馮輝　孟杰　張小龍

摘要：采用ANSYS有限元軟件，對(duì)在風(fēng)載荷作用下的工作臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。對(duì)三維模型的建立、引入、單元類(lèi)型選取、網(wǎng)格劃分、約束與負(fù)荷的處理等進(jìn)行較為詳盡論述，并對(duì)各種折臂間的應(yīng)力集中進(jìn)行分析，研究結(jié)果可為折臂式高空作業(yè)車(chē)工作部分的設(shè)計(jì)提供理論支持和參考。

關(guān)鍵詞：折臂；高空作業(yè)車(chē)；有限元軟件；模態(tài)分析

0? ?引言

高空作業(yè)平臺(tái)是一種將作業(yè)機(jī)具、工作人員送入指定的高空作業(yè)場(chǎng)所的設(shè)備，其具有工作穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)調(diào)整升降、安全可靠等諸多優(yōu)勢(shì)，大大提高了工作的工作效率。

保證高空作業(yè)設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，目前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)次進(jìn)行了研究。郭維城[1]采用機(jī)器人正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解方法，確定出曲臂式高空作業(yè)車(chē)各關(guān)節(jié)角。張林生[2]和蒙楊超[3]等人對(duì)作業(yè)平臺(tái)和臂架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。王添羽[4]等人通過(guò)創(chuàng)新理論TRIZ的結(jié)合，總結(jié)出關(guān)于高空作業(yè)車(chē)的民用新方案。李晶[5]等人從提高生產(chǎn)質(zhì)量、降低成本出發(fā)，對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行非正常受力分析。蔣紅旗[6]等人根據(jù)Davenport風(fēng)速譜模擬得到了脈動(dòng)風(fēng)載荷時(shí)程。

本文主要從折臂式高空作業(yè)車(chē)的臂架結(jié)構(gòu)出發(fā)，進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)特性分析，對(duì)風(fēng)載荷的可靠性進(jìn)行分析，采用 ANSYS Workbench軟件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，并提出改進(jìn)方案。

1? ?作業(yè)臂結(jié)構(gòu)組成及原理

1.1? ?結(jié)構(gòu)組成

折臂高空作業(yè)車(chē)主要結(jié)構(gòu)包括折臂變幅機(jī)構(gòu)、伸縮臂變幅機(jī)構(gòu)、小臂伸長(zhǎng)機(jī)構(gòu)、飛臂變幅機(jī)構(gòu)以及調(diào)整機(jī)構(gòu)[7]。下臂連接轉(zhuǎn)臺(tái)，上臂連接工作臺(tái)，在上臂的兩個(gè)關(guān)節(jié)部位都有加固板，上、下兩個(gè)臂間有一塊連結(jié)板。在上、下臂上設(shè)有液壓缸鉸點(diǎn)，利用液力控制下臂開(kāi)閉角變化。

1.2? ?工作原理

折臂式高空作業(yè)車(chē)的工作原理如下：由折臂變幅缸5驅(qū)動(dòng)、下臂3、上臂7、上拉桿6同時(shí)移動(dòng)，從而完成對(duì)整個(gè)臂架的提升；伸長(zhǎng)臂變幅桿8起到提升伸縮臂9的作用；前臂延伸缸11用于對(duì)小臂10的收縮；飛臂變幅缸12用于飛桿13翻轉(zhuǎn)，并用于提升工作平臺(tái)14。

2? ?作業(yè)臂的三維模型建立

2.1? ?導(dǎo)入實(shí)體

全車(chē)部件都采用高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)，具有自重輕、高強(qiáng)度、高韌性、高可靠性的特點(diǎn)。在Solid works中，利用主要技術(shù)參數(shù)，構(gòu)建工作臂的三維實(shí)體模型，并將所建立的模型轉(zhuǎn)化為步驟，并將其引入ANSYS，為其建模奠定基礎(chǔ)。

由于工作臂的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，難以根據(jù)實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元分析，因此在建立模型之前，需要對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化。

在不影響計(jì)算精度的情況下，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化是非常有必要的。對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，省去很多繁雜的工作，使工作量大為降低，有效縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，為以后的改進(jìn)提供了有利的條件。在模型制作過(guò)程中，將工作臂上的一些小孔和凸緣去掉，對(duì)整體的強(qiáng)度和剛度影響不大，但是在網(wǎng)格分割中節(jié)約了大量的計(jì)算機(jī)資源。

2.2? ?建立有限元模型

將基座以及旋轉(zhuǎn)平臺(tái)合為一個(gè)部分，將上臂、下臂、小臂以及工作平臺(tái)都看成一個(gè)獨(dú)立部分，便于進(jìn)行接下來(lái)的網(wǎng)格劃分。各臂間連接以及銷(xiāo)軸之間為接觸約束，建立有限元模型，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

在對(duì)工作臂進(jìn)行三維網(wǎng)格分割之前，要充分考慮到材料性質(zhì)。工作臂采用高強(qiáng)度鋼板，為此預(yù)設(shè)結(jié)構(gòu)鋼密度為7850kg/m3，泊松比為0.3。

采用Free網(wǎng)格方法劃分網(wǎng)格。由于臂長(zhǎng)尺寸較大，而厚度較小，故采用人工設(shè)置網(wǎng)格尺寸大小，上下臂和伸縮臂的單元邊長(zhǎng)取0.1。在伸縮臂達(dá)到最大時(shí)，對(duì)工作平臺(tái)風(fēng)載作用下的模態(tài)及應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析。工作臺(tái)的單元邊長(zhǎng)取0.005，最終形成的有限元模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為57628，單元數(shù)為30197。

高空作業(yè)車(chē)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，受到的載荷有起吊重物重力、本身重力、側(cè)向載荷以及自然界的風(fēng)載荷等，風(fēng)載荷作用于臂架的側(cè)面。高空作業(yè)時(shí)，工作平臺(tái)因距地面最高，受到的風(fēng)載作用最大，為此研究風(fēng)載施加臂架側(cè)面時(shí)工作平臺(tái)的模態(tài)。

3? ?模態(tài)分析

在風(fēng)載條件下，對(duì)折疊臂的十二階模態(tài)進(jìn)行分析計(jì)算，最終得到主要階的模態(tài)的頻率如表1所示，所對(duì)應(yīng)的一階、四階、六階、八階振型如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

由得出的各階振型可以看出，前五階模態(tài)振型都是臂架沿Y方向的振蕩，從第六階開(kāi)始上下臂出現(xiàn)大的扭轉(zhuǎn)變形。第四階小臂的變形量最大，第八階上臂的變形量最大。

4? ?諧響應(yīng)分析

4.1? ?加載及約束

4.2? ?頻率響應(yīng)分析

在模態(tài)分析中，一般來(lái)說(shuō)對(duì)振型的影響最大的是低階模態(tài)，而高階振型對(duì)振型的影響很小，且隨著階次的增加，對(duì)振型的影響也越來(lái)越小。因此，本文將振型分析中最早的12個(gè)頻率作為諧振響應(yīng)的頻域，即振動(dòng)頻率0～250Hz之間。

在此基礎(chǔ)上，利用模式疊加方法，得到作業(yè)臂7MPa、38MPa、117MPa相應(yīng)的頻率響應(yīng)曲線，如圖6、圖7、圖8所示。

由圖6、圖7、圖8響應(yīng)曲線能看出，在不同風(fēng)載下，高空作業(yè)臂的響應(yīng)規(guī)律一致，即X方向在50Hz時(shí)，振幅達(dá)到峰值。峰值的大小和風(fēng)載成線性正相關(guān)，風(fēng)載越大，振幅峰值越高。在頻率200Hz時(shí)產(chǎn)生另外的峰值。實(shí)際工作中，要注意避免外部激勵(lì)頻率落在上述頻率附近。

5? ?結(jié)束語(yǔ)

本文采用ANSYS有限元軟件，對(duì)在風(fēng)載荷作用下的工作臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)的分析。對(duì)三維模型的建立、引入、單元類(lèi)型的選取、網(wǎng)格劃分、約束與負(fù)荷的處理等進(jìn)行較為詳盡論述，并對(duì)各種折臂間的應(yīng)力集中進(jìn)行分析，

由模態(tài)分析結(jié)果可以得出，系統(tǒng)固有頻率和模態(tài)階數(shù)成正相關(guān)，最大偏移量在五階出現(xiàn)峰值，故在這種情況下需要注意系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

由諧響應(yīng)分析結(jié)果可以得出，在不同風(fēng)速下，X方向上的風(fēng)載和最大振幅值呈正相關(guān)。頻率響應(yīng)規(guī)律保持一致，3個(gè)風(fēng)速下均在50Hz和200Hz產(chǎn)生峰值，所以在實(shí)際工作中，要防止外部的激勵(lì)頻率落在上述頻率附近。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭維城.曲臂式高空作業(yè)車(chē)正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題求解[J].沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，6（4）：375-376.DOI：10.13888/j.cnki.jsie（ns）.2010.04.029.

[2] 張林生，張洪鳴，王洪祥.曲臂式高空作業(yè)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師，2020（9）：150-151.

[3] 蒙楊超，董自安，肖澤樺，王珂.曲臂式高空作業(yè)車(chē)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研究[J].流體傳動(dòng)與控制，2015（1）：32-36.

[4] 王添羽，韓宇翃，吳安琪.基于TRIZ方法的曲臂式高空作業(yè)車(chē)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].包裝工程，2022，43（S1）：161-170.DOI：10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.S1.028.

[5] 李晶，唐蕾.折臂式高空作業(yè)車(chē)升降油缸支座底部受力分析及對(duì)臂體的影響[J].民營(yíng)科技，2011（9）：196.

[6] 蔣紅旗，茅獻(xiàn)彪，閆靖宇.高空作業(yè)車(chē)風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)的數(shù)值模擬研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2018（1）：126-128.DOI：10.19356/j.cnki.1001-3997.2018.01.036.

[7] 王昭君，何雪浤，周振東，謝里陽(yáng).基于ADAMS的折臂式高空作業(yè)車(chē)展開(kāi)作業(yè)穩(wěn)定性分析[J].機(jī)電工程，2020，37（3）：259-263+276.

[8] 劉濤，王衛(wèi)輝，鹿飛，袁仁武.基于Workbench的箱形伸縮臂模態(tài)及諧響應(yīng)分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2015，37（4）：80-82+97.