,一般较为复杂而且数量较多。但是,对于高空作业车整体结构而言,这些工艺结构对高空作业车整体受力几乎没有影响。如果分析研究这些工艺结构,不仅会增加建模的难度,而且会导致计算资源的消耗。因此,对其进行简化处理,可以更加高效率地建立高空作业车有限元模型。
2、建模方法
使用 ANSYS 有限元分析软件建模,主要包括两种方式:由上而下、由下而上。由上而下的建模方式是指将建立起的立体或者平面进行一定规则的组合,从而得到有限元模型。由下而上的建模方式是指按照由点成线、由线到面、由面到体的逻辑顺序,进行有限元模型的建立。
本课题选用的建模方法:采用参数化设计语言 APDL 自下而上的方式,建立各部件模型,然后生成高空作业车工作装置有限元分析模型。建模基本过程包括:首先,建立描绘几何形状所必须的关键点;然后,将这些关键点连接成线,并且对于线段的段数进行指定;再后,将这些线段连接成面,并且对面进行网格划分;最后,将面连接成体。通过上述的步骤,可以完成对单个零部件的网格划分,再赋予其材料行为,即完成了单个零部件的有限元模型建立。然后,依次写入各个零部件的单元和节点的编号、坐标、组件等信息。最后,进行各零部件的装配,完成高空作业车工作装置有限元模型的建立。
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第三章 伸缩变幅机构解析计算........................ 24
3.1 伸缩变幅机构解析模型............................ 24
3.2 变幅机构解析计算........................ 25
第四章 工作装置结构分析与优化..................... 41
4.1 ANSYS 接触分析简介............................ 41
4.1.1 ANSYS 接触分析理论基础.............................. 41
4.1.2 ANSYS 接触分析过程简介................................. 42
第五章 结论与展望................................ 54
第四章 工作装置结构分析与优化
4.1 ANSYS 接触分析简介
4.1.1 ANSYS 接触分析理论基础
在各类工程领域中,两个及两个以上的物体的接触都会产生接触问题,因此,接触问题是广泛存在的。接触问题最大的特点在于它具有非线性,不满足叠加原理,主要体现在:当物体产生接触时,无法确定物体接触的具体位置以及实际接触区域面积的大小,而且这些参数会随着时间的推移而产生改变。常见的许多材料在发生接触时,同样不满足叠加原理,具有非线性。对于具有接触表面的物体,在与其他物体接触并承受外部载荷的过程中,发生接触的表面状态不是一成不变的,而是动态变化的。这种接触表面状态的变化会导致接触物体的应力场发生变化,同时接触物体应力场的变化也会反过来影响接触物体的接触表面状态,两者之间相互作用,相互影响,因此,在物体发生接触的过程是一个非线性的过程。
19 世纪 80 年代,德国物理科学家 H.R.赫兹,最早开始对接触问题进行系统的分析研究,提出了经典的 Hertz 弹性接触理论,采用简单的数学公式对接触问题进行分析求解,开启了解决接触问题的先河,奠定了接触问题的理论基础,具有十分重要的历史意义。但是,它的适用对象比较有限,一般只能解决结构形状简单或者接触状态简单的少数接触问题。
自上世纪 60 年代以来,计算机技术开始快速发展而且不断普及,复杂的接触问题可以采用数值分析的方法得到解决。目前,针对接触问题进行数值分析的方法,主要包括边界元法、数学规划法以及有限元法。边界元法是以控制积分方程的定义域为基础,进行边界划分,利用控制积分方程函数逼近边界条件,从而得到离散算式。这种数值分析方法,不仅能够快速准确地解决线性接触问题,而且对于非线性接触问题的解决方法也不断成熟。但是,它一般用于解决弹性接触问题。数学规划法是以物体接触规则为基础,或者利用不等式建立数学模型,采用二次规划或者其他方法进行接触问题。这种数值分析方法属于优化方法,它是将结构优化问题转化为数学规划问题,然后再进行数值分析求解。
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第五章 结论与展望
本课题以伸缩臂式高空作业车的工作装置作为研究对象,对其进行受力分析。首先,采用有限元分析软件 ANSYS 建立工作装置各部件的有限元模型,进而完成高空作业车工作装置有限元模型的建立。其次,对高空作业车的伸缩变幅机构进行理论计算,最后,对高空作业车工作装置进行了有限元分析,对部分部件进行结构优化。通过本课题的研究,得到以下结论:
(1)采用自下而上的方式,建立高空作业车工作装置各部件的有限元模型,根据各部件的功能作用以及相互间的连接关系,完成装配,建立高空作业车工作装置有限元模型。进行参数化控制,不仅使得有限元模型的建立过程更加可控,而且使得有限元模型的建立效率更加高效,方便高空作业车工作装置结构的优化。
(2)结合高空作业车的实际作业工况,确定工作装置的约束方式和加载方式,确定两种典型工况。建立臂体与滑块的接触对,利用接触单元技术,分析工作装置各部件的应力分布情况,计算工作装置各部件的最大应力数值,并且校核高空作业车工作装置的强度,为高空作业车工作装置的结构优化做好了准备。
(3)根据高空作业车工作装置的有限元分析结果,对超出许用应力的部位,采用增加筋板以及调整部件局部结构等方式方法,对工作装置的部分部件的结构进行合理优化,使得转台的最大等效应力由 312MPa 减少到 134MPa,降幅 57%以上,使得基本臂的最大等效应力由 675MPa 减少到 150MPa,降幅 77%以上,使得一伸臂的最大等效应力由 315MPa 减少到 189MPa,降幅 40%,而且上述部件的应力分布明显改善,保证了工作装置各部件满足实际使用要求,提高了高空作业车工作装置结构的安全性和合理性。
参考文献(略)


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